Modellierung und Charakterisierung der Wechselwirkung interstitieller Fremdatome in austenitischen Eisenlegierungen

Ein umfassendes theoretisches Verständnis von atomistischen Wechselwirkungen in Stahlwerkstoffen könnte langfristig ein vereinfachtes theoriegeleitetes Werkstoffdesign ermöglichen. Hochmanganstähle der Zusammensetzung Fe–Mn–Al–C stellen eine bedeutende Klasse moderner hochfester Stähle dar und bestehen überwiegend aus einer ungeordneten austenitischen (fcc) Metallmatrix sowie ferngeordneten κ-Karbidausscheidungsphasen. In der vorliegenden Arbeit wird die Wechselwirkung zwischen Metallatomen und interstitiellen Fremdatomen (C, H, B, N) in diesen beiden Phasen untersucht, sowohl statisch mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT) als auch dynamisch mittels Molekulardynamiksimulationen (MD) auf Basis von semiempirischen Potentialen. Mithilfe von DFT-Rechnungen werden Nahordnungen in Austenit untersucht, die aus der Bevorzugung von Zwischengitterpositionen mit einer bestimmten Besetzung der umgebenden Gitterpositionen mit den Metallen Fe, Mn, Al durch interstitielle C-Atome resultieren. Zudem werden interstitielles B und N betrachtet sowie die Substitution von Mn und Al mit Cr, Co, Ni, Mg und Si, wobei sich die Elemente der zweiten Periode, die Hauptgruppenmetalle und die Übergangsmetalle untereinander qualitativ ähnlich verhalten. Die Fähigkeit von κ-Karbiden, diffusiven Wasserstoff zu binden und damit Wasserstoffversprödung zu hemmen, wird mittels DFT untersucht. Kohlenstoffleerstellen in κ-Karbiden werden als günstige Wasserstofffallen identifiziert. Die Diffusion von Kohlenstoff in γ-Eisen wird mithilfe von MD-Simulationen auf Basis eines publizierten Fe–C-MEAM-Potentials berechnet. Sodann wird eine MEAM-Parametrisierung für (fcc)-Fe–Al–C entwickelt, die einige Eigenschaften von Kohlenstoff in fcc-Fe–Al sowie in κ-Karbiden zufriedenstellend reproduzieren kann.