Verformungszwillinge im kubisch-raumzentrierten Eisen : Einflussgrößen und Mechanismen

Abstract

Seit der ersten Entdeckung von Zwillingen in Eisenmeteoriten durch Neumann 1848 [1] ist die Zwillingsbildung Gegenstand zahlreicher Forschungsarbeiten. Bekannt ist, dass die Zwillingsbildung als ein Mechanismus plastischer Verformung in vielen metallischen Werkstoffen im technischen Alltag eine wichtige Rolle spielt. Dazu zählen unter anderem kubisch-raumzentriertes Eisen und Eisenlegierungen, die bevorzugt bei hohen Dehnraten und niedrigen Temperaturen zur Zwillingsbildung neigen. Für kubisch-flächenzentrierte Eisenwerkstoffe bestehen bereits technische Anwendungsfälle, wie beispielsweise in hochmanganhaltigen Stählen (sog. TWIP-Stähle für den Automobilbau), die unter mechanischer Belastung zur Zwillingsbildung neigen. Die Zwillingsbildung, die im kubischflächenzentrierten Gitter bereits bei Raumtemperatur und quasistatischer Verformung eintritt, bewirkt einen Verbrauch der eingebrachten Energie, wodurch versetzungsbasiertes Gleiten nur noch begrenzt stattfindet. Die makroskopische Verformung wird in der Folge gering gehalten. Für kubischraumzentrierte Eisenwerkstoffe besteht grundsätzlich ein ähnliches Potential, jedoch beschränken die genannten Randbedingungen den möglichen Anwendungsfall auf niedrige Temperaturen bzw. dynamische Belastungen. Das dazu existierende Wissen umfasst bislang nur den Einfluss verschiedener Parameter auf die Bildungsspannung von Zwillingen, jedoch nicht auf die Häufigkeit von Zwillingen im Gefüge. Eine Betrachtung der einzelnen Einflussfaktoren auf die Häufigkeit an Zwillingen ist nicht bekannt. Die Zielstellung der hier vorliegenden Arbeit, ist daher die Untersuchung der Zwillingsbildung in kubisch-raumzentriertem Eisen und Eisenlegierungen unter besonderer Berücksichtigung von äußeren und inneren Einflussgrößen und deren jeweilige Wirkung auf die Häufigkeit von Zwillingen im Gefüge. Dazu zählen Temperatur, Dehnrate, Stauchung, Korngröße, Stapelfehlerenergie sowie Versetzungsdichte. Die separate Betrachtung dieser Einflussgrößen in experimentellen Untersuchungen und eine quantitative Bestimmung des Flächenanteils an Zwillingen im Gefüge nach Belastung durch licht- und elektronenmikroskopische Methoden ermöglicht einen Vergleich der einzelnen Einflüsse. Daraus können Rückschlüsse auf das Bildungsverhalten von Zwillingen gezogen und eine Abschätzung potentieller Anwendungsgebiete getroffen werden. Weiterhin steht die Betrachtung des Bildungsmechanismus von Zwillingen im Fokus. Derzeitige Erkenntnisse weisen auf einen versetzungsbasierten Mechanismus hin. In Molekulardynamischen Simulationen (MD) wird die Zwillingsnukleation unter Berücksichtigung von unterschiedlichen Versetzungsaktivitäten und -einflüssen untersucht. Das Ziel ist die Identifizierung eines bevorzugten Bildungsmechanismus unter Berücksichtigung der genannten Einflussgrößen. In Verbindung mit elektronenmikroskopischen Untersuchungen (STEM und TEM) werden ebenfalls experimentelle Betrachtungen zum Bildungsmechanismus angestellt. Die Durchführung der experimentellen und numerischen Untersuchungen hat mehrere Erkenntnisse ergeben. Die Einflüsse der Randbedingungen (Temperatur, Dehnrate, Stauchung, Korngröße, Stapelfehlerenergie, Versetzungsdichte) haben unterschiedliche Wirkung auf die Zwillingsbildung und können durch die Quantifizierung der Zwillingshäufigkeit beschrieben werden. Die Versetzungsbeteiligung an der Zwillingsbildung wurde mittels MD-Simulationen nachgewiesen. Der ermittelte Bildungsmechanismus steht in guter Übereinstimmung mit der bekannten Literatur. Zudem konnten Effekte von Versetzungsinteraktionen untersucht und deren Einfluss auf die Zwillingsbildung beschrieben werden. Die durchgeführten TEM-Untersuchungen zeigen ebenfalls erste Hinweise auf den versetzungsbasierten Mechanismus der MD-Simulationen, wenngleich eine eindeutige experimentelle Identifizierung nicht möglich war.

In 1848, Neumann was the first to discover deformation twins in iron meteorites [1]. Since then, twin formation has been the subject of many research. It is known that twin formation is a mechanism of plastic deformation and plays an important role in many metallic materials in everyday technical life. These include body-centered cubic iron and iron alloys, which tend to form twins at high strain rates and low temperatures. There are already technical applications for face-centered cubic ferrous materials, such as in high-manganese steels (so-called TWIP steels for automotive engineering), which tend to form twins under mechanical stress. The twin formation, which occurs in the face-centered cubic lattice already at room temperature and quasi-static deformation, causes a consumption of the introduced energy, whereby dislocation-based slip is hindered. The macroscopic deformation can thus be reduced. A similar potential can be found for body-centered cubic iron materials, but the mentioned boundary conditions limit the potential application to low temperatures or dynamic loads. The existing knowledge mainly includes the influence of different parameters on the formation stress of twins, but not on the number or the proportion of twins in the microstructure. A consideration of the individual influencing factors on the amount or the proportion of twins is therefore not known. The aim of the present study is to investigate the formation of twins in iron and iron alloys with special regard to external and internal factors and their respective effects on the number of twins. These include temperature, strain rate, compression, grain size, stacking fault energy and dislocation density. The separate consideration of these influencing variables in experimental investigations and a quantitative determination of the area fraction of twins in the microstructure after loading by light and electron microscopic methods allows a comparison of the several parameters. From this, conclusions can be drawn about the formation behaviour of twins and an estimation of potential areas of application can be made. Furthermore, investigations of the formation mechanism of twins are of interest. Current knowledge indicates a dislocation-based mechanism. In molecular dynamics simulations, twin nucleation is investigated under consideration of dislocation activities and influences. The aim is to identify a preferred formation mechanism for iron under consideration of the mentioned influencing parameters. In connection with electron microscopic investigations (STEM and TEM), experimental considerations of the formation mechanism are also made. The experimental and numerical investigations has yielded several results. The influences of the boundary conditions (temperature, strain rate, compression, grain size, stacking fault energy, dislocation density) have different effects on twin formation and can be described by quantifying the twin amount. The effect of dislocation acitvities on twin formation has been demonstrated by MD simulations. The determined formation mechanism is in good agreement with the known literature. In addition, effects of dislocation interactions could be investigated and their influence on twin formation described. The carried out TEM investigations also show first indications of the dislocation-based mechanism of the MD simulations, although a clear identification via experimental performance is not possible.