Es wurden die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften bedingt durch dehnungsinduzierte Martensitbildung im metastabilen austenitischen Stahl X5CrNi18.10 und in einem niedrig legierten Mn-Si-Al Stahl untersucht. Dazu wurden Zugversuche bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt. Für den Stahl X5CrNi18.10 wird auf der Grundlage der Arbeit von Ludwigson und Berger ein Modell zur Beschreibung des Umwandlungsverhaltens als Funktion der Dehnung und der Temperatur entwickelt. Es kann weiterhin gezeigt werden, dass die erreichbare Gleichmaßdehnung in diesen Stahl durch eine maximal ertragbare Umformarbeit bestimmt wird. Die erhaltenen Fließkurven konnten mit Hilfe der FEM und einer modifizierten Mischungsregel für die Festigkeit erfolgreich modelliert werden. Die Ergebnisse für den Mn-Si-Al Stahl zeigen, dass neben dem Restaustenit, das Verbundverformungsverhalten der anderen Gefügebestandteile (Ferrit, Bainit, Martensit) wichtige Faktoren für die Optimierung der mechanischen Eigenschaften darstellen.

Es wurden die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften bedingt durch dehnungsinduzierte Martensitbildung im metastabilen austenitischen Stahl X5CrNi18.10 und in einem niedrig legierten Mn-Si-Al Stahl untersucht. Dazu wurden Zugversuche bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt. Für den Stahl X5CrNi18.10 wird auf der Grundlage der Arbeit von Ludwigson und Berger ein Modell zur Beschreibung des Umwandlungsverhaltens als Funktion der Dehnung und der Temperatur entwickelt. Es kann weiterhin gezeigt werden, dass die erreichbare Gleichmaßdehnung in diesen Stahl durch eine maximal ertragbare Umformarbeit bestimmt wird. Die erhaltenen Fließkurven konnten mit Hilfe der FEM und einer modifizierten Mischungsregel für die Festigkeit erfolgreich modelliert werden. Die Ergebnisse für den Mn-Si-Al Stahl zeigen, dass neben dem Restaustenit, das Verbundverformungsverhalten der anderen Gefügebestandteile (Ferrit, Bainit, Martensit) wichtige Faktoren für die Optimierung der mechanischen Eigenschaften darstellen.

Bei Beurteilung der Tragfähigkeit von Schweißverbindungen werden werkstoffliche und konstruktionsbedingte Einflussgrößen bisher nicht ausreichend differenziert betrachtet. Die Bestimmung des Bemessungswiderstands erfolgt auf Basis der Zugfestigkeit des Grundwerkstoffes oder einer phänomenologisch nicht begründbaren gewichteten Kumulation der Zugfestigkeiten von Grundwerkstoff und Schweißzusatz. Zudem werden Korrelationsbeiwerte verwendet, in denen eine Vielzahl von Einflussfaktoren in einem einzigen Wert subsumiert werden. Eine differenzierte Betrachtung der mechanischen Eigenschaften der Verbindung und der konstruktionsbedingten Anforderungen an diese erfolgt nicht. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden Grundlagen für die Bewertung des Einflusses des Schweißprozesses auf die Festigkeiten des Schweißgutes und der Wärmeeinflusszone in Abhängigkeit der verwendeten Werkstoffe und deren Herstellungsverfahren sowie einer damit einhergehenden Trennung der mechanischen Eigenschaften der Verbindung von den konstruktionsbedingten Anforderungen an diese geschaffen. Aufbauend auf einer Beschreibung metallurgischer und verfahrenstechnischer Grundlagen sowie aktueller Bemessungsregeln von Schweißverbindungen höherfester Stähle werden Modelle zur Bestimmung der Tragfähigkeit von durchgeschweißten Stumpfstößen mit lokaler Entfestigung und Versuchsergebnisse vorangegangener Forschungsvorhaben diskutiert. Dabei werden materielle und geometrische Einflussfaktoren auf die Verbindungstragfähigkeit beschrieben und evaluiert. Anschließend werden die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen zur Bestimmung der Schweißgut- und Wärmeeinflusszoneneigenschaften von zwei thermomechanisch gewalzten und zwei vergüteten höherfesten Feinkornbaustählen vorgestellt. Es werden die Einflüsse der Materialkombination von Grundwerkstoff und Schweißzusatz, Nahtöffnungswinkel, Lagigkeit und Abkühlzeit , repräsentativ für die Fertigungsparameter, quantifiziert. Weiterführend werden Regressionsmodelle zur Beschreibung der mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit der Abkühlzeit und für die Wärmeeinflusszone zusätzlich in Abhängigkeit der Spitzentemperatur entwickelt. Zudem werden die Versuchsergebnisse der Schweißgutuntersuchungen statistisch ausgewertet, um charakteristische Zugfestigkeiten für die Bemessung von Schweißverbindungen festzulegen. Zur Untersuchung materieller und geometrischer Einflussgrößen auf die Tragfähigkeit durchgeschweißter Stumpfstöße mit lokaler Entfestigung in der Wärmeeinflusszone und/oder einem Zugfestigkeits-Undermatching des Schweißgutes werden strukturmechanische Parameterstudien mit dem FE-Programm \textit{ANSYS} durchgeführt. Diese bilden die Grundlage für die Entwicklung eines neuen Bemessungsmodells unter Berücksichtigung des Softenings der Wärmeeinflusszone und des Zugfestigkeits-Mismatchings des Schweißgutes sowie deren Breiten. Im Sinne einer einfachen Anwendung werden für ausgewählte Werkstoffe und Abkühlzeiten untere Grenzwerte der Eingangsgrößen des Bemessungsmodells definiert.

