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Entstehung und Eigenschaften von ultrafeinkörnigen Gradientengefügen in höherfesten Stählen

Ahmels, Laura (2020):
Entstehung und Eigenschaften von ultrafeinkörnigen Gradientengefügen in höherfesten Stählen.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00009703,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Entstehung und Eigenschaften von ultrafeinkörnigen Gradientengefügen in höherfesten Stählen
Language: German
Abstract:

Im Zuge der Verknappung von fossilen Brennstoffen gewinnt das Konzept des Leichtbaus besonders im Bereich Mobilität immer mehr Wichtigkeit. Neben konstruktiven Aspekten spielt im Leichtbau die Verwendung von höherfesten Werkstoffen eine große Rolle. Diese müssen jedoch eine genügende Duktilität aufweisen, um eine akzeptable Schadenstoleranz der Bauteile zu gewährleisten. Die Erzeugung von höherfesten Werkstoffen mit ausreichender Duktilität gehört somit zu den aktuellen Herausforderungen der Materialwissenschaft, da die Erhöhung der Festigkeit eines Werkstoffes meist mit einer Verringerung seiner Duktilität einhergeht. Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Festigkeit eines Materials unter Erhalt einer genügenden Duktilität ist die Kornfeinung. Die steigende Festigkeit eines Werkstoffes mit sinkender Korngröße wird durch die Hall-Petch-Beziehung beschrieben und für den Leichtbau genutzt. Feinkörnige Werkstoffe mit Korngrößen im Bereich von 0,1-1 µm (die häufig als UFG-Werkstoffe bezeichnet werden) können mithilfe verschiedener Verfahren hergestellt werden, wobei hier häufig sogenannte Severe Plastic Deformation (SPD) Prozesse zum Einsatz kommen. Aufgrund der hohen Korngrenzdichten in mithilfe dieser Verfahren hergestellten Werkstoffen sind viele Prozesse in diesen Werkstoffen (im Gegensatz zu konventionell grobkörnigen Werkstoffen) nicht durch das Verhalten des Volumen im Korninnern, sondern durch das Verhalten der Korngrenzflächen zwischen den einzelnen Körnern dominiert. Dies führt zu Änderungen sowohl im thermischen als auch im plastischen Verhalten dieser Werkstoffe, die jedoch noch nicht vollständig verstanden sind. Die experimentelle Bestimmung der dem thermischen sowie plastischen Verhalten von UFG Gefügen zugrunde liegenden Mechanismen stellt häufig eine Herausforderung dar, da die bildgebenden Verfahren mit für UFG Gefüge ausreichender Auflösung nur die Abbildung von Oberflächen erlauben und somit Prozesse im Volumen nicht untersucht werden können. Kolumnare Mikrostrukturen bieten hier (aufgrund ihrer in eine Dimension als konstant annäherbare Struktur) Vorteile, die die Untersuchungen sowohl des thermischen als auch des plastischen Verhaltens von UFG Gefügen vereinfachen. Ein Umformprozess, in dem eine kolumnare UFG Mikrostruktur erzeugt wird, ist der am Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU) der TU Darmstadt entwickelte innovative Massivumformprozess Spaltprofilieren. Der als Umformprozess zur Erzeugung von integral verzweigten Strukturen aus Blechen entwickelte Prozess führt lokal zur Erzeugung eines stark gestreckten, hochfesten UFG Gefüges. Im Gegensatz zu klassischen SPD-Verfahren handelt es sich bei diesem Prozess um einen kontinuierlichen Prozess, der die Erzeugung großvolumiger Halbzeuge mit lokalem UFG Gefüge im industriellen Maßstab erlaubt. Aus diesem Grund ist dieser Prozess nicht nur als Herstellungsmöglichkeit eines Modellgefüges interessant, sondern auch für die industrielle Herstellung und Nutzung von lokalen UFG Mikrostrukturen von hoher technologischer Relevanz. Da die mittels Spaltprofilieren hergestellten Profile nur lokal ultrafeinkörnig sind, weisen sie einen starken Gefügegradienten auf. In früheren Arbeiten wurde bereits gezeigt, dass sich dieser Gradient bereits zu Beginn des Prozesses in der Umformzone ausbildet und sich über den weiteren Verlauf des Prozesses nicht weiter ändert. Diese Einstellung eines stationären Zustands, die mit der Entstehung des UFG Gefüges einhergeht, wirft sowohl Fragen zum Materialfluss während des Prozesses als auch zum Umformverhalten des UFG Gefüges auf.

