Simulation of precipitation in steel

Abstract

Consistent and predictive simulations of precipitation and materials properties are a complex task. In this work, the basics behind thermo-kinetic simulations that are based on CALPHAD-type Gibbs energies, a mean-field model for precipitate growth, advanced classical nucleation theory and a predictive model for interface energy calculation are utilized in simulations and discussed in terms of consistency with experimental data. After establishing the theoretical background of these models, this work focuses on the novel approaches that were added to the existing MatCalc framework, in order to simulate the precipitation of Cu in a binary Fe-Cu alloy consistently. These comprise of models for the transition from bcc to 9R to fcc structure, curvature and temperature effects on interfacial energy, particle coalescence as well as a partial thermodynamic reassessment of the Fe Cu system. A further impact, when dealing with precipitation kinetics and phase transformations, is the rate at which atoms move through the matrix, hence the rate of atomic diffusion. I analyzed the kinetics of self-diffusion along grain boundaries and dislocations (pipe diffusion) in Al, Fe, and Ni. The suggested values are evaluated between room temperature and melting point, and are aimed at consistency and applicability to the aforementioned thermo-kinetic simulations. Working with a bottom-to-top mentality, the work moves along from a simple binary system (Fe-Cu) to more complex systems of technical relevance, namely, precipitation hardening steel. By applying the calibrated and published values from the work on binary Fe-Cu to a 15-5 PH steel, Cu-precipitation is modeled consistently to satisfy experimental work of atom probe as well as differential scanning calorimetry. In the end, the results shed new light on the interaction of physical mechanisms and provided new insights into the behavior of phase formation and transformation.

Vorhersagende und widerspruchsfreie Simulationen von Ausscheidungsprozessen und Materialeigenschaften sind eine komplexe Aufgabe der modernen Werkstoffwissenschaft. In dieser Arbeit werden thermo-kinetische Simulationen basierend auf CALPHAD-Gibbs-Energie Datenbanken, einem "Mean-Field" Modell zur Beschreibung des Wachstums, einer Erweiterung der klassischen Nukleationstheorie, sowie einem Modell zur prädiktiven Berechnung der Grenzflächenenergien durchgeführt und mit experimentellen Daten verglichen. Nach einer kurzen Einführung in die theoretischen Grundlagen zu diesen Modellen führt die Arbeit durch die neuartigen Ansätze, welche dem bereits existenten MatCalc Arbeitsprogramm hinzugefügt wurden, um eine widerspruchsfreie Simulation im binären Fe-Cu System zu gewährleisten. Diese neuartigen Modelle umfassen die Transformation der Kristallstruktur von krz über 9R hin zu kfz, die Krümmung und den Temperatureinfluss auf die Grenzflächenenergie, die Partikelkoaleszenz, sowie eine Neubewertung einiger thermodynamischer Grundparameter im Fe-Cu System. Ein grundlegender Faktor bei der Behandlung von Ausscheidungsvorgängen ist die Mobilität von Atomen in der umgebenden Matrix, kurz, die Diffusion. In dieser Arbeit wurde die Diffusion von Fe, Ni und Al entlang von Pfaden mit hoher Gitterstörung, Korngrenzen und Versetzungslinien, untersucht. Die dabei ermittelten Werte umfassen das gesamte Temperaturspektrum von Raumtemperatur bis hin zur Schmelztemperatur und sind zur Verwendung in thermo-kinetischen Simulationen aufbereitet. Zur erfolgreichen Durchführung von Simulationen ist es vorteilhaft mit dem simpelsten Arbeitsschritt zu beginnen, und davon ausgehend den Grad der Komplexität zu erhöhen. Diese Mentalität wurde auch in dieser Arbeit umgesetzt. Nachdem das Fe-Cu System verstanden war, sind die daraus entstandenen Erfahrungen im komplexen ausscheidungshärtenden Stahl 15-5 PH angewendet worden. Die Ergebnisse wurden mit Atomsonden und DSC Ergebnissen überprüft. Es wurde nicht nur eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse gefunden, sondern auch neue Einblicke in die Prozesse und Mechanismen der Ausscheidungsbildung und Phasenumwandlung gewonnen.