SFB 799: TRIP-Matrix-Composite - Design von zähen, umwandlungsverstärkten Verbundwerkstoffen und Strukturen auf Fe-ZrO2-Basis
Maschinenbau und Produktionstechnik
Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Sonderforschungsbereich 799 „TRIP-Matrix-Composite – Design von zähen, umwandlungsverstärkten Verbundwerkstoffen und Strukturen auf Fe-ZrO2-Basis“ hat über 12 Jahre hochleistungsfähige Verbundwerkstoffe aus TRIP/TWIP-Stahl (TRIP: TRansformation-Induced Plasticity, TWIP: TWinning-Induced Plasticity) und Zirkondioxid-Keramik erforscht, die ein hohes Energieabsorptionsvermögen bei sehr guter Verformbarkeit aufweisen. Diese herausragenden mechanischen Eigenschaften wurden durch die Kombination der bei Belastung in beiden Komponenten auftretenden martensitischen Phasenumwandlungen ermöglicht. Um einen großen Anwendungsbereich für die Verbundwerkstoffe zu erschließen, wurden verschiedene Herstellungsverfahren sowohl der klassischen Pulvermetallurgie, der Keramikherstellung wie auch der Schmelze-Infiltration erforscht. Technologien der Keramikherstellung, wie das Extrudieren, das Schlickergießen, das schlickerbasierte Alginatverfahren sowie die Herstellung von metallo-keramischem Papier wurden auf die TRIP-Matrix Composite übertragen, um Makrostrukturen (Wabenkörper, Schäume, Papier, Voll- und Hohlkugeln) aus den neuen Verbundwerkstoffen herzustellen. Die mittels plastischer Formgebung durch Extrudieren und anschließender Sinterung hergestellten filigranen Wabenstrukturen mit exzellentem Energieabsorptionsvermögen eignen sich besonders für Crash-Strukturen. Keramische Formkörper wurden mit Stahlschmelze infiltriert, um Keramik verstärkte Stahlgussteile zu erzeugen. Um die Eigenschaften der Verbundwerkstoffe zu optimieren erfolgten umfangreiche Forschungen im Bereich hochlegierter, nichtrostender CrMnNi-Stähle. Als Basis diente ein Stahlgusswerkstoff, dessen mechanische Eigenschaften durch Variation der chemischen Zusammensetzung in einem weiten Bereich eingestellt wurden. Zudem wurden hoch- und ultrahochfeste Stahlvarianten neu entwickelt. Bei der Charakterisierung der Verbundwerkstoffe bildeten sowohl die Mikrostruktur, deren Verhalten bei mechanischer Beanspruchung sowie die Grenzflächenausbildung zwischen Stahl und Keramikpartikeln Forschungsschwerpunkte. In methodischen Neuentwicklungen wurden neben elektronenmikroskopischen Untersuchungen auch die Röntgen- bzw. Synchrotronbeugung, die Computertomografie, die digitale Bildkorrelation und die Kombination mit der akustischen Emissionsmessung bei der Erforschung der Vorgänge im Werkstoff in situ, also unter mechanischer Beanspruchung angewendet. So konnten die Mechanismen und die Kinetik der Plastizität und der Energiedissipation aufgeklärt werden. Ergänzt wurden diese Arbeiten durch die Modellierung der Vorgänge im Verbundwerkstoff während der Herstellung (Infiltration, Pulverherstellung durch Schmelzeverdüsung, Schweißen) und unter mechanischer Beanspruchung. Dabei wurden sich ergänzende Modelle entwickelt, die die Eigenschaften auf verschiedenen Größenskalen, sowohl im Stahl, in der keramischen Zirkondioxid- Phase wie auch im Verbundwerkstoff beschreiben. Zudem erfolgte eine thermodynamische Modellierung der Werkstoffe. Die im SFB 799 erforschten Verbundwerkstoffe weisen herausragende Eigenschaften für ein breites Anwendungsgebiet auf, wie in vier Transferprojekten gezeigt wurde. Besonderer Wert wurde auf die Qualifizierung der Promovierenden gelegt, die im Rahmen einer Graduiertenausbildung mit modernsten wissenschaftlichen Methoden wie auch mit Soft Skills vertraut gemacht wurden. Diese Aktivitäten waren in eine breite Palette