Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2007

Das Elektronenstrahlschweißen im Vakuum hat sich als zuverlässiges Verfahren für die Herstellung schmaler und hochpräziser Schweißnähte beim Schweißen von TRIP-Stählen bewährt. Das Verständnis für die dabei auftretenden Mechanismen und wirkenden Kräfte stellt einen wichtigen Baustein für die Weiterentwicklung des Verfahrens dar. Um zur Erweiterung dieses Verständnisses beizutragen, wird auf Basis vorhandener Berechnungsmethoden in OpenFOAM ein numerisches Modell für das Elektronenstrahlschweißen entwickelt. Es ist in der Lage, die dafür relevanten Einflussfaktoren zu berücksichtigen. So werden die Wärmeübertragung im Feststoff und der Schmelze, alle Aggregatzustandsänderungen und die auf die Dynamik der Schmelze wirkenden Kräfte einbezogen. Das entwickelte Simulationsmodell ist in der Lage zu zeigen, dass außer der natürlichen Konvektion vor allem der beim Verdampfen der Schmelze entstehende Überdruck und die thermokapillare Konvektion an der Schmelzeoberfläche für hohe Strömungsgeschwindigkeiten verantwortlich sind. Darüber hinaus haben neben der Schmelzbaddynamik die thermophysikalischen Eigenschaften des Stahls einen starken Einfluss auf die Ausprägung der Schweißnaht. Vor allem die Wärmeleitfähigkeit verändert diese erheblich, was die Simulationen unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit verdeutlichen. Die in dieser Arbeit erreichten Erkenntnisse helfen, die beim Elektronenstrahlschweißen entstehenden Nahtgeometrien und die Gründe für hohe Strömungsgeschwindigkeiten im Schmelzbad besser einordnen und verstehen zu können. Darüber hinaus dient das entwickelte numerische Modell mit der Berücksichtigung aller relevanten Mechanismen als Grundlage für Weiterentwicklungen hinsichtlich vielerlei Anwendungen, beispielsweise für das Schweißen anderer Werkstoffe, zusätzliche Effekte wie dem Spiking oder anderen Elektronenstrahltechnologien wie dem Elektronenstrahlschmelzen im Bereich der additiven Fertigung.

This thesis performed within the Collaborative Research Center 799 describes a development of the metal-ceramic thermodynamic databases as applied to the design of the TRIP-Matrix-Composite materials. A wide range of theoretical and experimental investigations have been carried out in the relevant systems of Fe–Mg–Zr–O, Mg–Ti–Zr–O and Mg–Mn–Zr–O. Thermodynamic data were obtained using experimental methods of calorimetry and ab-initio calculations. Phase relations in the constituent binary and ternary systems have been studied using different types of static and dynamic methods. The obtained results allowed an assessment of thermodynamic parameters of the aforementioned systems using CALPHAD approach. The thermodynamic calculations have been performed to predict interfacial reactions within the composite material as well as to made recommendations for the design and further development of production processes for TRIP-Matrix-Composite materials.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Schweißbarkeit von hochlegierten TRIP-Matrix Verbundwerkstoffen (TMC) mit und ohne MgO teilstabilisiertem ZrO2 (Mg-PSZ) als Partikelverstärkungsphase mit Hilfe des Elektronenstrahl-Fügeverfahrens erstmals umfassend untersucht. An arteigenen, partikelfreien Fügeverbindungen wurde durch eine breite Parametervariation die Schweißnahtgeometrie, sowie die Auswirkungen des lokalen Temperaturgradienten auf die Mikrostrukturentwicklung untersucht. Die Schweißbarkeit der partikelfreien Stahlmatrix (3-9 Gew.-% Ni) ist sehr gut und wird durch die Neigung zum Humping beschränkt, die mit zunehmendem Nickelgehalt abnimmt. Unter quasistatischer und dynamischer Beanspruchung führt das Schweißen zu keiner signifikanten Beeinflussung der mechanischen Kennwerte. Lediglich bei zyklischer Beanspruchung kommt es zu einer Lebensdauerverringerung durch den Schweißprozess, die in der angegebenen Reihenfolge zunimmt: 16-7-3 --> 16-6-9 --> 16-7-6. Des Weiteren wurden zahlreiche Schweißungen an arteigenen, partikelverstärkten Fügeverbindungen durchgeführt, die trotz zahlreicher Optimierungen keine ausreichende Schweißbarkeit aufweisen. Grund dafür ist die Wechselwirkung zwischen Elektronenstrahl und Mg-PSZ-Partikeln, die zur explosionsartigen Verdampfung und der Bildung eines Hohlraums in der Schweißnahtmitte führen. Es wurden deshalb artfremde Schweißversuche durchgeführt, die in Abhängigkeit der Schweißgeschwindigkeit Rückschlüsse auf die zulässige Menge an Mg-PSZ in der Schweißzone zuließen. Durch EBSD und TEM-Untersuchungen konnten Grenzzustände für die Aufschmelzung des Verbundwerkstoffs identifiziert werden. Im letzten Teil der Arbeit wurde erstmal ein EB-Lötprozess mit Hilfe einer im Rahmen der Arbeit entwickelt und optimierten temperaturgesteuerten Leistungsregelung erfolgreich realisiert. Durch numerische Berechnungen konnte sowohl die laterale Energieverteilungsfunktion des Elektronenstrahls als auch die Spaltfüllung durch Wärmeausdehnung optimiert werden. Die entstandenen Lotverbindungen wurden mittels lichtmikroskopischer Aufnahmen und ESBD-Untersuchungen charakterisiert, zeigen eine hervorragende Anbindung durch ein chemisches Schmelzen des TMC-Grundwerkstoffs und besitzen Zugfestigkeiten von Rm ≤ 390 MPa.

