Die Menschheit arbeitet schon seit Jahrtausenden daran, wie die Umgebungstemperatur auf gezielte Art und Weise unterschritten werden kann, um z. B. Lebensmittel länger haltbar zu machen. Im 19. Jahrhundert wurde dafür mit der Entwicklung von Kältemaschinen eine technische Lösung gefunden. Diese können die Temperatur künstlich absenken, benötigen zu diesem Zweck jedoch eine ausreichende Energiezufuhr. Im Zuge der Klimaerwärmung wird die Energieeffizienz einer solchen Kühlung immer wichtiger. Eine Alternative zu den gängigen Gaskompressionsanlagen stellen dabei festkörperbasierte Kühlmethoden dar. Dafür werden unter anderem Materialien mit einer spontanen, langreichweitigen Ordnung eingesetzt. In diesen kann ein äußeres Feld eine Phasenumwandlung induzieren, welche dann zum Kühlen genutzt wird. Abhängig vom eingesetzten Material können unterschiedliche Arten von Feldern verwendet werden (z. B. magnetische, elektrische, elastische oder hydrostatische). Die abgeleiteten Kühlverfahren werden entsprechend als Magneto-, Elektro , Elasto- bzw. Barokalorik bezeichnet. Das Anlegen bzw. Entfernen eines solchen Feldes sorgt für eine Phasenumwandlung im Material. Dabei kann der Festkörper Wärme von der Umgebung aufnehmen und sie später auch wieder abgeben, wenn die Richtung des Phasenüberganges umgekehrt wird, was die Konstruktion eines Kühlkreislaufs möglich macht. Die verwendeten Materialien müssen dafür optimiert werden. Bei der ersten in dieser Arbeit untersuchten Materialgruppe handelt es sich um Heusler-Legierungen. Diese zeichnen sich durch gute Werte in vielen für die Kühlung relevanten Eigenschaften aus. Problematisch ist jedoch die vergleichsweise große thermische Hysterese, welche in der komplexen, martensitischen Phasenumwandlung begründet liegt. Das Verständnis des resultierenden, martensitischen Gefüges ist ein wichtiger Schritt, um die funktionalen Eigenschaften zu verbessern und damit auch Ansätze zur Reduktion der Hysterese effektiver verfolgen zu können. Für die Untersuchung wurde das Prototyp-System Ni-Mn-Ga(-Co) in Form von epitaktischen Dünnschichten ausgewählt. Das auftretende, martensitische Gefüge mit seinen alle Längenskalen umfassenden, hierarchischen Zwillingsstrukturen wurde schon ausführlich untersucht. Die dafür verwendeten Ansätze setzen sich jedoch in der Regel nur einzeln mit einer speziellen Längenskala auseinander. Ein Ziel dieser Arbeit ist es daher, die bestehenden Modelle zu kombinieren. Es wird gezeigt, dass es im Wesentlichen möglich ist, mit einem einzigen Schlüsselparameter alle Längenskalen geschlossen zu beschreiben, wobei ein aus fünf Ebenen bestehendes Modell genutzt wird. Um dieses Konzept auch mittels Röntgenbeugung verifizieren zu können, wird zusätzlich eine Beugungssimulation in MATLAB implementiert und mit Beugungsexperimenten verglichen. Aus der zweiten betrachteten Materialgruppe, den Antiperowskiten, wurden Mn3GaC und Mn3GaN ausgewählt. Diese Verbindungen weisen keine martensitische Umwandlung auf und ermöglichen es, eine zusätzliche Einflussgröße – das Aufbringen einer biaxialen Dehnung – zu untersuchen. Dafür wurden die beiden Materialien epitaktisch mittels Laserstrahlverdampfen auf PMN-PT Substraten aufgewachsen und das Schichtwachstum optimiert. Anschließend konnte für Mn3GaN in einer ersten Voruntersuchung gezeigt werden, dass die biaxiale Dehnung ausreichend ist, um einen teilweisen Phasenübergang zwischen der antiferromagnetischen und der paramagnetischen Phase zu induzieren.

