Die skalenübergreifende Modellierung der strahleninduzierten Schädigung von RDB-Stahl von den Primärschäden auf der atomaren Skala bis zu den Änderungen der mechanischen Eigenschaften auf der Makroskala trägt wesentlich zu einem ver¬besserten Verständnis des Phänomens der Neutronenversprödung bei. Sie kann sich zukünftig zu einem Bestandteil der Sicherheitsbewertung des RDB entwickeln. Der gewählte zweistufige Modellierungsansatz beruht auf der Kopplung eines ratentheoretischen Moduls zur Voraussage der Größenverteilung der strahlen¬induzierten Defekt-Fremdatom-Cluster mit einem Härtungs-Modul zur Voraussage der strahleninduzierten Streckgrenzenerhöhung. Gegenstand der Untersuchungen sind die Weiterentwicklung und Validierung entsprechender Software-Komponenten. Die Validierung erfolgt durch Gegenüberstellung der Berechnungsergebnisse mit Resultaten von Neutronenkleinwinkelstreumessungen und Zugversuchen an neutronenbestrahlten RDB-Stählen. Der entwickelte ratentheoretische Modul ermöglicht es, die Größe, Konzentration und Zusammensetzung gemischter Cu-Leerstellen-Cluster über die für RDB-Stähle relevanten Größenbereiche von bis zu 10000 Atomen und Zeitbereiche von bis zu mehreren 10 Jahren zu verfolgen. Die Verbindung der Ratentheorie zur Härtungs¬modellierung beruht auf der Übergabe von berechneten mittleren Hindernis¬abständen und -stärken. Die Validierung der numerischen Werkzeuge hat ergeben, dass wesentliche Tendenzen der strahleninduzierten Streckgrenzenerhöhung von Cu-haltigen und Cu-armen RDB-Stählen richtig wiedergegeben werden. Erste Ansätze zur Erfassung des Einflusses des Legierungselements Nickel im Rahmen der Ratentheorie und der Härtungsmodellierung wurden verwirklicht.

Vorliegende interdisziplinäre Arbeit untersucht im theoretischen Teil existierende Modelle der Wirtschafts- und Ingenieurwissenschaften, erstellt ein eigenes Modell und identifiziert Werkstoffsysteme mit denen durch sie erreichbaren Eigenschaften als entscheidende Parameter. Eigenschaften können sowohl technologischer, als auch anderer Art sein. Die Arbeit zeigt, dass gute technologische Eigenschaften oft nur notwendige Einsatzbedingungen darstellen, während die in den Ingenieurwissenschaften vernachlässigten anderen Eigenschaften oft entscheidende Einsatzfaktoren sind. Im empirischen Teil werden anhand von Querschnitts- und Fallstudienbetrachtungen technologischer, wirtschaftlicher, ökologischer und gesellschaftlicher Faktoren Defizite besonders für das Stahlimage dargestellt, positive Ansatzpunkte aufgezeigt und die herausragenden technologischen Eigenschaften bestätigt. Diese Arbeit stellt fest, dass die bereits gute Position der Stähle durch interdisziplinäres Stahlmanagement noch stark verbessert werden kann.

Die Entwicklung einer Messeinrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffaktivität mittels EMK-Messung in hochlegierten Stählen und zugleich die Online-Berechnung des Gehaltes an gelöstem Sauerstoff mittels geeigneter Modelle, ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Die Entwicklung einer kontinuierlichen Messsonde vollzog sich in mehreren Stufen, begleitet von experimentellen Untersuchungen. Resultat ist eine Messeinheit, die zuverlässig die Sauerstoffaktivität in allen Stahlschmelzen, bis 1600°C, über mehrere Stunden messen kann. Da der in der Schmelze vorliegende Sauerstoffgehalt um ein vielfaches höher ist als die gemessene Aktivität, ist der Einsatz von thermodynamischen Modellen notwendig. Es wurden drei Modelle basierend auf einer Taylor-Reihenentwicklung unter Einbeziehung der bekannten Wechselwirkungsparameter aufgestellt und mittels experimenteller Untersuchungen angepasst. Mit Hilfe dieses Auswerteformalismus können schnell und zuverlässig Aussagen über den Verlauf von Stahlherstellungsprozessen getroffen werden. Einer erfolgreichen Implementierung dieser Messeinheit (EMK-Messsonde und Auswerteeinheit) steht daher nichts mehr im Wege.