Die Anwendung des Verfahrens der inversen Parameteridentifikation auf die Nanoindentation mit einer neuen Materialklasse (amorphe Legierungen) ist Hauptgegenstand der vorliegenden Arbeit. Um die Methode auf ihre Zuverlässigkeit hin zu überprüfen, werden darüber hinaus die drei Härtevergleichsplatten HV240, HV400 und HV720 sowie das oxidische Glas BK7, deren Nanoindentationsmessungen von Dipl.-Ing. André Clausner schon zu einem früheren Zeitpunkt vorgenommen wurden, zur Berechnung herangezogen. Die Auswahl der Materialien erfolgte so, dass diese einen möglichst großen Bereich von Y abdecken, von BK7 bis hin zu HV240. Damit soll gezeigt werden, dass das Verfahren der inversen Parameteridentifikation für einen großen Bereich von natürlich vorkommenden Materialien genutzt werden kann. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Bestimmung des Fließverhaltens, das durch die Parameter Fließgrenze1 Y und Verfestigungsexponent n erfolgt. Ziel ist es, in Zukunft auf weitere Experimente, die bisher zur Bestimmung der mechanischen Materialeigenschaften genutzt wurden und häufig zur Zerstörung der Proben führten, verzichten zu können. Für viele Gläser, z.B. BK7, sind derartige zerstörende Versuche nicht anwendbar, weil spröde Materialien splittern statt plastisch zu fließen. Dieser Arbeit liegt die Methode der Finiten-Elemente zugrunde, um eine inverse Parameteridentifikation zu realisieren. Sie wird hier eingesetzt, weil es sich bei plastischer Verformung um einen nichtlinearen Prozess2 handelt, der analytisch nicht mehr geschlossen gelöst werden kann. Die Simulationssoftware ANSYS R und ein Optimierungsmodul (SPC-OPT) der Fakultät für Maschinenbau dienen zur Berechnung. Bei der Simulation werden dabei ein zweidimensionales Modell und ein realitätsnahes dreidimensionales Modell eingesetzt.

Two austenitic stainless steels of strongly different stacking fault energies (SFEs) and correspondingly different stabilities of the austenite phase were studied with respect to their very high cycle fatigue (VHCF) behavior. The metastable austenitic stainless steel 304L shows a very pronounced transient behavior and a fatigue limit in the VHCF regime. The higher SFE of the 316L steel results in a less pronounced transient cyclic deformation behavior. The plastic shear is more localized, and the formation of deep intrusions leads to microcrack initiation. However, the propagation of such microcracks is impeded by α'-martensite formed very localized within the shear bands. A comprehensive description of the microstructural changes governing the cyclic deformation including the transient resonant behavior was developed and transferred into a mechanism-based model. Simulation results were correlated with the observed deformation evolution and the change of the resonant behavior of specimens during VHCF loading providing a profound understanding of the VHCF-specific deformation behavior.