Ziel dieser Arbeit ist es, am Beispiel spaltprofilierter Mikrostrukturen grundlegende Erkenntnisse zum thermischen und mechanischen Verhalten von (mithilfe von SPD-Prozessen hergestellten) UFG Gefügen zu gewinnen. Ein weiterer Fokus dieser Arbeit ist es, mithilfe dieser grundlegenden Erkenntnisse das technologische Verständnis des Spaltprofilierprozesses insbesondere in Bezug auf die Ausbildung des stationären Zustands zu erhöhen

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In the course of increasing stringency of fossil fuel, the concept of lightweight design is gaining further importance, especially in the mobility sector. In addition to aspects concerning construction, the usage of high-strength materials plays an important role in lightweight design. These materials have to exhibit a sufficient ductility to ensure an acceptable damage tolerance of the lightweight components. The production of high-strength materials with sufficient ductility is one of the current challenges in materials science, since the increase of strength is usually accompanied by a reduction in ductility. One possibility to increase the strength of a material while maintaining a sufficient ductility is grain refinement. The increase in strength of a material with decreasing grain size is described by the Hall-Petch relationship and exploited in lightweight design. Fine-grained materials with grain sizes in the range of 0.1-1 µm (also referred to as UFG materials) often are produced by so-called severe plastic deformation (SPD) processes. Due to the high grain boundary density in materials produced by SPD processes, the behavior of these materials is governed by the behavior of the grain boundaries and not by the volume inside the grains as it is found in coarse-grained materials. This causes changes in the thermal as well as mechanical behavior of these materials that are not fully understood yet. The experimental investigation of the thermal and plastic behavior of UFG microstructures is often challenging. This is because the imaging techniques with sufficient resolution to be suitable for UFG materials only allow the investigation of surfaces and processes in the volume cannot be investigated. Here, columnar microstructures offer great advantages that facilitate the investigation of both the thermal and the plastic behavior of UFG microstructures. A forming process that causes the formation of a columnar UFG microstructure is called linear flow splitting and was developed at the Institute of Production Technology and Forming Machines (PtU) of the TU Darmstadt. This process was designed to integrally produce bifurcated structures from sheet metal and locally causes the formation of a strongly elongated high-strength UFG microstructure. In contrast to classic SPD processes linear flow splitting is a continuous process allowing the production of profiles with local UFG microstructure on an industrial scale. Since the profiles produced by linear flow splitting partially consist of an UFG microstructure, they exhibit a strong microstructure gradient. Earlier work has shown that this microstructure gradient is formed at the beginning of the process in the forming zone and does not change over the course of the process. This formation of a steady state raises questions concerning the material flow during the process as well as concerning the deformation behavior of the UFG microstructure. A Goal of this work is to gain fundamental insights into the thermal and deformation behavior of (SPD processed) UFG microstructures. Another aim of this work is to use these fundamental findings to increase the technological understanding of the formation of the steady state during linear flow splitting process.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Physical Metallurgy
Date Deposited: 16 Jan 2020 07:21
Last Modified: 09 Jul 2020 02:59
DOI: 10.25534/tuprints-00009703
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-97035
Referees: Müller, Prof. Dr. Clemens and Groche, Prof. Dr. Peter
Refereed: 25 November 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9703
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