Powder metallurgy is a branch of metal forming technology where metal powders are used to manufacture parts and components. It is a flexible and economical technique for manufacturing complicated shapes. This present work focuses on press and sinter technology and forms a part of Höganäs’s efforts of modelling hardenability through quenching. It aims to reduce the number of experimental trials for optimising heat treatment. Hardenability is a measure of how much martensite can be formed during heat treatment, thereby making steels hard, tough and impart strength. The presence of alloying elements like carbon, manganese, chromium, molybdenum, and nickel affects the hardenability of the steel and improves performance like fatigue strength and corrosion resistance. These elements influence the critical cooling rate necessary to form martensite during heat treatment. Component geometry also influences hardenability. Depending on the surface area available to cool, and volume of component, cooling rates may locally be different thereby resulting in an inhomogeneous structure. The work focuses particularly on two grades of powders manufactured by Höganäs AB - Astaloy® CrA and Astaloy® CrS which are evaluated for their hardenability. The aim of this work is to take cooling conditions observed in the actual furnace, use them to predict the amount of martensite present and the martensite start temperature and then compare it with experimental results thereby linking experiment to simulations. For the experimental part, dilatometry was used. Quenching data is obtained from the furnace along with heat capacity of the component and are used as input in Abaqus, which gives us the cooling rates for the component in the furnace. This data is then utilised as an input to dilatometry, where the samples are representative of sections of component. After dilatometry, vital information like martensite start temperature is recorded and metallography is performed, where phase fraction is obtained. Hardness measurements are also performed to verify the phases present. Simulation tools like JMatPro and Thermo-Calc are employed to obtain data for correlation. An extensive study on the difference between them are also studied and presented. The data from simulation and actual experiment is compared and, Ms evaluated from JMatPro and Thermo-Calc for CrA shows a deviation of 12°C. For CrS samples, a higher deviation is observed, with JMatPro showing deviation of 44°C and Thermo-Calc, 52°C in respect to the measured values. For CrA, we observe a fully martensitic structure for the higher carbon samples, including ones alloyed with Ni. For samples with lower carbon, metallographic investigation results in an unclear picture as to if the structure observed is bainite or martensite. CrS samples are mostly martensitic with some bainite present. CrS samples alloyed with Ni and Cu show the least amount of bainite present. The phase fractions predicted by JMatPro show good agreement with results from metallography. Data from microhardness confirms the presence of phases present. Samples with low carbon are softest but show a great improvement in hardness when alloyed. Overall, simulations and actual experimental values are seen to be in good agreement, thereby establishing a strong foundation for future work, where actual components can be evaluated. Quenching conditions observed in the furnace are validated through this work. / Pulvermetallurgi är en gren av metallformningsteknik där metallpulver används för att tillverka delar och komponenter. Det är en flexibel och ekonomisk teknik för att tillverka komplicerade former. Detta nuvarande arbete fokuserar på press- och sinterteknik och är en del av Höganäs arbete med att modellera härdbarhet genom härdning. Det syftar till att minska antalet experimentella försök för att optimera värmebehandlingen. Härdbarhet är ett mått på hur mycket martensit som kan bildas vid värmebehandling, vilket gör stålen hårda, sega och ger styrka. Närvaron av legeringselement som kol, mangan, krom, molybden och nickel påverkar stålets härdbarhet och förbättrar prestanda som utmattningshållfasthet och korrosionsbeständighet. Dessa