Rost- und säurebeständige Stähle, wie z.B. der Austenit 1.4404, zeichnen sich durch eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit aus. Der Einsatz dieser Stähle war aber aufgrund ihrer schlechten Verschleißeigenschaften bisher eher eingeschränkt. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist es notwendig, eine Oberflächenmodifizierung vorzunehmen. Dies kann besonders mit Nitrier- und Carburierverfahren bzw. einer Kombination aus beiden erreicht werden, wobei das im Mischkristall gelöste Chrom nicht zur Ausscheidung als Chromnitrid bzw. Chromcarbid gebracht werden darf. Dazu wurde bereits Mitte der 80-er Jahre das Verfahren der so genannten Tieftemperaturnitrierung entwickelt. Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es möglich, auf rost- und säurebeständigen Stählen eine Schicht mit hohem Verschleißwiderstand zu erzeugen, ohne dass es zum Verlust der Korrosionsbeständigkeit kommt. Die werkstoffwissenschaftliche Forschung hat mit dieser überwiegend technologischen Entwicklung nicht Schritt gehalten. Verallgemeinerungsfähige Aussagen über das Korrosionsverhalten dieser verschleißbeständigen Randschichten in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung und Struktur sind gegenwärtig noch nicht möglich. Die Zielstellung der im Rahmen dieser Arbeit durchzuführenden Untersuchungen besteht deshalb in der Ermittlung vertiefter Kenntnisse über den Zusammenhang zwischen den Behandlungsbedingungen, der Struktur und der chemischen Zusammensetzung der dabei entstehenden Randschichten und ihrem Korrosionsverhalten.

Rost- und säurebeständige Stähle, wie z.B. der Austenit 1.4404, zeichnen sich durch eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit aus. Der Einsatz dieser Stähle war aber aufgrund ihrer schlechten Verschleißeigenschaften bisher eher eingeschränkt. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist es notwendig, eine Oberflächenmodifizierung vorzunehmen. Dies kann besonders mit Nitrier- und Carburierverfahren bzw. einer Kombination aus beiden erreicht werden, wobei das im Mischkristall gelöste Chrom nicht zur Ausscheidung als Chromnitrid bzw. Chromcarbid gebracht werden darf. Dazu wurde bereits Mitte der 80-er Jahre das Verfahren der so genannten Tieftemperaturnitrierung entwickelt. Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es möglich, auf rost- und säurebeständigen Stählen eine Schicht mit hohem Verschleißwiderstand zu erzeugen, ohne dass es zum Verlust der Korrosionsbeständigkeit kommt. Die werkstoffwissenschaftliche Forschung hat mit dieser überwiegend technologischen Entwicklung nicht Schritt gehalten. Verallgemeinerungsfähige Aussagen über das Korrosionsverhalten dieser verschleißbeständigen Randschichten in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung und Struktur sind gegenwärtig noch nicht möglich. Die Zielstellung der im Rahmen dieser Arbeit durchzuführenden Untersuchungen besteht deshalb in der Ermittlung vertiefter Kenntnisse über den Zusammenhang zwischen den Behandlungsbedingungen, der Struktur und der chemischen Zusammensetzung der dabei entstehenden Randschichten und ihrem Korrosionsverhalten.

