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19.05.2020 | Metalle | Im Fokus | Onlineartikel

Wie die interstitielle Ordnung hochfeste Stähle beeinflusst

Autor:
Dieter Beste
5 Min. Lesedauer

Eine kollektive interstitielle Ordnung ist Kern der Martensitbildung und damit ein Fundament hochfester Stähle. Obwohl seit mehr als einem Jahrhundert erforscht, enthüllt sich Forschern erst jetzt der zugrundeliegende Mechanismus.

Mit dem vorrangigen Ziel, das Gewicht von Bauteilen insbesondere im Automobilbau zu reduzieren, wurden in den letzten Jahrzehnten erhebliche Anstrengungen unternommen, Hoch- und Ultra-Hochleistungsstähle zu entwickeln. Benötigt werden hochfeste Stahlwerkstoffe, bei denen allerdings eine Verbesserung der Festigkeit nicht zu einer Verschlechterung anderer Eigenschaften wie Formbarkeit, Ermüdung oder Verschleißfestigkeit führen sollte. Darüber hinaus ist die Beibehaltung einer hohen Zähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit für die Sicherheit der Fahrzeuge vonnöten. "Bei Strukturbauteilen liegt der Schwerpunkt der Materialforschung deshalb auf der Erhöhung der Festigkeit und der Verschleißfestigkeit martensitischer Stähle bei gleichzeitiger Beibehaltung guter Duktilität, Zähigkeit und Ermüdungseigenschaften", resümieren die Autoren eines Fachbeitrags in "Metallurgical and Materials Transactions A, Ausgabe 11/2018". Bis zu einem gewissen Grad könne dies durch Kontrolle der Legierungszusammensetzung erreicht werden, durch Wärmebehandlungen, Mikrolegierungen oder thermomechanische Behandlungen – aber "diese traditionellen Techniken weisen nur eine begrenzte Verbesserungsrate auf, wobei eine Zunahme einer Eigenschaft oft mit einer Abnahme einer anderen einhergeht."

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Will man die Prozesse der Werkstoffherstellung steuern, muss man die grundlegenden Mechanismen der Martensitbildung in ihren komplexen Zusammenhängen kennen. "Wir müssen die Energie des gesamten Systems als Funktion von Druck und Temperatur im Auge haben, aber gleichzeitig auch die Energetik des einzelnen Teilchens in diesem System", sagt Jörg Neugebauer, Direktor der Abteilung Computational Materials Design am Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) in Düsseldorf und bezieht sich auf eine jüngst bei Nature Materials veröffentlichte Studie: Um besser zu verstehen, wie sich die Herstellung von hochfesten Stählen genauer steuern lässt, haben Forscher der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und des MPIE für die Grundzusammensetzung eines jeden Stahls – Eisen (Fe) und Kohlenstoff (C) – die Konzentration und Anordnung der Kohlenstoffatome und ihre Wechselwirkung mit dem Wirtsgitter des Eisens in martensitischen Stählen eingehend analysiert 

Kohlenstoffatome spielen für die Festigkeit von Stahl eine wichtige Rolle. Doch auch in Stählen, die schon seit Jahrzehnten im Einsatz sind, war das kollektive Verhalten dieser Atome bisher teilweise rätselhaft – insbesondere Details der Bildung von Martensit-Strukturen: "Wenn Kohlenstoffatome in das Eisen-Wirtsgitter von martensitischen Stählen eintreten, diffundieren sie zwischen den Eisenatomen und übernehmen nicht die Positionen der Eisenatome im Wirtsgitter. Dennoch erzeugen sie Dehnungsfelder, die das gesamte Gitter beeinflussen. Das Verständnis des Mechanismus der sich daraus ergebenden interstitiellen Ordnung ist ein Schlüssel zum Design von Ultrahochleistungsstählen, da sie ihre Festigkeit aus der Martensitbildung, also aus der kollektiven interstitiellen Ordnung, gewinnen", sagt Tilmann Hickel, Leiter der Gruppe "Computational Phase Studies" am MPIE; Hickel ist Hauptbetreuer der Arbeit von Xie Zhang, dem Erstautor der Publikation. 