element påverkar den kritiska kylningshastighet som krävs för att bilda martensit under värmebehandling. Komponentgeometrin påverkar också härdbarheten. Beroende på den yta som är tillgänglig för kylning och volymen av komponenten, kan kylningshastigheterna lokalt vara olika, vilket resulterar i en inhomogen struktur. Arbetet fokuserar särskilt på två kvaliteter av pulver tillverkade av Höganäs AB - Astaloy® CrA och Astaloy® CrS som utvärderas för sin härdbarhet. Syftet med detta arbete är att ta kylförhållanden som observerats i den faktiska ugnen, använda dem för att förutsäga mängden närvarande martensit och martensitens starttemperatur och sedan jämföra den med experimentella resultat och därigenom koppla experiment till simuleringar. För den experimentella delen användes dilatometry. Släckningsdata erhålls från ugnen tillsammans med värmekapaciteten hos komponenten och används som indata i Abaqus, vilket ger oss kylhastigheten för komponenten i ugnen. Dessa data används sedan som indata till dilatometry, där proverna är representativa för sektioner av komponenten. Efter dilatometri registreras viktig information som martensitstarttemperatur och metallografi utförs, där fasfraktion erhålls. Hårdhetsmätningar utförs också för att verifiera de närvarande faserna. Simuleringsverktyg som JMatPro och Thermo-Calc används för att få data för korrelation. En omfattande studie om skillnaden mellan dem studeras och presenteras också. Data från simulering och faktiska experiment jämförs och Ms utvärderade från JMatPro och Thermo-Calc för CrA visar en avvikelse på 12°C. För CrS-prover observeras en högre avvikelse, där JMatPro visar en avvikelse på 44°C och Thermo-Calc, 52°C i förhållande till de uppmätta värdena. För CrA observerar vi en helt martensitisk struktur för de högre kolproverna, inklusive de som legerats med Ni. För prover med lägre kolhalt resulterar metallografisk undersökning i en oklar bild av om den observerade strukturen är bainit eller martensit. CrS-prover är mestadels martensitiska med viss bainit närvarande. CrS-prover legerade med Ni och Cu visar den minsta mängden bainit som finns närvarande. Fasfraktionerna som förutspåtts av JMatPro visar god överensstämmelse med resultaten från metallografi. Data från mikrohårdhet bekräftar närvaron av faser. Prover med låg kolhalt är mjukast men visar en stor förbättring i hårdhet när de är legerade. Sammantaget bedöms simuleringar och faktiska experimentella värden stämma överens, vilket skapar en stark grund för framtida arbete, där faktiska komponenter kan utvärderas. Släckningsförhållanden som observerats i ugnen valideras genom detta arbete.

Ti-Nb alloys are characterized by a diverse metallurgy which allows obtaining a wide palette of microstructural configurations and physical properties via careful selection of chemical composition, heat treatment and mechanical processing routes. The present work aims to expand the current state of knowledge about martensite forming Ti-Nb alloys by studying 15 binary Ti-c_{Nb}Nb (9wt.% ≤ c_{Nb} ≤ 44.5wt.%) alloy formulations in terms of their structural and mechanical properties, as well as their thermal stability. The crystal structures of the martensitic phases, α´ and α´´, and the influence of the Nb content on the lattice (Bain) strain and on the volume change related to the β → α´/α´´ martensitic transformations are analyzed on the basis of Rietveld-refinements. The magnitude of the shuffle component of the β → α´/α´´ martensitic transformations is quantified in relation to the chemical composition. The largest transformation lattice strains are operative in Nb-lean alloys. Depending on the composition, both a volume dilatation and contraction are encountered and the volume change may influence whether hexagonal martensite α´ or orthorhombic martensite α´´ forms from β upon quenching. The mechanical properties and the deformation behavior of martensitic Ti-Nb alloys are studied by complementary methods including monotonic and cyclic uniaxial compression, nanoindentation, microhardness and impulse excitation technique. The results show that the Nb content strongly influences the mechanical properties of martensitic Ti-Nb