Modellierung der Rekristallisationstextur: Quantifizierung der Keimbildung an Würfelbändern in Al- und Ni-Legierungen
Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die vorliegende Arbeit fokussierte sich speziell auf die Entstehung der Würfellage während der Rekristallisation in einer kommerziellen Al-Fe-Si Legierung bei verschiedenen Prozessbedienungen. Das Ziel dabei war es, die physikalischen Prozesse der Keimbildung und des Keimwachstums der Würfelkörner zu identifizieren und letztlich in einem Keimbildungsmodell abzubilden. Auf der Basis der im Rahmen dieser Arbeit gesammelten experimentellen Ergebnisse wurde das Rekristallisationsmodell CORe modifiziert, was zu belastbareren Prognosen der Rekristallisationstextur, speziell der Würfellage führte. Zur Entwicklung eines verlässlichen Keimbildungsmodells wurden alle im verformten Gefüge vorhandenen Keimbildungsstelle anhand von in-situ REM EBSD Messungen analysiert. Zwei unterschiedliche Typen von Keimbildungsstellen für die Würfelkörner wurden beobachtet: während der Kaltverformung aufgespaltete ehemalige Würfelkörner unterschiedlicher Dicke, die zwischen Körnern anderer Orientierungen parallel zur Walzrichtung lagen (Würfelbänder), und kleine Würfelbereiche, die sich außerhalb von großen verformten Würfelbändern befanden und durch Kristallrotation während des Kaltwalzens in der Mikrostruktur entstanden. Aufgrund ihrer vergleichsweise globulitischen Form und bereits vorhandenen umgebenden Großwinkelkorngrenzen konnten diese kleinen Würfelregionen schon zum Beginn des Glühens als Rekristallisationskeime beobachtet werden. Sie haben jedoch einen völlig vernachlässigbaren Einfluss auf die Intensität der rekristallisierten Würfellage. Somit kann festgestellt werden, dass die verformten Würfelbänder als einzige maßgebliche Keimbildungsstellen für die Würfelkörner im verformten Gefüge agieren. Die experimentell ermittelte Keimdichte an Würfelbändern wurde im Rahmen eines geometrischen Keimbildungsmodells überprüft, womit eine geeignete Vorhersage des Anteils der Würfellage in der Makrotextur und der Korngröße im rekristallisierten Zustand realisiert wurde. Anhand einer quantitativen Untersuchung der Subkornstrukturentwicklung und der Inkubationszeit in 70% kaltgewalzten Proben wurde gezeigt, dass die zeitliche Bevorzugung der Würfelkörner bei der Rekristallisationskeimbildung nach der Kaltverformung erst während der Rekristallisationsglühung möglich wurde. Allerdings war die Würfelkeimbildung durch lokale Konkurrenz mit schnell entstehenden regellosen PSN Keimen und durch Wachstumskonkurrenz mit S/R-Keimen begrenzt. Aufgrund dieser Konkurrenz zeigte die sowohl bei der Keimbildung als auch beim Wachstum bevorzugte Würfellage keine Dominanz in der finalen Rekristallisationstextur. Die Keimbildungsroutine ReNuc im Rekristallisationsmodell CORe wurde auf der Basis der experimentell ermittelten Ergebnisse validiert. Die Anzahl der Würfelkeime pro Korn wurde im Modell entsprechend der experimentell ermittelten Keimhäufigkeit an Würfelbändern über die Simulationsparameter gesteuert. Die Simulationsergebnisse zeigten deutlich, dass eine Berücksichtigung des Einflusses der Keimbildung auf die Entwicklung der Würfellage allein auf der Basis der absoluten Keimanzahl nicht ausreicht. Eine entscheidende Rolle spielten dabei auch die Wachstumsbedingungen für die Keime bzw. die lokale Wachstumskonkurrenz mit schnell entstehenden Keimen anderer Orientierung. Bei der Simulation mittels Cellular Automata gab es hierdurch trotz einer ausreichenden Anzahl von Würfelkeimen in ihrer Umgebung kein ausreichendes Volumen zum individuellen Wachstum mehr, um eine Wachstumsauslese zu realisieren. Dieses Problem konnte jedoch durch eine Erhöhung der räumlichen Auflösung des Modells gelöst werden. Dabei wurde eine realistische Prognose der Würfeltextur erzielt und gleichzeitig kein erheblicher Einfluss auf die finale Mikrostruktur in Hinblick auf die mittlere rekristallisierte Korngröße beobachtet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A study of cube grain nucleation in a commercial al alloy during in-situ and discontinuous (ex-situ) annealing experiments, Materials Science Forum Vols. 794-796 (2014), S. 1245-1250
O. Sukhopar and G. Gottstein
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Experimentelle und simulationsgestützte Würfelkeimbildung basierend auf in-situ EBSD Untersuchungen, Dissertation, RWTH Aachen, 2016
O. Sukhopar
