Density functional theory is a workhorse of present electronic structure calculations. These are increasingly more applied in materials science as they allow for insight beyond experimental capabilities, testing hypotheses, or isolating various phenomena. Herein, an overview of the applications of the electronic structure calculations applied to extracting alloying trends, which, in turn, leads to refining of alloys, is presented. The topic covers the construction of structural models by properly considering site preference. Next are discussed alloying trends in structural and mechanical properties. The final part deals with microstructure features such as extended defects or multiphase constitutions. The unifying themes of the presented application are compositional trends in properties of lightweight intermetallic γ-TiAl-based alloys.
Transformation‐induced plasticity (TRIP) steels from the third generation of advanced high‐strength steels (AHSS) contain Si additions to prevent the formation of carbides. Cementite (Fe3C) is a prototype among the carbides, and despite the importance of the influence of alloying elements on its stability, mechanisms by which the elements act have not been clarified so far. Herein, ab initio calculations are employed to study the impact of several alloying elements, including Al, Cr, Mg, Mn, and Si, on the stability of cementite. Partitioning energies are calculated to determine the segregation tendency of alloying elements between the phases such as ferrite, austenite, and cementite. The change in formation energy between the alloyed cementite and the pure cementite is then used to quantify the phase (de)stabilization. Therefore, both the partitioning energy and the change in formation energy must be considered together in a multiphase alloy system to make statements about the effect of alloying elements on the cementite stability are proposed. In addition, the effects of the technically most important elements Al and Si on the mechanical properties of cementite are calculated using the stress–strain method. Both the elements are found to increase the elastic stability of cementite.
ZusammenfassungStahlschrott ist ein wesentlicher Sekundärrohstoff im Stahlherstellungsprozess und ein wichtiger Grundpfeiler für eine CO2-arme Stahlindustrie. Im Vergleich zur Stahlproduktion durch die Primärroute benötigt das Einschmelzen von Stahlschrott weniger Ressourcen und birgt somit sowohl umwelttechnische als auch wirtschaftliche Vorteile. Ein erhöhtes und optimiertes Recycling von Stahlschrott zur Erzeugung von Hochleistungsstählen setzt jedoch genaue Kenntnisse über verfügbare Schrottqualitäten voraus. Insbesondere Altschrottklassen können die geforderten Qualitätskriterien hinsichtlich ihrer Zusammensetzung nicht erfüllen.Die gegenständliche, interdisziplinäre Arbeit untersucht Optimierungspotenziale für ein nachhaltiges Recycling von Stahl in Österreich. Dabei wurde die Schrottverfügbarkeit quantitativ und auch qualitativ durch eine Materialfluss- und qualitative Material-Pinch-Analyse ermittelt. Die Ergebnisse wurden durch Stakeholderbefragungen untermauert. Im Zuge der Stakeholderbefragungen wurde auch der Innovationsbedarf der Branche ermittelt. Weiters wurden werkstofftechnologische Auswirkungen für Prozesse und Produkte analysiert und zusammengefasst.Durch den erhöhten Schrotteinsatz, vor allem durch Altschrott, kommt es zu erhöhten Anteilen an Begleitelementen in der Stahlproduktion. Die Arbeit zeigt, dass der Anteil an Altschrott am Gesamtschrottaufkommen bis zu 75 % erreichen wird, gegenwärtig aber aufgrund des aktuellen Schrotthandlings und damit einhergehenden Verunreinigungen nur ein Teil des Altschrotts tatsächlich auch innereuropäisch bzw. in Österreich für die Erzeugung von Hochleistungsstählen ausgenutzt werden kann. Durch verbesserte Vorsortierung, Entfernung der unerwünschten Begleitelemente durch sekundärmetallurgische Prozesse und durch besseres Verständnis der Wechselwirkung unterschiedlicher Begleitelemente kann das vorhandene Schrottpotenzial besser ausgeschöpft werden. Die Nutzung der in sekundären Rohstoffen gespeicherten „grauen“ Energie ermöglicht nicht nur für den Stahlsektor selbst eine effektive Entwicklungsoption Richtung Klimaneutralität, sondern auch für andere volkswirtschaftliche Bereiche durch insgesamt reduzierten Primärenergiebedarf und Senkung des Fußabdrucks zahlreicher Wertschöpfungsketten.
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