alloys. The elastic moduli, hardness and strength are minimal in the vicinity of the limiting compositions bounding the interval in which orthorhombic martensite α´´ forms by quenching. Uniaxial cyclic compressive testing demonstrates that the elastic properties of strained samples are different than those of unstrained ones. Also, experimental evidence indicates a deformation-induced martensite to austenite (α´´ → β) conversion. The influence of Nb content on the thermal stability and on the occurrence of decomposition reactions in martensitic Ti-Nb alloys is examined by isochronal differential scanning calorimetry, dilatometry and in-situ synchrotron X-ray diffraction complemented by transmission electron microscopy. The thermal decomposition and transformation behavior exhibits various phase transformation sequences during heating into the β-phase field in dependence of composition. Eventually, the transformation temperatures, interval, hysteresis and heat of the β ↔ α´´ martensitic transformation are investigated in relation to the Nb content. The results obtained in this study are useful for the development and optimization of β-stabilized Ti-based alloys for structural, Ni-free shape memory and/or superelastic, as well as for biomedical applications. / Ti-Nb Legierungen zeichnen sich durch eine vielfältige Metallurgie aus, die es nach sorgfältiger Auswahl der chemischen Zusammensetzung sowie der thermischen und mechanischen Prozessierungsroute ermöglicht eine große Bandbreite mikrostruktureller Konfigurationen und physikalischer Eigenschaften zu erhalten. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es den gegenwärtigen Wissensstand über martensitbildende Ti-Nb Legierungen zu erweitern. Zu diesem Zweck werden 15 binäre Ti-c_{Nb} Nb (9 Gew.% ≤ c_{Nb} ≤ 44.5 Gew.%) Legierungen hinsichtlich ihrer strukturellen und mechanischen Eigenschaften sowie ihrer thermischen Stabilität untersucht. Die Kristallstrukturen der martensitischen Phasen, α´ und α´´, sowie der Einfluss des Nb-Gehalts auf die Gitterverzerrung (Bain-Verzerrung), auf die Verschiebungswellenkomponente (Shuffle-Komponente) und auf die Volumenänderung der martensitischen β → α´/α´´ Transformationen werden anhand von Rietveld-Verfeinerungen analysiert. In Abhängigkeit des Nb-Gehalts tritt entweder eine Volumendilatation oder -kontraktion auf, die bestimmen könnte ob hexagonaler Martensit α´ oder orthorhombischer Martensit α´´ aus β bei Abkühlung gebildet wird. Die mechanischen Eigenschaften und das Verformungsverhalten martensitischer Ti-Nb Legierungen werden mit einer Reihe komplementärer Methoden (monotone und zyklische einachsige Druckversuche, Nanoindentation, Mikrohärte, Impulserregungstechnik) untersucht. Die Ergebnisse zeigen durchgehend, dass die mechanischen Eigenschaften martensitischer Ti-Nb Legierungen stark vom Nb-Gehalt beeinflusst werden. Die mechanischen Kennwerte sind minimal in der Nähe der Zusammensetzungen, innerhalb derer β → α´´ bei Abkühlung auftritt. Aus Druckversuchen geht hervor, dass die elastischen Eigenschaften verformter Proben verschieden zu denen unverformter sind. Die experimentellen Ergebnisse weisen außerdem auf eine verformungsinduzierte Umwandlung von Martensit in Austenit (α´´ → β) hin. Der Einfluss des Nb-Gehalts auf die thermische Stabilität und das Auftreten von Zerfallsreaktionen in martensitischen Ti-Nb Legierungen wird anhand von dynamischer Differenzkalorimetrie, Dilatometrie, und in-situ Synchrotronröntgenbeugung in Kombination mit Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Das thermische Zerfalls- und Umwandlungsverhalten ist durch das Auftreten einer Vielzahl von in Abhängigkeit des Nb-Gehalts unterschiedlichen Phasentransformationssequenzen gekennzeichnet. Abschließend werden die Transformationstemperaturen und -wärmen, das Transformationsinterval und die thermische Hysterese der martensitischen β ↔ α´´ Umwandlung untersucht. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind für die Entwicklung und Optimierung β-stabilisierter Ti-Legierungen für strukturelle und biomedizinische Anwendungen sowie Ni-freier Komponenten, die Formgedächtniseffekt und/oder Superelastizität aufweisen, von Nutzen.

