Atomare Umverteilung von Kohlenstoff während der Austenit-Martensit-Umwandlung in Stählen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Tilmann Hickel; Dr.-Ing. Stefanie Sandlöbes-Haut
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406912286

Martensitische Stählen haben aufgrund ihrer hohen Festigkeit sowie der Justierbarkeit ihrer Festigkeit, Zähigkeit und Verformbarkeit mittels einfacher technologischer Verfahren ein großes Anwendungspotential. Die mechanischen Eigenschaften martensitischer Stähle hängen vom Volumenanteil, der Morphologie, der Zusammensetzung und den intrinsischen Eigenschaften der martensitischen Phase ab. Diese werden bestimmt durch die lokalen kristallographischen Prozesse während der Phasenumwandlung sowie der Nachbehandlung des Stahls. In diesem Zusammenhang ist insbesondere die lokale Ungleichgewichts-Verteilung der C-Atome in der martensitischen Phase entscheidend. Im neu geformten Martensit liegen die C-Atome in übersättigter Lösung vor und ihre Konzentration und Verteilung bestimmen die Festigkeit und Zähigkeit des Martensits. The Verteilung und potentielle Ordnungsbildung von C-Atomen erfolgt an der Umwandlungsfront, also der Austenit-Martensit-Phasengrenze. Diese Mechanismen, insbesondere unter Berücksichtigung der C-Diffusion und Grenzflächenmobilität sind bisher nicht im Detail bis zur atomaren Ebene verstanden, obwohl sie von hoher Relevanz für die Entwicklung martensitischer Stähle mit angepassten mechanischen Eigenschaften sind. Bisherige theoretische und experimentelle Studien beinhalten nur begrenzt relevante Daten aufgrund der Verwendung entweder idealisierter Materialsysteme oder unzureichender komplementärer chemischer-struktureller Detailtiefe im Experiment.Dieses Projekt dient der Beantwortung dieser offenen Fragen mittels des kombinierten Einsatzes hochauflösender experimenteller und theoretischer Methoden in Fe-TM-C Stählen. Ein Hauptfokus liegt hierbei auf dem Einfluss der Austenit-Martensit Phasengrenze auf die Verteilung und Umverteilung von C-Atomen während der martensitischen Transformation. Dies beinhaltet nicht nur die Betrachtung der lokalen Grenzflächenstruktur, sondern auch die Berücksichtigung und Analyse der möglichen Bildung von Grenzflächenphasen, mittel-reichweitiger struktureller Modulationen sowie der tetragonalen Verzerrung des Martensits (Zener-Ordnung). Als kompetitive Mechanismen zur grenzflächendominierten strukturellen und chemischen Umverteilung von C-Atomen im Martensit werden daher die Ordnung von C-Atomen, die Bildung von Karbiden oder anderen geordneten C-reichen Phasen sowie die Bildung von Reversionsaustenit betrachtet.Zu Erreichung dieser Ziele planen wir den komplementären Einsatz von ab initio Thermodynamik und Kinetik basierend auf der Dichtefunktionaltheorie unter Berücksichtigung aller Temperaturbeiträge, der Atomic-Density-Field Theorie, einer Quasiteilchen-Theorie sowie von Mean-Field-Methoden auf theoretischer Seite. Auf der experimentelle Seite planen wir die kombinierte Nutzung von (hochauflösender) Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Atomsondentomographie (APT). Für ausgewählte Schlüsselproben ist zusätzlich die Durchführung korrelativer TEM-APT Experimente geplant.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Frédéric Danoix; Professor Dr. Philippe Maugis; Professorin Dr. Hélène Zapolsky