Die vorliegende Dissertation konzentriert sich auf die Untersuchung und Entwicklung hochfester Grobblechstähle mit erhöhtem Gehalt an der MA-Phase (Martensit-Austenit Phase). Dabei wurden Bildungsmechanismen der Mikrostruktur und insbesondere der MA-Phase in Abhängigkeit von der Walztechnologie an vier mikrolegierten Grobblechstählen untersucht. Zu diesem Zweck erfolgten zahlreihe Untersuchungen an verschiedenen Prüf- und Simulationsanlagen zur Charakterisierung des Werkstoffverhaltens sowie zur physikalischen Simulation der Grobblechherstellung mit der Anwendung von bekannten und neu entwickelten Wärmebehandlungstechnologien. Abschließend wurden mehrere Serien von Laborwalzversuchen auf einer Warmwalzpilotanlage durchgeführt, um die gewonnenen Erkenntnisse zu evaluieren, sowie die für Pipelinestähle relevanten mechanischen Eigenschaften zu ermitteln. Somit erstreckt sich die Arbeit über die gesamte Produktionskette zur Erzeugung der Grobblechstähle mit MA-Phase und beschreibt hierfür geeignete Herstellungsbedingungen, die in Betriebsanlagen leicht realisierbar sind.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung und der Wirkung von Mikroseigerungen auf das Werkstoffverhalten moderner 9% Cr-Stähle. Hierzu wurden drei Werkstoffchargen der Güte MARBN hinsichtlich der Mikrostruktur, des Zeitstandverhaltens, des Verhaltens während einer thermo-physikalischen Schweiß- sowie Wärmebehandlungssimulation auf quantitativer Ebene eingehend untersucht. Mit Hilfe von licht-, rasterelektronen- und transmissionselektronenmikroskopischen Untersuchungsmethoden wurden die Art, Größe, Verteilung und Elementzusammensetzung der Mikroseigerungen einer jeden Charge bestimmt. Eine Prüfung des Zeitstandverhaltens bei 650 °C und unterschiedlichen Spannungen zeigte eine chargenabhängige Zeitstandfestigkeit, welche unterhalb der üblichen Zeitstandfestigkeiten für homogene MARBN Güten liegt. Durch die thermo-physikalische Schweißsimulation konnte nachgewiesen werden, dass die Mikroseigerungen sämtlicher Chargen ab einer Spitzentemperatur von 1.000 °C zu unerwünschtem Deltaferrit umwandeln, dessen Ausprägung ebenfalls eine Chargenabhängigkeit zeigte. Weiterhin wurde der Einfluss normalisierender Wärmebehandlungen auf das mikroseigerungsbehaftete Gefüge mit Hilfe von thermo-physikalischer Simulation untersucht. Es zeigte sich, dass alle drei Chargen zur deutlichen Ausbildung von unerwünschtem Deltaferrit im Bereich der Mikroseigerungen bei üblichen Normalisierungstemperaturen neigen. Das chargenabhängig unterschiedliche Werkstoffverhalten konnte mit den charakterisierten Mikrostrukturen und dem Grad der Gefügeinhomogenität korreliert werden. Aus einer Variation der Normalisierungsbedingungen ging hervor, dass durch eine konventionelle einstufige Wärmebehandlung keine homogene und deltaferritfreie Mikrostruktur erzeugt werden kann. Aus diesem Grund wurde eine dreistufige Wärmebehandlung entwickelt und appliziert, mit dem Ziel einer schrittweisen Auflösung und Verteilung der in den Mikroseigerungen gebundenen Elemente. Die Wirksamkeit der Homogenisierungen in Bezug auf die Mikrostruktur, die Elementverteilung, das Schweißverhalten sowie das Zeitstandverhalten konnte erfolgreich nachgewiesen werden. So zeigte sich eine homogene Mikrostruktur, eine signifikante Reduzierung des Deltaferritanteils bei sämtlichen simulierten Spitzentemperaturen, sowie eine deutliche Verbesserung der Zeitstandfestigkeit aller drei Chargen.

Die Anwendung des Verfahrens der inversen Parameteridentifikation auf die Nanoindentation mit einer neuen Materialklasse (amorphe Legierungen) ist Hauptgegenstand der vorliegenden Arbeit. Um die Methode auf ihre Zuverlässigkeit hin zu überprüfen, werden darüber hinaus die drei Härtevergleichsplatten HV240, HV400 und HV720 sowie das oxidische Glas BK7, deren Nanoindentationsmessungen von Dipl.-Ing. André Clausner schon zu einem früheren Zeitpunkt vorgenommen wurden, zur Berechnung herangezogen. Die Auswahl der Materialien erfolgte so, dass diese einen möglichst großen Bereich von Y abdecken, von BK7 bis hin zu HV240. Damit soll gezeigt werden, dass das Verfahren der inversen Parameteridentifikation für einen großen Bereich von natürlich vorkommenden Materialien genutzt werden kann. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Bestimmung des Fließverhaltens, das durch die Parameter Fließgrenze1 Y und Verfestigungsexponent n erfolgt. Ziel ist es, in Zukunft auf weitere Experimente, die bisher zur Bestimmung der mechanischen Materialeigenschaften genutzt wurden und häufig zur Zerstörung der Proben führten, verzichten zu können. Für viele Gläser, z.B. BK7, sind derartige zerstörende Versuche nicht anwendbar, weil spröde Materialien splittern statt plastisch zu fließen. Dieser Arbeit liegt die Methode der Finiten-Elemente zugrunde, um eine inverse Parameteridentifikation zu realisieren. Sie wird hier eingesetzt, weil es sich bei plastischer Verformung um einen nichtlinearen Prozess2 handelt, der analytisch nicht mehr geschlossen gelöst werden kann. Die Simulationssoftware ANSYS R und ein Optimierungsmodul (SPC-OPT) der Fakultät für Maschinenbau dienen zur Berechnung. Bei der Simulation werden dabei ein zweidimensionales Modell und ein realitätsnahes dreidimensionales Modell eingesetzt.