Ultra-high strength steels is known to be susceptible for hydrogen embrittlement at very low concentrations of hydrogen. In this thesis three methods to prevent or reduce the hydrogen embrittlement in martensitic steel, with tensile strength of 1500 MPa, were studied. First, a barrier layer of aluminium designed to prevent hydrogen to enter the steel, which were deposited by vacuum evaporation. Second, a decarburization process of the steels surface designed to mitigate the induced stresses from cutting. Last, a hydrogen relief treatment at 150°C for 11 days and 200°C for 4 days, to reduce the hydrogen concentration in the steel. The effect of the hydrogen embrittlement was analyzed by manual measurements of the elongations after a slow strain rate testing at 5*10-6 mm/s, and the time to fracture in an in-situ constant load test with a current density of 1.92 mA/cm2 in a 0.5 M Na2SO4 solution. The barrier layer showed an increase in time to fracture, but also a decrease in elongations. The decarburized steel had a small increase in the time to fracture, but not enough to make it a feasible process. The hydrogen relief treatment showed a general decrease in hydrogen concentrations, but the elongation measurements was irregular although with a tendency for improvement. The simplicity of the hydrogen relief treatment makes it an interesting process to reduce the influence of hydrogen embrittlement. However, more investigations are necessary.

Das Promotionsthema war die numerische Untersuchung des Einflusses der mechanisch induzierten martensitischen Phasenumwandlung auf das Bruchverhalten hochlegierter TRIP-Stähle. Die Analyse der Spannungsfelder vor einer abstumpfenden Rissspitze hat ergeben, dass die Phasenumwandlung zu höheren rissöffnenden Spannungen führt. Außerdem wurden charakteristische Spannungsverläufe mit Wendepunkten beobachtet. Für duktiles Versagen wurde ein positiver Einfluss der Phasenumwandlung geschlussfolgert, da die umwandlungsinduzierte Verfestigung das Porenwachstum in der Bruchprozesszone erschwert. Dies wurde an Hand mikromechanischer Simulationen der duktilen Rissausbreitung demonstriert. Im Rahmen der Theorie materieller Kräfte konnte eine abschirmende Wirkung des TRIP-Effekts auf die Rissspitze nachgewiesen werden. Durch Phasenumwandlung wird Arbeit dissipiert, die nicht mehr für Rissfortschritt verfügbar ist. Die energetische Triebkraft für Risswachstum wird demzufolge reduziert. Die Rissausbreitung im TRIP-Stahl wurde mit einer Kohäsivzone modelliert. Die Parameter des Kohäsivzonenmodells charakterisieren den Bruchprozess und konnten unter Verwendung experimenteller Daten identifiziert werden. Um zukünftig die Rolle der Phasenumwandlung bei Ermüdungsrisswachstum untersuchen zu können, wurde ein Materialmodell für TRIP-Stähle unter zyklischer Beanspruchung entwickelt. Die erforderlichen Materialparameter wurden mit Hilfe der Daten aus Wechselverformungsversuchen bestimmt. / This thesis is focused on the numerical investigation of the fracture behavior of high alloy austenitic TRIP-steels and especially on the effect of mechanically induced martensitic phase transformation. The analysis of stress fields in front of a blunting crack tip has shown that phase transformation leads to higher crack opening stresses. Additionally, characteristic courses of the stress components with inflection points were observed. A positive influence of phase transformation on ductile fracture was concluded, because transformation induced hardening retards void growth in the fracture process zone. This was demonstrated by micromechanical simulations of ductile crack extension. In order to investigate the shielding effect of phase transformation on the crack tip, the theory of material forces was applied. Mechanical work is dissipated due to the TRIP-effect, which is no longer available for crack growth. Hence, the energetic driving force for fracture is reduced. Furthermore, crack extension is modeled with a cohesive zone. The parameters of the cohesive zone model, which characterize the fracture process, are identified based on experimental data. In future work the role of phase transformation during fatigue crack growth should by studied. Therefore, a material model for TRIP-steels under cyclic loading was developed. The associated material parameters were estimated based on the results of cyclic deformation experiments.