Anharmonizität und Segregation

Das Forscherteam identifizierte zwei Komponenten, die die interstitielle Ordnung beeinflussen. Die erste ergibt sich aus der durch die Dehnungsfelder im Fe-Gitter verursachten Anharmonizität. "Aufgrund dieser Anharmonizität wird die kritische C-Konzentration für eine Ordnungsstörungsumwandlung verringert. Um die Verschiebung der Fe-Atome in unterschiedlichen Abständen zu verstehen, müssen wir den anharmonischen Beitrag in der ersten Nachbarposition eines C-Interstitiums berücksichtigen", sagt Jutta Rogal vom Interdisciplinary Centre for Advanced Materials Simulation (Icams) der Ruhr-Universität Bochum. 

Die zweite Komponente, die die interstitielle Ordnung beeinflusst, ist die Segregation von C zu ausgedehnten Defekten. Diese Segregation findet bei niedrigen C-Konzentrationen statt und wird bei hohen C-Konzentrationen durch eine Senkung des chemischen C-Potentials im geordneten Martensit unterdrückt. Das chemische Potential von C in Fe-C-Martensit nimmt mit zunehmender C-Konzentration allmählich zu, bis 0,8 Atomprozent erreicht sind. Dann nimmt es durch den Ordnungsstörungsübergang rasch ab.

Beide Komponenten, der Grad der Anharmonizität und das Segregationsverhalten, sind entscheidend für den Ordnungs-Unordnungs-Übergang. "Ein unerwartetes Ergebnis der Studie war, dass es nicht ausreicht, nur die Anordnung der Kohlenstoffatome in der Masse zu analysieren. Vielmehr kommt es zu einer starken Konkurrenz zwischen der Kohlenstoffkonzentration in der Masse und ihrer Entmischung zu ausgedehnten Defekten", erläutert Jörg Neugebauer die Ergebnisse. "Nur mit dieser Einsicht war es möglich, ein umfassendes Verständnis des Ordnungs-Unordnungs-Übergangs zu gewinnen. Diese Konkurrenz nimmt mit zunehmender Konzentration von Kohlenstoffzwischengitterplätzen ab, da ausgedehnte Defekte Zwischengitterplätze nur in begrenztem Umfang einbeziehen können. Die genaue Konzentration hängt von der Dichte der Defekte ab. In unseren Berechnungen und durch Experimente bestätigt, wird der ungeordnete Martensit durch eine Kohlenstoffkonzentration im Bereich zwischen 0,8 und 2,6 Atomprozent ausgelöst. Oberhalb von 2,6 Atomprozent wird geordneter Martensit gebildet, der den Stählen eine höhere Festigkeit verleiht. Unterhalb von 0,8 Atomprozent segregieren Kohlenstoffatome zu Versetzungen in Korngrenzen." Die theoretischen Berechnungen wurden durch Messungen mit Transmissionselektronenmikroskopie und Atomsonden-Tomographie an der Ruhr-Universität Bochum bestätigt. 

Präziser Entwurf von Ultra-Hochleistungsstählen

Im Allgemeinen hänge die genaue kritische C-Konzentration von der Mikrostruktur des Materials und der Bindungsenergie zwischen C und einem bestimmten ausgedehnten Defekt ab, betonen die Forscher. Der gezeigte kritische Konzentrationsbereich von 0,8 und 2,6 Atomprozent sei nicht universell, sondern hänge von der Probe und ihren ausgedehnten Defekten ab. Die kritischen Konzentrationen könnten jedoch genau berechnet werden, wenn

  • die genaue Bindungsenergie zwischen C und dem ausgedehnten Defekt und 
  • die maximale C-Konzentration, die von dem ausgedehnten Defekt aufgenommen werden kann, bekannt sind. 

Das Fazit der Studie: Die Werkstoffwissenschaftler konnten die entscheidende Rolle aufklären, die Anharmonizität und Segregation für den Mechanismus der interstitiellen Ordnung spielen, indem sie Fe-C-Legierungen als Modell für andere relevante Systeme verwendeten. Zudem bietet die Einbeziehung von anharmonischen Effekten in Phasenübergänge von Ordnungsstörungen eine neue Ebene der prädiktiven Werkstoffmodellierung und ebnet den Weg für den präzisen Entwurf von Ultra-Hochleistungsstählen.
 

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