Modeling and simulation of microstructure evolution in low-alloy TRIP-Steels

Abstract

In dieser Arbeit wird die Mikrostrukturentwicklung von niedriglegierten TRIP-Stählen mithilfe von computergestützten Berechnungsverfahren untersucht, wobei das MatCalc 6-Framework zum Einsatz kommt. MatCalc wendet „mean-field“-Ansätze, die klassische Keimbildungstheorie und prädiktive Grenzflächenenergiemodelle an, um die Entwicklung von Ausscheidungen in metallischen Werkstoffen zu beschreiben. Darüber hinaus bietet es verschiedene Modelle zur Simulation der Entwicklung mikrostruktureller Merkmale, wie Versetzungsdichte und Korngröße. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode zur Anwendung dieser Modelle auf die komplexe mehrphasige Mikrostruktur von TRIP-Stählen zur Simulation der Ausscheidungskinetik vorgestellt. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der bainitischen Mikrostruktur, die in ihrer karbidfreien Form TRIP-Stählen ihre charakteristische Kombination aus hoher Festigkeit und Zähigkeit verleiht. Trotz umfangreicher Forschung sind die Mechanismen, die die Bainitbildung steuern, nach wie vor zum Teil umstritten. Durch die Kombination mehrerer Modellierungs- und Simulationsansätze untersucht diese Studie die Schlüsselmechanismen, die die Bildung dieser Mikrostruktur antreiben. Besonderes Augenmerk wird auf die Umverteilung von Kohlenstoff aus ferritischen Bainit-Plättchen in den umgebenden Austenit gelegt. Die Simulationsergebnisse bieten wertvolle Einblicke in die Bildung und die Eigenschaften des filmartigen Austenits, der zwischen einzelnen Plättchens innerhalb eines Bainit-Bündels vorhanden ist. Darüber hinaus befasst sich die Studie mit der Bildung von unterem und oberem Bainit und schlägt auf der Grundlage von Simulationsergebnissen eine neue Interpretationsmöglichkeit für den Bildungsmechanismus vor.

This thesis employs computational methods to investigate the microstructure evolution of low-alloy TRIP steels, utilizing the MatCalc framework. MatCalc applies mean-field approaches, classical nucleation theory, and predictive interfacial energy models to describe the evolution of precipitates in metallic materials. Additionally, it offers various models to simulate the evolution of microstructural features, such as dislocation density and grain size. The present thesis proposes a method for applying these models to the complex multiphase microstructure of TRIP steels to simulate precipitation kinetics and simultaneous long-range diffusion. The primary focus of this thesis is on the bainitic microstructure, which, in its carbide-free form, provides TRIP-steels with their characteristic combination of high strength and toughness. Despite extensive research, the mechanisms governing bainite formation remain a subject of debate. By combining several modeling and simulation approaches, this study examines some key mechanisms that drive the formation of this microstructure. Special attention is given to the partitioning of carbon from bainite subunits into the surrounding austenite. The simulation results offer valuable insights into the formation and characteristics of the film-like austenite that exists between individual bainite subunits within a sheaf. Furthermore, the study revisits the formation of lower and upper bainite, proposing a potentially new interpretation of the formation mechanism based on computational findings.