Ti-Nb alloys are characterized by a diverse metallurgy which allows obtaining a wide palette of microstructural configurations and physical properties via careful selection of chemical composition, heat treatment and mechanical processing routes. The present work aims to expand the current state of knowledge about martensite forming Ti-Nb alloys by studying 15 binary Ti-c_{Nb}Nb (9wt.% ≤ c_{Nb} ≤ 44.5wt.%) alloy formulations in terms of their structural and mechanical properties, as well as their thermal stability. The crystal structures of the martensitic phases, α´ and α´´, and the influence of the Nb content on the lattice (Bain) strain and on the volume change related to the β → α´/α´´ martensitic transformations are analyzed on the basis of Rietveld-refinements. The magnitude of the shuffle component of the β → α´/α´´ martensitic transformations is quantified in relation to the chemical composition. The largest transformation lattice strains are operative in Nb-lean alloys. Depending on the composition, both a volume dilatation and contraction are encountered and the volume change may influence whether hexagonal martensite α´ or orthorhombic martensite α´´ forms from β upon quenching. The mechanical properties and the deformation behavior of martensitic Ti-Nb alloys are studied by complementary methods including monotonic and cyclic uniaxial compression, nanoindentation, microhardness and impulse excitation technique. The results show that the Nb content strongly influences the mechanical properties of martensitic Ti-Nb alloys. The elastic moduli, hardness and strength are minimal in the vicinity of the limiting compositions bounding the interval in which orthorhombic martensite α´´ forms by quenching. Uniaxial cyclic compressive testing demonstrates that the elastic properties of strained samples are different than those of unstrained ones. Also, experimental evidence indicates a deformation-induced martensite to austenite (α´´ → β) conversion. The influence of Nb content on the thermal stability and on the occurrence of decomposition reactions in martensitic Ti-Nb alloys is examined by isochronal differential scanning calorimetry, dilatometry and in-situ synchrotron X-ray diffraction complemented by transmission electron microscopy. The thermal decomposition and transformation behavior exhibits various phase transformation sequences during heating into the β-phase field in dependence of composition. Eventually, the transformation temperatures, interval, hysteresis and heat of the β ↔ α´´ martensitic transformation are investigated in relation to the Nb content. The results obtained in this study are useful for the development and optimization of β-stabilized Ti-based alloys for structural, Ni-free shape memory and/or superelastic, as well as for biomedical applications. / Ti-Nb Legierungen zeichnen sich durch eine vielfältige Metallurgie aus, die es nach sorgfältiger Auswahl der chemischen Zusammensetzung sowie der thermischen und mechanischen Prozessierungsroute ermöglicht eine große Bandbreite mikrostruktureller Konfigurationen und physikalischer Eigenschaften zu erhalten. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es den gegenwärtigen Wissensstand über martensitbildende Ti-Nb Legierungen zu erweitern. Zu diesem Zweck werden 15 binäre Ti-c_{Nb} Nb (9 Gew.% ≤ c_{Nb} ≤ 44.5 Gew.%) Legierungen hinsichtlich ihrer strukturellen und mechanischen Eigenschaften sowie ihrer thermischen Stabilität untersucht. Die Kristallstrukturen der martensitischen Phasen, α´ und α´´, sowie der Einfluss des Nb-Gehalts auf die Gitterverzerrung (Bain-Verzerrung), auf die Verschiebungswellenkomponente (Shuffle-Komponente) und auf die Volumenänderung der martensitischen β → α´/α´´ Transformationen werden anhand von Rietveld-Verfeinerungen analysiert. In Abhängigkeit des Nb-Gehalts tritt entweder eine Volumendilatation oder -kontraktion auf, die bestimmen könnte ob hexagonaler Martensit α´ oder orthorhombischer Martensit α´´ aus β bei Abkühlung gebildet wird. Die mechanischen Eigenschaften und das Verformungsverhalten martensitischer Ti-Nb Legierungen werden mit einer Reihe komplementärer Methoden (monotone und zyklische einachsige Druckversuche, Nanoindentation, Mikrohärte, Impulserregungstechnik) untersucht. Die Ergebnisse zeigen durchgehend, dass die mechanischen Eigenschaften martensitischer Ti-Nb Legierungen stark vom Nb-Gehalt beeinflusst werden. Die mechanischen Kennwerte sind minimal in der Nähe der Zusammensetzungen, innerhalb derer β → α´´ bei Abkühlung auftritt. Aus Druckversuchen geht hervor, dass die elastischen Eigenschaften verformter Proben verschieden zu denen unverformter sind. Die experimentellen Ergebnisse weisen außerdem auf eine verformungsinduzierte Umwandlung von Martensit in Austenit (α´´ → β) hin. Der Einfluss des Nb-Gehalts auf die thermische Stabilität und das Auftreten von Zerfallsreaktionen in martensitischen Ti-Nb Legierungen wird anhand von dynamischer Differenzkalorimetrie, Dilatometrie, und in-situ Synchrotronröntgenbeugung in Kombination mit Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Das thermische Zerfalls- und Umwandlungsverhalten ist durch das Auftreten einer Vielzahl von in Abhängigkeit des Nb-Gehalts unterschiedlichen Phasentransformationssequenzen gekennzeichnet. Abschließend werden die Transformationstemperaturen und -wärmen, das Transformationsinterval und die thermische Hysterese der martensitischen β ↔ α´´ Umwandlung untersucht. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind für die Entwicklung und Optimierung β-stabilisierter Ti-Legierungen für strukturelle und biomedizinische Anwendungen sowie Ni-freier Komponenten, die Formgedächtniseffekt und/oder Superelastizität aufweisen, von Nutzen.