Bei der Gestaltung von Stahlwerkstoffen und Stahlerzeugnissen sind ökologische Auswirkungen über die Herstellung hinaus auch hinsichtlich ihrer Nutzung und ihrer Wiederverwertung zu berücksichtigen. Anforderungen ergeben sich aus rechtlichen und politischen Zwängen. Konkretisiert sind sie von der Automobilindustrie hinsichtlich des Recyclings und Leichtbaus. Ökobilanzen für Stahlerzeugnisse zeigten für Automobilprodukte bei der Werkstoffherstellung ein geringes und bei der Nutzung ein hohes Verbesserungspotential. Eine grundlegende Änderung der Praxis des Stahlrecyclings ist nicht erforderlich, die Zunahme an mikrolegierten Werkstoffen erfordert aber eine verbesserte Lenkung der Schrottströme. Maßnahmen zur Reduzierung der Masse von Stahlerzeugnissen für den Automobilbau sind nur sinnvoll in Verbindung mit gleichzeitigen Anpassungen der Antriebstechnik. Eine Verbesserung der Marktposition und Abgrenzung von Wettbewerbswerkstoffen kann erreicht, wenn diese Anstrengungen im Dialog mit der Automobilindustrie erfolgen.

Alumina and zirconia based steel-MMCs were produced by pressureless Ti-activated melt infiltration using a high vacuum furnace. The effect of particle size and morphology on the formation of a ceramic network in-situ and MMC properties were investigated using three different alumina powders. The alumina/steel-MMCs were characterised for microstructure, Young’s modulus and strength at room temperature and elevated temperatures, and wear behaviour. Also the use of different types of steel was shown. Zirconia/steel-MMCs were produced using three different types of zirconia powder. With the use of monoclinic and partially stabilised (Ca-PSZ, Mg-PSZ) zirconia powder the effect of the monoclinic to tetragonal phase transformation on MMC microstructure and wear behaviour was shown. Further alumina preforms were successfully infiltrated in argon atmosphere at atmospheric pressure using a standard tube furnace. The infiltration in argon resulted in an increased degradation of the alumina particles. The infiltrations showed further investigations are needed for a better understanding of the mechanism of activated melt infiltration since different reactions (i.e. ceramic/metal interactions, dissolutions and evaporations) occur simultaneously during infiltration.

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.

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.

Die Partikelinteraktionen in Suspensionen führen zu charakteristischen Phänomenen wie Partikel-agglomeration und Segregation. In dieser Arbeit werden Beiträge zu diesen Vorgängen am Beispiel einer Stahlschmelze und in Pumpbeton untersucht. Es wurden Agglomerationsmodelle für die Kollision kugelförmiger und nichtkugelförmiger nichtmetallischer Einschlüsse in Stahl entwickelt. Diese zeigen eine erhöhte Kollisionsrate für Partikelcluster und den Einfluss der Lubrikationskräfte für größere Partikel, die der Agglomeration entgegen wirken. Für kleinere Partikel dominieren Van der Waals Kräfte. In dichten Suspensionen wie Beton sind Segregationseffekte wie die Ausbildung einer Gleitschicht an der Rohrwand relevant. Es wurden zwei Mechanismen identifiziert und beschrieben, die zur Segregation in einem Modellbeton führen und der Einfluss auf den Pumpdruck wurde betrachtet. DEM Simulationen des Pumpprozesses zeigen die starke Neigung zur Segregation für Partikel mit hoher Reibung und den Viskositätseinfluss der Fluidmatrix. Zusätzlich wird ein DEM-Modell für deformierbare Partikel vorgestellt und mit experimentellen Daten verglichen.

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.