Fundamentals of solute enrichment at interfaces in medium manganese steel

Syed, Faisal Waqar; Raabe, Dierk; Springer, Hauke Joachim

doi:HT030952262

Fundamentals of solute enrichment at interfaces in medium manganese steel

Syed, Faisal Waqar^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Faisal Waqar Syed, M.Tech.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Raabe, Dierk (Thesis advisor)^RWTH* ; Springer, Hauke Joachim (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-11-27

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-01468
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1004501/files/1004501.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Bei Stählen sind Festkörper-Phasenumwandlungen der Schlüssel zum Verständnis der Entwicklung unterschiedlicher Mikrostrukturen und der gewünschten mechanischen Eigenschaften. Diese Phasenumwandlungen gehen in der Regel mit der Umverteilung (Partitionierung) von Elementen von einer Phase in eine andere einher. Bei der Untersuchung von quaternären Systemen (Fe-Mn-Al-C) mit interstitiellen (C) und substituierenden Legierungselementen (Mn, Al) ist es von größter Bedeutung, die drastisch unterschiedliche Diffusionsfähigkeit der Elemente zu berücksichtigen. Der Unterschied in der Diffusionsfähigkeit wird bei der Wärmebehandlung bei niedrigen Temperaturen noch kritischer, da die Diffusion der Substitutionselemente zum geschwindigkeitsbestimmenden Schritt werden kann. Die Behandlung bei niedrigen Temperaturen führt in der Regel zu einem Anstieg der Konzentration der Elemente an der Phasengrenze, was in der Fachliteratur allgemein als Anreicherung an der Phasengrenze bezeichnet wird. Obwohl über die Thermodynamik und Kinetik der Anreicherung an der Phasengrenze viel berichtet wird, sind die Details im Zusammenhang mit den verschiedenen Dekorationszuständen selten. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Erforschung und das Verständnis der Grundlagen der Anreicherung und der Dekorationszustände von partitionierenden Elementen (Mangan; Mn, und Kohlenstoff; C) an den Phasengrenzen in Stählen mit mittlerem Mangangehalt Eine Fe-10Mn-3Al-0,2C-Legierung mit einem Gewichtsprozentanteil von 10 % Mangan wurde einer vollständigen Austenitisierung unterzogen, gefolgt von einer Wasserabschreckung und einem anschließenden interkritischen Glühen, wodurch eine laminierte Mikrostruktur mit einer Kurdjumov-Sachs-Orientierungsbeziehung (KS) zwischen benachbartem Austenit und Ferrit entstand. Die interkritisch geglühte Probe wurde dann 2, 50 und 200 Stunden lang bei niedriger Temperatur (450 °C) angelassen, um die Auswirkungen auf die Anreicherung von Mn und C zu untersuchen. Eine Untersuchung der Auswirkungen von Korngrenzen auf die Anreicherung von Kohlenstoff an der Phasengrenze ergab, dass Korngrenzen als Senke für Kohlenstoff aus Phasengrenzen fungieren, wenn sie an Tripellinien miteinander verbunden sind. Darüber hinaus wurde kein Unterschied in der Kohlenstoffanreicherung an den Phasengrenzen von KS- und KS-nahen Phasen festgestellt, was ausschließt, dass solche Unterschiede im Phasengrenzcharakter die Hauptursache für eine solche Beobachtung sind, und bestätigt, dass die Korngrenze die Hauptquelle für den Entzug von Kohlenstoff aus Phasengrenzen ist. Weitere Studien zur Untersuchung der Zustände der gelösten Dekorationen an den Phasengrenzen der getemperten Proben ergaben eine lineare Segregation von Mn in der Ebene der Phasengrenze. Diese Dekorationen findet an Fehlpassungsversetzungen in geraden Phasengrenzen und Superleisten in gekrümmten Phasengrenzen statt. Fehlpassungsversetzungen haben einen gemischten Charakter und Superledges sind durch eine Anordnung in einer Ebene in GT-Typ-Orientierung und eine andere Anordnung in Indexebenen mit mehratomigen Facetten gekennzeichnet, die Mn aufgrund ihrer Spannungsenergie und Facettenübergangskonfigurationen anziehen. Im Laufe der Zeit wurde beobachtet, dass Superledges bei 450 °C nach 200 Stunden am schnellsten ein Gleichgewicht mit der umgebenden Matrix erreichten, während dies nicht für Versetzungsfehlpassungen galt. Allerdings haben Phasengrenzbereiche ohne eindeutige Merkmale noch nicht die von DICTRA vorhergesagten Werte für die lokale Gleichgewichtsverteilung erreicht, obwohl sie sich ihnen annähern. Diese Diskrepanz wird auf die anfängliche Quasi-Paraequilibrium-Verteilung zurückgeführt, die im Laufe der Zeit in ein lokales Gleichgewicht übergeht. Schließlich wurde ein Gedankenexperiment durchgeführt, um die Auswirkungen eines externen Magnetfelds auf die Mn-Segregation an Ferritkorngrenzen zu untersuchen. Dazu wurde eine 50 % kaltgewalzte Fe-8Mn-Legierung verwendet und bei 450 °C 5,5 Stunden lang mit und ohne ein 9-Tesla-Magnetfeld geglüht. Es wurde festgestellt, dass das Magnetfeld keinen Einfluss auf die Mn-Segregation hat. Dies lässt sich dadurch erklären, dass sich der Ferrit ohne externes Magnetfeld bei 450 °C in einem ferromagnetischen Zustand befindet, während sich die Korngrenze in einem paramagnetischen Zustand befindet. Das externe Magnetfeld ändert diesen Zustand nicht wesentlich. Um eine Veränderung im Segregationsverhalten zu beobachten, müssten sowohl der Ferritkörper als auch die Korngrenze in einen paramagnetischen Zustand übergehen, wodurch sich die Segregationsenergie von -0,40 eV (Ferritkörper + paramagnetische Korngrenze) auf -0,1 eV für ein vollständig paramagnetisches System ändern würde. Weder die verwendete Glühtemperatur reichte aus, um diese Veränderung zu bewirken, noch war das verwendete Magnetfeld stark genug, um das System in einen vollständig ferromagnetischen Zustand zu versetzen und eine Veränderung der Segregationsenergie (-0,42 eV) zu bewirken. Diese These liefert wertvolle Einblicke in die Dekorationszustände von gelösten Stoffen (Mn und C) und die damit verbundenen Mechanismen in Manganstählen mittlerer Zusammensetzung und hebt die komplexe Beziehung zwischen thermischer Verarbeitung, kristallografischen Merkmalen an der Phasengrenze und externen Feldern auf die Festkörper-Phasenumwandlungen und die Umverteilung der gelösten Stoffe hervor.