This paper examines how the initial austenite grain size in quench and partitioning (Q-P) processes influences the final mechanical properties of Q-P steels. Differences in austenite grain size distribution may result, for example, from uneven heating rates of semi-finished products prior to a forging process. In order to quantify this influence, a carefully defined heat treatment of a cylindrical specimen made of the Q-P-capable 42SiCr steel was performed in a dilatometer. Different austenite grain sizes were adjusted by a pre-treatment before the actual Q-P process. The resulting mechanical properties were determined using the upsetting test and the corresponding microstructures were analyzed by scanning electron microscopy (SEM). These investigations show that a larger austenite grain size prior to Q-P processing leads to a slightly lower strength as well as to a coarser martensitic microstructure in the Q-P-treated material.

Formgedächtnislegierungen wie Nickel-Titan (NiTi) können sich nach einer plastischen Verformung und anschließendem Aufheizen an ihre ursprüngliche Form „erinnern“ und diese wieder einnehmen. Als meistverwendete Formgedächtnislegierung kann NiTi als Aktor, zur Dämpfung und zur elastokalorischen Kühlen verwendet werden und kommt von der Medizintechnik bis hin zur Luft- und Raumfahrt zum Einsatz. Der Formgedächtniseffekt basiert auf der martensitischen Phasenumwandlung, einer diffusionslosen Strukturänderung, bei der sich die Kristallsymmetrie ändert. Bei NiTi mit etwa 50 At.-% Ni wandelt die kubische Hochtemperaturphase (Austenit) in die monokline Tieftemperaturphase (Martensit) um. Während dieser Umwandlung entsteht eine Vielzahl an Grenzflächen, wodurch sich ein komplexes martensitisches Gefüge – eine Art dreidimensionales „Puzzle“ bildet. Um NiTi-Formgedächtnislegierungen auf verschiedene Anwendungen zuzuschneiden und deren Eigenschaften zu verbessern, ist es wichtig, das Gefüge zu verstehen. Die häufig eingesetzten polykristallinen NiTi-Schichten haben dabei den Nachteil, dass die enthaltenen Korngrenzen einen zusätzlichen Parameter darstellen, der Gefügeuntersuchungen erschwert. Dagegen werden epitaktische Schichten bereits für andere magnetische Formgedächtnislegierungen als Modellsystem eingesetzt und tragen zu einem besseren Verständnis der martensitischen Umwandlung bei. Epitaktische Schichten sind einkristallin, sodass der Einfluss von Korngrenzen ausgeklammert werden kann. Außerdem dient das Substrat, das die Orientierung der Schicht vorgibt, als festes Referenzsystem. In dieser Arbeit wurden epitaktische NiTi-Schichten mit Magnetron-Sputterdeposition hergestellt, die bei Raumtemperatur martensitisch sind. Dabei wurde der Einfluss von Parametern wie Herstellungstemperatur, chemische Zusammensetzung, Wärmebehandlungsszenarien und Pufferschichten auf das Wachstum und die Eigenschaften der Schichten untersucht. So konnten Schichten in zwei unterschiedlichen Orientierungen, (100) und (111), hergestellt werden. Die so optimierten Schichten wurden anschließend dafür genutzt, das martensitische Gefüge skalenübergreifend zu untersuchen. Mit einer Kombination von Mikroskopie- und Röntgenbeugungsmethoden wurden die auftretenden Zwillingsgrenzen, Habitusebenen und Variantenorientierungen analysiert. So lässt sich