Skalenübergreifende Charakterisierung des Ausscheidungs- und Auflösungsverhaltens in mikrolegierten Stählen

Abstract

Eine geringe Zugabe von sogenannten Mikrolegierungselementen wie Niob, Titan oder Vanadium verbessert die mechanischen Eigenschaften von niedriglegierten Stählen deutlich. Thermomechanische Umformung, z.B. Walzen, vereinigt die mechanische Formgebung mit kontrollierten Wärmebehandlungen und ermöglicht dadurch die gezielte Einstellung der Stahlmikrostruktur. Die verbesserten mechanischen Eigenschaften können vielfach zur Reduktion der benötigten Stahlmenge eingesetzt werden, wodurch ökonomisch und ökologisch große Einsparpotentiale entstehen. Hinsichtlich der maßgeschneiderten Entwicklung immer neuer Stahlsorten mit optimierten Eigenschaften und einem immer wichtiger werdenden nachhaltigen Ressourceneinsatz ist es in der Forschung und Industrie von großer Bedeutung, zu jedem Zeitpunkt im Herstellungsprozess den Zustand der Legierungselemente und deren Wirkung auf die Mikrostruktur quantifizierbar zu machen. Die vorliegende Arbeit fokussiert sich auf die Entwicklung einer Methodik zur präzisen Quantifizierung von Niob und dessen Ausscheidungen während der thermomechanischen Umformung. Die elektrische Widerstandsmessung erlaubt dabei die schnelle und gleichzeitig hoch sensitive Messung des gelösten bzw. ausgeschiedenen Niobgehalts in einer Vielzahl von Stadien des thermomechanischen Umformprozesses und bei variierten Umformparametern. Durch die Korrelation mit anderen hochauflösenden Charakterisierungsverfahren werden die Grenzen und Annahmen des elektrischen Widerstandes als Maß für die Quantifizierung von Niob diskutiert. Modellrechnungen nutzen die experimentellen Realdaten und beschreiben die Niob-Löslichkeit und seine Ausscheidungskinetik. Dadurch werden valide Aussagen über die werkstoffphysikalischen Prozesse in industriell relevanten Stahlsorten getroffen.

A small addition of so-called microalloying elements such as niobium, titanium or vanadium significantly improves the mechanical properties of low-alloy steels. Thermomechanical forming, e.g. rolling, combines mechanical shaping and heat treatment and thus enables tayloring of the steel microstructure. This results in major potential savings because the amount of steel required can be reduced through improved mechanical properties. With regard to the customized development of ever new steel grades with optimized properties and the increasingly important sustainable use of resources, it is very important in research and industry to be able to quantify the state of the alloying elements and their effect on the microstructure at any point in the manufacturing process. The present work focuses on the development of a methodology to precisely quantify niobium and its precipitates during thermomechanical rolling. In this context, electrical resistivity measurement allows the quick and highly sensitive measurement of the dissolved or precipitated niobium on the macro-scale and at a variety of stages of the thermomechanical process and varied deformation parameters. By correlation with other high-resolution characterization techniques, the limitations and assumptions of electrical resistivity as a measure for niobium quantification are discussed. Model calculations employ the experimental real data and describe the niobium solubility and its precipitation kinetics. By this, valid conclusions are drawn about the material physics in industrially relevant steel grades.