von Aktivitäten zur Nachwuchsgewinnung von Schülern bis zur Unterstützung von Habilitierenden eingebettet. Zudem wurde der SFB kontinuierlich durch Aktivitäten zur Öffentlichkeitsarbeit begleitet, um den SFB bzw. dessen Ergebnisse sowohl der Fachcommunity als auch einer breiten Öffentlichkeit nahe zu bringen. Damit wurden das ursprüngliche Konzept der TRIP-Matrix-Verbundwerkstoffe umgesetzt, die wissenschaftlichen Fragestellungen in einem breiten Rahmen aufgeklärt und schließlich eine neue Werkstofffamilie mit attraktiven Eigenschaften vorgestellt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Energy-absorbing TRIP-Steel/Mg-PSZ composite honeycomb structures based on ceramic extrusion at room temperature, International Journal of Applied Ceramic Technology, 6 (2009), pp. 727-735
Aneziris, C.G., Schärfl, W., Biermann, H., Martin, U.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1111/j.1744-7402.2008.02321.x) - Microstructure and compression strength of novel TRIP-steel/Mg-PSZ composites, Advanced Engineering Materials, 11 (2009), pp. 1000-1006
Biermann, H., Martin, U., Aneziris, C.G., Kolbe, A., Müller, W., Schärfl, W., Herrmann, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adem.200900210) - Effect of austenite stability on the low cycle fatigue behavior and microstructure of high alloyed metastable austenitic cast TRIP-steels, Procedia Engineering, 2 (2010), pp. 2085-2094
Glage, A., Weidner, A., Biermann, H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.proeng.2010.03.224) - Novel TRIP-steel/Mg- PSZ composite-open cell foam structures for energy absorption, Advanced Engineering Materials, 12 (2010), pp. 197-204
Aneziris, C.G., Berek, H., Hasterok, M., Biermann, H., Wolf, S., Krüger, L.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adem.200900273) - Screening of the interactions between Mg- PSZ and TRIP-steel and its alloys during sintering, Advanced Engineering Materials, 12 (2010), pp. 486-492
Weigelt, C., Giersberg, S., Wenzel, C., Aneziris, C.G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adem.200900303) - Ceramic processing for TRIP-steel/Mg-PSZ composite materials for mechanical applications, Steel Research International, 82 (2011), pp. 1080-1086
Weigelt, C., Aneziris, C.G., Yanina, A., Guk, S.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/srin.201100073) - Characterization of stress–strain behavior of a cast TRIP steel under different biaxial planar load ratios, Engineering Fracture Mechanics, 78 (2011), pp. 1684–1695
Kulawinski, D.; Nagel, K.; Henkel, S.; Hübner, P.; Fischer, H.; Kuna, M.; Biermann, H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2011.02.021) - Cyclic deformation behaviour of three austenitic cast CrMnNi TRIP/TWIP steels with various Ni content, Steel Research International, 82 (2011), pp. 1040-1047
Glage, A., Weidner, A., Biermann, H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/srin.201100080) - Determination of the phase distribution in sintered TRIP-matrix / Mg-PSZ composites using EBSD, Steel Research International, 82 (2011), pp. 1094-1100
Berek, H., Yanina, A., Weigelt, C., Aneziris, C.G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/srin.201100064) - Influence of temperature on phase transformation and deformation mechanisms of cast CrMnNi-TRIP/TWIP steel, Solid State Phenomena, 172-174 (2011), pp. 172-177
Martin, S., Wolf, S., Martin, U., Krüger, L.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.172-174.172) - Reinforcing mechanism of Mg- PSZ particles in highly-alloyed TRIP steel, Steel Research International, 82 (2011), pp. 1133-1140