A balance between strength and ductility has been one of the most important considerations in the steel industry. Austenitic steel or multi-phase steel with retained austenite has plasticity-enhancing mechanisms, which can make it achieve high strength and good formability. Due to the occurrence of twinning-based mechanisms in high Mn steels, they have improved strength without sacrificing ductility. However, high Mn steels with extraordinary mechanical properties has not been used in mass production because of its high material cost together with welding problems and so on. As a consequence, many researchers have attempted to decrease the Mn concentration of high Mn twinning-induced plasticity steels without significant sacrifice of the mechanical properties. In the present work, a novel medium Mn steel with high C is designed with the aim of obtaining comparable mechanical properties as high Mn TWIP steel. In addition to Mn, C is also common effective austenite stabilizing element. C and Mn both increase the SFE of austenite. It should be possible to substitute at least some of the Mn in high Mn steels with C and still retain the TWIP effect. If the reduction in Mn content is not compensated for by the addition of other alloying elements, the microstructure will additionally contain some ferrite or martensite. The problem with C concentration is that it will result in the formation of carbide during the cooling process. As long as the carbide formation is suppressed, the formation of ferrite/martensite in medium Mn steels can be inhibited by an increase in the C concentration. In such cases, a soft and formable austenitic microstructure can be achieved by quenching from high austenitization temperatures to retain austenite with appropriate mechanical stability. The precipitation and dissolution of cementite in austenitic medium Mn high C steels capable of deformation-induced twinning were analyzed based on the associated length changes. Al addition was found to significantly retard the kinetics of cementite precipitation, indicating its usefulness in the design of cementite-free austenitic medium Mn steels with high C concentrations. Furthermore, Al addition changes the morphology of intragranular cementite from plate-shaped to equiaxed. The tensile properties of alloy were also examined in the present study. The present contribution discusses the mechanical properties of a bulk medium Mn high C steel with special alloying additions to oppose the precipitation of cementite. In particular, it aims to justify the mechanical properties based on crack nucleation and growth mechanisms. The reported mechanical properties enable a comparison with those of the well-known high Mn and Hadfield steels.

Inert gas atomization is one of the main sources for production of metal powder forpowder metallurgy and additive manufacturing. The obtained final powder size distribution iscontrolled by various technological parameters: gas flow rate and pressure, liquid metal flowrate, gas type, temperature of spraying, configuration of nozzles, etc. This work explores anotherdimension of the atomization process control: modifications of the liquid metal properties andtheir effect on the obtained powder size. Series of double-alloyed Cr-Mn-Ni steels with sulfur andphosphorus were atomized with argon at 1600◦C. The results indicate that surface tension andviscosity modifications lead to yielding finer powder fractions. The obtained correlation is comparedwith the individual modification of surface tension with S and Se and modification of viscosity withphosphorus. Discrepancy of the results is discussed. Additives of surfactants and viscosity modifierscan be a useful measure for powder fractions control.