Nanolaminate TRIP-TWIP martensitic matrix steels : design and characterization

Wang, Meimei; Raabe, Dierk; Bleck, Wolfgang

doi:HT018899110

Nanolaminate TRIP-TWIP martensitic matrix steels : design and characterization = Nanolaminierte TRIP-TWIP Stähle mit martensitischer Matrix : Design und Charakterisierung

Wang, Meimei

2015 & 2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Meimei Wang aus Shandong, China

ImpressumAachen 2015

Umfang1 Online-Ressource (ii, 146 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen, 2015

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Raabe, Dierk (Thesis advisor) ; Bleck, Wolfgang (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-12-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-006498
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/567144/files/567144.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/567144/files/567144.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau (frei) ; martensite (frei) ; reverted austenite (frei) ; nanolaminate (frei) ; TRIP (frei) ; TWIP (frei) ; size effect (frei) ; damage (frei) ; strain partitioning (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Als sehr bekannter aber am wenigsten verstandenes Gefügebestandteil vieler moderner Hochleistungsstähle leidet Martensit an seiner inhärenten Sprödigkeit. Das Ziel dieser Arbeit ist die Steigerung der Duktilität und Zähigkeit von martensitischen Materialien durch Erzeugung einer nanolaminierten Mikrostruktur aus abwechselnden Schichten aus Martensit und Austenit unter Ausnutzung von Seigerungseffekten. Es wird erwartet, dass diese Austenitschichten Risse auffangen können, indem sie z.b. Rissspitzen abstumpfen oder Risse ablenken. Um Verbesserungen der mechanisch/technologischen Eigenschaften verstehen zu können, ist es notwendig, die für Verformung und Schädigung relevanten Mikromechanismen in den verschiedenen Gefügebestandteilen und deren Wechselwirkungen systematisch zu untersuchen.Für diese Aufgabe wurde in dieser Arbeit ein Fe-9Mn-3Ni-1.4Al-0.01C (Massen %) martensitischer Mittelmanganstahl konzipiert. Durch Unterstützung durch thermodynamische und kinetische Simulationen (Programme Thermo-Calc und Dictra mit TCFE7 und MOBFE2 Databases) wurden Seigerungen ausgenutzt, um ein nanolaminiertes Gefüge bestehend aus abwechselnden Schichten aus Martensit und Reversionsaustenit zu kreieren. Die mikrostrukturelle und mikromechanische Charakterisierung wurde durchgeführt mittels in-situ/post-mortem Zug- und Biegeversuchen in Verbindung mit hochauflösender auf Rasterelektronenmikroskopie basierender Elektronrückstreubeugung (EBSD), electron channeling contrast imaging (ECCI), Sekundärelektronenabbildung (SE) und energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) als auch post-mortem Transmissionselektronemikroskopie (TEM), Röntgendiffraktionsanalyse (XRD) und Synchroton-Röntgendiffraktionsanalyse (SXRD). Unter Zuhilfenahme von Thermo-Calc und Dictra Berechnungen zeigen die Ergebnisse, dass über Seigerungseffekte schließlich alle Grenzflächen zwischen den Martensitlatten mit nanoskopischen Schichten aus Reversionsaustenit belegt werden können und somit die Erzeugung einer nanolaminierten Mikrostruktur ermöglicht wird. Durch diese nanolaminierte Mikrostruktur aus Martensit und Reversionsaustenit wird bei plastischer Verformung die Verfestigungsrate und der Widerstand gegen Schädigung gesteigert. Dies wird zurückgeführt auf (i) eine dynamische Dehnungsumverteilung zwischen Martensit und Reversionsaustenit, bedingt durch die ausgeprägten dynamischen Wechselwirkungen zwischen Versetzungsgleitung, verformungsinduzierte Phasenumwandlung, die zu einem TRIP Effekt führt und mechanische Zwillingsbildung und (ii) auf die nanolaminierte Gefügemorphologie. Dies führt zu einer verbesserten Duktilität. Unterdessen wurde im Reversionsaustenit ein unerwarteter ‘kleiner ist weniger stabil’ Effekt beobachtet. Dieser unerwartete Umwandlungsgrößeneffekt tritt aufgrund der größenabhängigen Konkurrenz zwischen mechanischer Zwillingsbildung und verformungsinduzierter Phasenumwandlung auf. Zusätzlich wird eine aussichtsreiche Strategie vorgeschlagen, um die Austenitreversion auszunutzen für das Design von martensitischen Stählen mit verbesserter Beständigkeit gegenüber Wasserstoffversprödung.

Martensite, as one of the most well-known yet least understood microstructures occurring in modern advanced steels, profoundly suffers from its inherent brittleness. The aim is to enhance the ductility and toughness of martensite base materials by designing nanolaminate microstructure consisting of alternating layers of martensite and austenite via segregation engineering. These austenite layers are expected to act as buffer zones in front of cracks, e.g. providing possible crack blunting or reflecting effects. To understand improvements in mechanical properties, it is necessary to systematically investigate the underlying deformation and damage micro-mechanisms within microstructure constituents and their interplay. For these purposes, in this work, a Fe-9Mn-3Ni-1.4Al-0.01C (mass %) medium-Mn martensitic steel was designed. Segregation engineering with support from thermodynamic and kinetic simulations (using Thermo-Calc and Dictra software with TCFE7 and MOBFE2 databases) were used to create nanolaminate microstructure consisting of alternating martensite and reverted austenite layers. Microstructure and micro-mechanical characterizations were conducted by in-situ/post-mortem tension and bending experiments in conjunction with high-resolution scanning electron microscopy (SEM) based electron backscatter diffraction (EBSD) mapping, electron channeling contrast imaging (ECCI), secondary electron imaging (SE) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), as well as post-mortem transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction analysis (XRD) and synchrotron X-ray diffraction (SXRD) analysis. The results reveal that with the guidance of Thermo-Calc and Dictra calculations, segregation engineering successfully decorates all lath martensite boundaries with nano-films of reverted austenite, thus being able to create the nanolaminate microstructure. Enhanced strain hardening capacity and damage resistance are achieved in the nanolaminate martensite-reverted austenite microstructure, which are attributed to (i) dynamical strain partitioning between martensite and reverted austenite governed by a highly dynamical interplay of dislocation slip, deformation-induced phase transformation (causing the TRIP effect) and mechanical twinning (i.e. causing the twinning-induced plasticity effect) and (ii) the nanolaminate microstructure morphology, leading to enhanced ductility. Meanwhile, within the reverted austenite phase, an unexpected ‘smaller is less stable’ effect is observed. This unexpected transformation size effect is due to the size-dependent competition between mechanical twinning and deformation-induced phase transformation. In addition, a promising strategy is also proposed to utilize austenite reversion for designing martensitic steel with high resistance against hydrogen embrittlement.

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