Martin, S., Richter, S., Decker, S., Martin, U., Krüger, L., Rafaja, D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/srin.201100099) - Stacking fault model of-martensite and its DIFFaX implementation, Journal of Applied Crystallography, 44 (2011), pp. 779-787
Martin, S., Ullrich, C., Simek, D., Martin, U., Rafaja, D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1107/S0021889811019558) - Stacking faults in high-alloyed metastable austenitic cast steel observed by electron channelling contrast imaging, Scripta Materialia, 64 (2011), pp. 513-516
Weidner, A., Martin, S., Klemm, V., Martin, U., Rafaja, D., Biermann, H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2010.11.028) - Strain rate dependent flow stress and energy absorption behaviour of cast CrMnNi TRIP/TWIP steels, Steel Research International, 82 (2011), pp. 1087-1093
Krüger, L., Wolf, S., Martin, S., Martin, U., Jahn, A., Weiß, A., Scheller, P.R.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/srin.201100067) - Strength and failure behaviour of spark plasma sintered steel-zirconia composites under compressive loading, Steel Research International, 82 (2011), pp. 1017-1021
Krüger, L., Decker, S., Ohser-Wiedemann, R., Ehinger, D., Martin, S., Martin, U., Seifert, H. J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/srin.201100082) - Temperature Depending Influence of the Martensite Formation on the Mechanical Properties of High-Alloyed Cr-Mn-Ni As- Cast Steels, Steel Research International, 82 (2011), pp. 39–44
Jahn, A., Kovalev, A., Weiß, A., Wolf, S., Krüger, L., Scheller, P. R.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/srin.201000228) - SEM investigation of high-alloyed austenitic stainless cast steels with varying austenite stability at room temperature and 100°C, Steel Research International, 83 (2012), pp. 512-520
Biermann, H., Solarek, J., Weidner, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/srin.201100293) - Strain-rate-dependent flow stress and failure of an Mg-PSZ reinforced TRIP matrix composite produced by spark plasma sintering, Steel Research International, 83 (2012), pp. 521–528
Decker, S., Krüger, L., Richter, S., Martin, S., Martin, U.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/srin.201100268) - STT and DTT diagrams of austenitic Cr- Mn-Ni as-cast steels and crucial thermodynamic aspects of γ→α' transformation, Steel Research International, 83 (2012), pp. 576-583
Kovalev, A., Jahn, A., Weiß, A., Wolf, S., Scheller, P.R.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/srin.201100267) - Effect of Manganese on Microstructure and Mechanical Properties of Cast High Alloyed CrMnNi-N Steels, Advanced Engineering Materials, 15 (2013), pp. 558–565
Wendler, M., Weiss, A., Krüger, L., Mola, J., Franke, A., Kovalev, A., Wolf, S.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adem.201200318) - Kinetics of deformation processes in high-alloyed cast TRIP/TWIP steels determined by acoustic emission and scanning electron microscopy: Influence of austenite stability on deformation mechanisms, Acta Materialia, 61 (2013), pp. 2434-2449
Vinogradov, A., Lazarev, A., Linderov, M., Weidner, A., Biermann, H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.01.016) - Microstructure defects contributing to the energy absorption in CrMnNi TRIP steels, Advanced Engineering Materials, 15 (2013), pp. 571-582
Borisova, D., Klemm, V., Martin, S., Wolf, S., Rafaja, D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adem.201200327) - Numerical simulation of a single rising bubble by VOF with surface compression, International Journal for Numerical Methods in Fluids, 71 (2013), pp. 960-982
Klostermann, J., Schaake, K., Schwarze, R.
