Application-oriented development of high-strength, high-Mn steels and their utilization

Wesselmecking, Sebastian; De Moor, Emmanuel; Bleck, Wolfgang; Krupp, Ulrich

doi:HT021467064

Application-oriented development of high-strength, high-Mn steels and their utilization

Wesselmecking, Sebastian^RWTH*

2022 & 2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sebastian Wesselmecking, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022, Kumulative Dissertation

Englische und deutsche Zusammenfassung. - Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Bleck, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH* ; Krupp, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH* ; De Moor, Emmanuel (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-08-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-08205
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/852599/files/852599.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die zunehmende Spezialisierung der Ingenieurwissenschaften führt zu immer kürzeren Entwicklungszyklen und somit zu einer wachsenden Komplexität der Forschung. Hoch spezialisierte Experten arbeiten entweder auf dem Gebiet der Grundlagenforschung oder der angewandten Ingenieurwissenschaften. Um dieser Entwicklung entgegenzuwirken, begannen Grundlagenforscher und Ingenieure im Sonderforschungsbereich "Stahl ab initio" ihre Zusammenarbeit. Ziel war es, neue und einfach anzuwendende Methoden zur Charakterisierung und Modifikation der Eigenschaften von Stählen zu entwickeln. Diese Methoden wurden auf die neue Klasse der hochmanganhaltigen Stähle (HMnS) angewandt, die im Mittelpunkt dieser Dissertation stehen. Die Arbeit teilt sich in drei Bereiche: die Charakterisierung und Nutzung der Nahordnung (SRO), die Anpassung der mechanischen Eigenschaften durch Ausnutzung der spezifischen Verformungsmechanismen und die Übertragung spezifischer Eigenschaften in die Anwendung. Um die SRO auszunutzen, musste sie zunächst im Detail charakterisiert werden. Die SRO-Bildung während der Reckalterung wurde bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 200 °C analysiert. Die Kinetik der SRO-Bildung wurde erfolgreich durch Kleinwinkel-Neutronenstreuung beschrieben. SRO ist eine Folge der Alterung nach der Vorverformung und geht mit steigender Streckgrenze, abnehmender Verformbarkeit und inhomogener Verformung einher. Die mechanischen Eigenschaften des HMnS werden zudem stark von den spezifischen Verformungsmechanismen beeinflusst. Die Aktivierung des TWIP-Effekts erhöht die Zwillingsdichte und führt zu einem Werkstoff mit sehr hoher Festigkeit. Auf der Grundlage der Temperaturabhängigkeit der Stapelfehlerenergie (SFE) und der spezifischen Merkmale des TWIP- und TRIP-Effekts wurde ein Ansatz zur sequentiellen Aktivierung von TWIP und TRIP entwickelt. Die Phasenumwandlungen wurden mit Hilfe von Synchrotron-Röntgenstrahlung verfolgt und die verformungsinduzierte Martensitbildung im stark verzwillingten Gefüge überwacht. Eine hohe Streckgrenze und eine hohe Verformbarkeit waren die Folge. Da die Nutzung von HMnS nicht nur die Werkstoffeigenschaften, sondern auch die Bauteilauslegung betrifft, wurde eine neue zweistufige Crashbox entwickelt. Hierfür wurde ein umfassender Entwicklungsprozess durchlaufen, bei dem ein gewalzter TWIP-Stahl durch angepasste Wärmebehandlungen an eine Crashbox angepasst wurde. Umgekehrt wurde die Crashbox für die Eigenschaften des rekristallisierten TWIP-Stahls modifiziert. Die Studie umfasste die Simulation, Herstellung und Prüfung dieser zweistufigen Crashbox. Die Simulationen zeigten, dass die spezifische Energieabsorption von TWIP-Stählen die Energieabsorption der derzeit verwendeten Stähle übertrifft. Die Arbeiten erweitern das Verständnis der spezifischen Eigenschaften (SRO, SFE, TWIP und TRIP) von HMnS und deren Charakterisierung. Grundlagen- und angewandte Forschung wurden erfolgreich fortgeführt und in die anwendungsorientierte Entwicklung von hochfesten HMnS überführt.

Specialization of engineering sciences accelerates, by ever-shorter development cycles, resulting in growing complexity in research. Consequently, highly specialized experts work either in fundamental research or in applied engineering. To counteract this division of expertise, fundamental scientists and engineers have started to cooperate in the collaborative research center “Steel ab initio”. The aim was to develop new and easy to-apply methodologies to characterize and improve the properties of steels. These methods were then applied to the new class of High Manganese Steels (HMnS), which is the focus of this dissertation. The work can be subdivided into three thematic areas: the characterization and exploitation of the Short-Range Ordering (SRO), the adaptation of the mechanical properties by exploiting the specific deformation mechanisms and the transfer of the specific properties of HMnS into the application. To exploit SRO, it first had to be characterized in detail. Thus, SRO formation was analyzed during strain aging at temperatures between room temperature and 200 °C. The kinetics of SRO formation were successfully described by small angle neutron scattering. The formation of SRO was shown to be a result of aging after pre-deformation and was accompanied by increasing yield strength, decreasing deformability and inhomogeneous deformation. The mechanical properties of HMnS are further highly affected by the specific deformation mechanisms. The activation of the TWIP effect increased the twin density and led to a material with very high strength, comparable to martensitic steels. The approach was developed on the basis of the temperature dependence of the Stacking Fault Energy (SFE) and the specific characteristics of the TWIP and the TRIP effect. TWIP and TRIP were activated in a sequential manner. The phase transformations, were tracked by means of Synchrotron XRD. Here, the deformation induced evolution of the martensite in the strongly twinned microstructure was monitored. The resulting material showed a high yield strength and high deformability. Since utilization of HMnS not only involves material properties but also the component-design, a new two-stage crash box was developed. An example of a comprehensive design-process was shown. A TWIP steel was adapted to an automotive crash box by adjusted annealing strategies. Conversely, the crash box was modified to the characteristics of the recrystallized TWIP steel. The study included the simulation, production and testing of the two-stage crash box. The simulations showed that the specific energy absorption of TWIP steels, exceeds the energy absorption of those currently in use.The work extends the understanding of the specific properties (SRO, SFE, TWIP and TRIP) of HMnS and their characterization. Scientific as well as engineering approaches were successfully combined, enabling an application-oriented development of high-strength HMnS.

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