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Klaus-Dieter Bauer - Auf Biegen und Brechen - Wie Zink Stahl bricht


Liquid Metal Embrittlement in the Fe/Zn system - Investigation based on Density Functional Theory


oder

Auf Biegen und Brechen - Wie Zink Stahl bricht

Klaus-Dieter Bauer

angefertigt am Zentrum für Oberflächen- und Nanoanalytik

Kurzfassung (PDF)

Vortrag (PDF) 5,5MB


Hochqualitative Stahlprodukte nutzen die vorteilhaften Eigenschaften von Martensit, einer Kristallstruktur, die durch das Aufheizen und Abschrecken des Stahls erzeugt wird.

Bisher wurde in der VOEST ein als „Cold Forming“ benannter Verarbeitungsprozess verwendet, um martensitische Werkstücke zu produzieren. Die Einführung des direkteren „Hot Forming“-Prozesses verspricht kosten- und zeiteffizientere Produktion, führt bei zinkbeschichtetem („galvanisiertem“) Stahl jedoch zur Bildung mikroskopischer Risse. An der VOEST gewonnene experimentelle Ergebnisse deuten auf ein als „Liquid Metal Embrittlement“ bekanntes Phänomen hin: Die geschmolzene Zn-Beschichtung macht den Stahl spröde.

Abbildung 1: In zinkbeschichtetem Stahl bilden sich beim „Hot Forming“ mikroskopische Risse.

Wasser liegt typischerweise in 3 Phasen vor: bei hohen Temperaturen ist es gasförmig, bei mittleren flüssig, und bei tiefen fest. Sehr viele Substanzen haben aber nicht nur eine, sondern mehrere feste Phasen: diese unterscheiden sich durch ihre kristalline Form. Je nach Druck, Temperatur und Beimischung anderer Elemente, nimmt ein Festkörper die eine oder andere Kristallstruktur an. Der teure Diamant und der billige Graphit in unseren Bleistiften sind z.B. beide feste Phasen des reinen Kohlenstoffs und unterscheiden sich nur durch ihre Kristallstruktur.

Besonders wichtige Kristalltypen sind dabei der "kubisch raumzentrierte" (englisch "bcc, body centered cubic") und der "kubisch flächenzentrierte“ (englisch "fcc, face centered cubic“) Kristall. Die Atome sitzen dabei jeweils in den Eckpunkten aneinander gestapelter Würfel; beim bcc Kristall sitzt ein weiteres Atom jeweils exakt in der Mitte jedes Würfels, beim fcc Kristall sitzen in allen Fächenmittelpunkten weitere Atome.

Um Martensit zu erhalten ist es notwendig, vor dem Abschrecken den Stahl durch Aufheizen von ferromagnetischem Ferrit (bcc Phase) in antiferromagnetischen Austenit (fcc Phase) umzuwandeln. Rissbildung konnte jedoch auch schon bei Ferrit beobachtet werden. Ferromagnetische Systeme zeigen tendenziell in numerischen Berechnungen stabileres Verhalten. Daher riet man mir, mich auf diese Strukturen zu konzentrieren.

Natürlich liegt ein Metall nicht als perfekter Kristall vor. Ein Stiegengeländer aus Metall zeigt z.B. flächige, hell-dunkel wirkende Strukturen mit unregelmäßigen Rändern. Dies rührt daher, dass in diesen unterschiedlichen Bereichen die Kritalle verschieden ausgerichtet sind: Einen einheitliches Teilbereich nennt der Werkstofftechniker "Korn", die Ränder, wo diese zusammenstoßen, "Korngrenzen" (englisch "grain boundaries"). Ich untersuchte also konkret Korngrenzen zwischen bcc-Körnern.


In Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf erforschte ich die zugrundeliegenden Mechanismen der Rissbildung mit Hilfe von Dichtefunktionaltheorie. Dies ist eine Methode zur Berechnung quantenmechanischer Eigenschaften, die durch eine Vielzahl von Programmpaketen umgesetzt wird. Ich verwendete das Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP).


Abbildung 2: Ein Beispiel für eine Simulationszelle (reines Eisen). Die strichlierten Linien markieren die Korngrenzen. Es handelt sich um eine sog. „Σ3 (111) 60° tilt grain boundary“.

In dem von mir verwendeten Modell betrachtete ich die Energien von Anfangs- und Endzuständen des Brechens. Diese beschrieb ich durch die Korngrenzen-Energien Egb und Oberflächenenergien Esf. Die Bruchfestigkeit charakterisierte ich durch die Größe γ = Esf – ½ Egb, die dem Energieaufwand zum Spalten der Grenzfläche entspricht. So fand ich heraus, dass Zink die Korngrenze benetzt, was unter Verwendung der Definition für γ aus Ref. [1] spontanes Brechen des Stahls auch ohne Verformung vorhersagen würde. Meine Definition hingegen sagt, in Übereinstimmung mit dem Experiment, eine Schwächung, aber kein spontanes Brechen voraus.

Abbildung 3: Oberflächen und Korngrenzenenergien als Funktion der Zinkbeschichtung. Durch die verschiedene Skalierung der x-Achse wird die Aufteilung der Zinkatome von einer Korngrenze auf zwei Oberflächen berücksichtigt. Das Sinken von Egb mit steigender Benutzungsdichte bedeutet einen energetischen „Sog“ für Zinkatome in die Korngrenze.

Aktuell arbeite ich daran, die Ursachen dieser Schwächung mit weiterführenden Analysen genauer zu charakterisieren.

[1] M.G. Nicholas and C.F. Old. Review Liquid metal embrittlement. Journal of Materials Science, 14(1):1–18, 1979.