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(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.msea.2013.02.008) - A thermomechanically coupled material model for TRIP-steel, International Journal of Plasticity, 55 (2014), pp. 182-197
Prüger, S., Seupel, A., Kuna, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2013.10.005) - Biaxial in-phase and out-of-phase cyclic deformation and fatigue behavior of an austenitic TRIP steel, International Journal of Fatigue, 67 (2014), pp. 123-133
Ackermann, S., Kulawinski, D., Henkel, S., Biermann, H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2014.02.007) - Constitutive modelling of the rate dependent flow stress of cast high-alloyed metastable austenitic TRIP/TWIP steel, Materials Science and Engineering A, 594 (2014), pp. 72-81
Wolf, S., Martin, S., Krüger, L., Martin, U.
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Linderov, M., Segel, C., Weidner, A., Biermann, H., Vinogradov, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.msea.2013.12.094) - Fatigue behaviour of hot pressed austenitic TWIP steel and TWIP steel/Mg-PSZ composite materials, International Journal of Fatigue, 65 (2014), pp. 9-17
Glage, A., Weigelt, C., Räthel, J., Biermann, H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2013.11.025) - Nanoindentation measurements on deformation-induced α’-martensite in a metastable austenitic high-alloy CrMnNi steel, Philosophical Magazine Letters, 94 (2014), pp. 522-530
Weidner, A., Hangen, U.D., Biermann, H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1080/09500839.2014.941027) - Stacking fault energy in austenitic steels determined by using in situ X-ray diffraction during bending, Journal of Applied Crystallography, 47 (2014), pp. 936-947
Rafaja, D., Krbetschek, C., Ullrich, C., Martin, S.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1107/S1600576714007109) - Austenitic TRIP/TWIP steels and steel-zirconia composites, Springer Nature, Springer Series in Materials Science, Vol. 298, 2020
Biermann, H., Aneziris, C.G. (Hrsg.)
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-030-42603-3) - Combination of different in situ characterization techniques and scanning electron microscopy investigations for a comprehensive description of the tensile deformation behavior of a CrMnNi TRIP/TWIP steel, JOM, 67 (2015), pp. 1729-1747
Weidner, A., Biermann, H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11837-015-1456-y) - Deformation bands in high-alloy austenitic 16Cr6Mn6Ni TRIP steel: Phase transformation and its consequences on strain hardening at room temperature, Steel Research International, 86 (2015), pp. 1187-1196
Martin, S., Wolf, S., Decker, S., Krüger, L., Martin, U.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/srin.201500005) - Magnitude of shear of deformation-induced α'-martensite in high-alloy metastable steel, Materials Letters, 143 (2015), pp. 155-158
Weidner, A., Segel, C., Biermann, H.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1016/j.matlet.2014.12.098) - Deformation Mechanisms in Austenitic TRIP/TWIP Steel as a Function of Temperature, Metallurgical and Materials Transactions A, 47 (2016), pp. 49-58
Martin, S., Wolf, S., Martin, U., Krüger, L., Rafaja, D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11661-014-2684-4) - Influence of Powder Particle Size on the Compaction Behavior and Mechanical Properties of a High-Alloy Austenitic CrMnNi TRIP Steel During Spark Plasma Sintering, Metallurgical and Materials Transactions A, 47 (2016), pp. 170-177
Decker, S., Martin, S., Krüger, L.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11661-015-2861-0) - Interplay of microstructure defects in austenitic steel with medium stacking fault energy, Materials Science and Engineering A, 649 (2016), pp. 390-399
Ullrich, C., Eckner, R., Krüger, L., Martin, S., Klemm, V., Rafaja, D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.10.021) - Quenching and partitioning (Q&P) processing of fully austenitic stainless steels, Acta Materialia, 133 (2017), pp. 346–355
Wendler, M., Ullrich, C., Hauser, M., Krüger, L., Volkova, O., Weiß, A., Mola, J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.05.049) - Design of novel materials for additive manufacturing - Isotropic microstructure and high defect tolerance, Scientific Reports, 8 (2018), 1298
Günther, J., Brenne, F., Droste, M., Wendler, M., Volkova, O., Biermann, H., Niendorf, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41598-018-19376-0)
