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Statistical analysis of damage in relation to strain-path, microstructure and mechanical contrast

Wollenweber, Maximilian Aeneas^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Maximilian Aeneas Wollenweber, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Korte-Kerzel, Sandra (Thesis advisor)^RWTH* ; Tasan, C. Cem (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-02-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-03447
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1032341/files/1032341.pdf

Einrichtungen

1. Lehrstuhl für Werkstoffphysik und Institut für Metallkunde und Materialphysik (523110)
2. Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (520000)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Entwicklung fortschrittlicher Stähle und Umformprozesse mit reduzierter Umweltbelastung ist ein zentrales Ziel der modernen Materialwissenschaft. Diese Dissertation untersucht Strategien für das Schädigungskontrollierte Umformen, ein Ansatz, der darauf abzielt, die Materialeigenschaften durch minimale Änderungen an bestehenden Prozessen oder Werkstoffen zu verbessern. Im Fokus dieser Arbeit steht dabei die Analyse des Einflusses von Mikrostruktur, mechanischem Kontrast und Spannungszustand auf die Schädigungsnukleation und -entwicklung in Stählen, insbesondere in Dualphasen- (DP) und Mehrphasenstählen wie 16MnCrS5. Es wurden zwei automatisierte Methoden zur Quantifizierung der Schädigungshäufigkeit mittels Rasterelektronenmikroskopie entwickelt: Eine nutzt die Lokalisierung von Einschlüssen, um eine effiziente Analyse in Stählen zu ermöglichen, bei denen Einschlüsse die Hauptursache für Schädigungen sind. Die andere Methode basiert auf der Segmentierung geätzter Mikrostrukturen, um detaillierte Korrelationen zwischen lokaler Mikrostruktur und Schädigungsentstehung zu erfassen. Diese Ansätze wurden am Stahl 16MnCrS5 validiert: Während die erste Methode durch größere Allgemeingültigkeit und Robustheit gegenüber Bildgebungsbedingungen besticht, liefert die zweite eine höhere Informationsdichte, allerdings nur für spezifische Mikrostrukturen. Experimente zeigten, dass durch gezielte Variation von Lastpfaden und Belastungsrichtungen die Schädigungshäufigkeit signifikant reduziert werden kann. Beispielsweise führt eine Reihenfolge von Druck- vor Zugbelastung zur Verfestigung von Ferrit und verringert die Entstehung von Schädigung durch abnehmenden mechanischen Kontrast. Dessen Rolle im 16MnCrS5 wurde durch Versuche bei unterschiedlichen Temperaturen verdeutlicht: Unterschiedliche Verfestigungsraten der Phasen bei verschiedenen Temperaturen bestimmen die Inkompatibilität während der plastischen Verformung und beeinflussen so maßgeblich die Schädigungshäufigkeit innerhalb des Werkstoffs. Untersuchungen der lokalen Phasenumgebungen in Mehrphasenmikrostrukturen zeigen, dass die Nukleation neuer Schädigungsstellen nicht signifikant von der unmittelbaren Umgebung abhängt, während das anschließende Wachstum dieser Stellen jedoch stark durch die umgebenden Phasen bestimmt wird. So wachsen Schädigungsstellen in MnS-Einschlüssen besonders stark, wenn sie vollständig von Ferrit umgeben sind, während eine vollständige Einbettung in Perlit das Wachstum deutlich hemmt. Diese Ergebnisse implizieren außerdem, dass Designprinzipien für schädigungstolerante Dualphasenstähle nicht direkt auf komplexere Mehrphasensysteme übertragbar sind.

The development of advanced steels and forming processes with reduced environmental impact is a critical objective in modern materials science. This dissertation investigates strategies for damage-controlled forming, a strategy which aims to improve material properties with only minimal changes, by systematically analysing how microstructure, mechanical contrast, and stress state influence damage nucleation and growth in steels, particularly dual-phase (DP) and multi-phase alloys such as 16MnCrS5. To this end, two complementary automated tools for quantifying damage prevalence using scanning electron microscopy were developed: one uses inclusion-based localization to enable high-throughput analysis in steels where inclusions drive damage formation. The other employs segmentation of etched microstructures to provide detailed correlations between local constituent arrangement and damage occurrence. These approaches were validated on 16MnCrS5 steel, revealing both their strengths and limitations: one offers greater generality and robustness to imaging conditions, while the other provides higher information density but is applicable only to more specific microstructures. Experimental investigations demonstrated that strategic manipulation of strain paths and loading directions can significantly reduce damage prevalence. For example, sequencing compressive before tensile deformation was found to promote strain hardening in ferrite and minimise damage prevalence by reducing mechanical contrast. The role of mechanical contrast was also elucidated in 16MnCrS5 through temperature-dependent testing: non-linear relationships between constituent hardening rates at different temperatures, rather than yield strength alone, were shown to govern incompatibility during plastic deformation, thereby affecting overall material integrity. A particular focus was placed on understanding how local phase environments affect damage behaviour in multi-phase microstructures. It was shown that while nucleation of new damage sites is not strongly dependent on local environment, subsequent growth is highly sensitive to the surrounding phases: MnS inclusions engulfed by ferrite experience greater void growth, whereas encapsulation within pearlite provides effective shielding. These findings challenge the direct transferability of dual-phase design principles to more complex alloys.

OpenAccess:
PDF
(additional files)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT031432420

Interne Identnummern
RWTH-2026-03447
Datensatz-ID: 1032341

Beteiligte Länder
Germany