feststellen, welche Martensitcluster entstehen, wie sie nukleieren und wachsen und welche Grenzflächen auftreten. Dabei ließ sich ein hierarchischer Aufbau des martensitischen Gefüges feststellen, wobei drei Zwillingsgrenzen auf unterschiedlichen Längenskalen für die Beschreibung des Gefüges nötig sind. Die auftretenden Zwillingsgrenzen sind aus Massivmaterialien bekannt, was zeigt, dass sich die Schichten gut als Modellsystem eignen. Das identifizierte, dreidimensionale Modell des Gefüges wurde mit Röntgenmethoden global bestätigt. Dazu wurden die experimentellen Ergebnisse mit zwei unterschiedlichen Martensittheorien, der phänomenologischen Martensittheorie (PTMC) und der Korrespondenztheorie (CT) verglichen. Der hierarchische Aufbau des Gefüges lässt sich zum Großteil mit den Theorien beschreiben. Die Schichten zeigen aber auch die Limitierungen der bisherigen Theorien und bieten so eine Möglichkeit für deren Weiterentwicklung.

Die verformungsinduzierten Phasenumwandlungen und die Zwillingsbildung wurden in drei metastabilen austenitischen Cr-Mn-Ni-Stählen mit unterschiedlichem Nickelgehalt im breiten Temperaturbereich untersucht. Die entwickelten STU- und DTU-Diagramme fassen die gewonnenen Erkenntnisse zusammen und charakterisieren die verformungsinduzierten Gefügeänderungsprozesse in Abhängigkeit von der Spannung und der Temperatur. Die thermodynamischen Berechnungen bestätigen die Unterschiede in der chemischen Triebkraft für die Martensitumwandlung zwischen den Stählen und erklären unterschiedliches Werkstoffverhalten. Ein thermodynamisch-mechanisches Modell der verformungsinduzierten α‘-Martensitbildung wurde entwickelt. Der maximale α‘-Martensitanteil wird als Funktion der Gesamttriebkraft und der Temperatur mit einer guten Genauigkeit beschrieben. Des Weiteren wurde ein Modell der Umwandlungsplastizität mit Berücksichtigung der Plastizitätsverringerung infolge der isothermen oder spannungsinduzierten Martensitbildung entwickelt. Außerdem wurde der Einfluss von Mikroseigerungen auf die verformungsinduzierte Martensitbildung anhand drei Modellstähle untersucht und bestätigt.

Die verformungsinduzierten Phasenumwandlungen und die Zwillingsbildung wurden in drei metastabilen austenitischen Cr-Mn-Ni-Stählen mit unterschiedlichem Nickelgehalt im breiten Temperaturbereich untersucht. Die entwickelten STU- und DTU-Diagramme fassen die gewonnenen Erkenntnisse zusammen und charakterisieren die verformungsinduzierten Gefügeänderungsprozesse in Abhängigkeit von der Spannung und der Temperatur. Die thermodynamischen Berechnungen bestätigen die Unterschiede in der chemischen Triebkraft für die Martensitumwandlung zwischen den Stählen und erklären unterschiedliches Werkstoffverhalten. Ein thermodynamisch-mechanisches Modell der verformungsinduzierten α‘-Martensitbildung wurde entwickelt. Der maximale α‘-Martensitanteil wird als Funktion der Gesamttriebkraft und der Temperatur mit einer guten Genauigkeit beschrieben. Des Weiteren wurde ein Modell der Umwandlungsplastizität mit Berücksichtigung der Plastizitätsverringerung infolge der isothermen oder spannungsinduzierten Martensitbildung entwickelt. Außerdem wurde der Einfluss von Mikroseigerungen auf die verformungsinduzierte Martensitbildung anhand drei Modellstähle untersucht und bestätigt.