In steels, solid-state phase transformations are key to achieving and understanding diverse microstructure evolution and desired mechanical properties. These phase transformations are usually accompanied by the partitioning of elements from one phase to another. When studying quaternary systems (Fe-Mn-Al-C) with interstitial (C) and substitutional alloying elements (Mn, Al), addressing the drastically different diffusivity of elements is of prime importance. The difference in diffusivity becomes even more critical during thermal processing at low temperatures, where the diffusion of substitutional elements may become the rate-controlling step. Low-temperature treatment usually results in a spike in the concentration of partitioning elements at the phase boundary, commonly referred to as enrichment at the phase boundary in conventional literature. Although the thermodynamics and kinetics of phase boundary enrichment are widely reported, the details associated with the different decoration states are scarce. This thesis focuses on establishing and understanding the fundamentals of the enrichment and decoration states of partitioning elements (Manganese; Mn, and Carbon; C) at the phase boundaries in medium manganese steels An Fe-10Mn-3Al-0.2C wt.% alloy medium Mn alloy was subjected to complete austenitization followed by water quenching and subsequent intercritical annealing, producing a laminated microstructure with a Kurdjumov-Sachs (KS) orientation relationship existing between adjacent austenite and ferrite. The intercritically annealed sample was then subjected to low-temperature tempering (450°C) for 2, 50, and 200 hours to study the effects on Mn and C enrichment. An investigation into the effect of grain boundaries on the enrichment of C at the phase boundary revealed that grain boundaries act as extracting agent for C from phase boundaries when they exist in a triple junction. Furthermore, no difference in C enrichment at the phase interfaces of KS and near-KS oriented phases was witnessed, ruling out that such phase boundary character difference as a primary cause for such an observation and confirming that the grain boundary is the primary source for C extraction from phase boundaries. Further studies to comment on the solute decoration states at the phase boundaries of tempered samples, revealed in-plane linear segregation of Mn. These decorations are misfit dislocations in straight phase boundaries and superledges in curved phase boundaries. Misfit dislocations, having a mixed character, and superledges, characterized by one set plane arrangements inَ GT’َ typeَ orientationَ andَ otherَ setَbelonging to index planes with multiatomic facets, attracting Mn due to their strain energy and facet junction configurations. Over the timescale of tempering, it was observed that superledges at 450°C were fastest in approaching equilibrium with the surrounding matrix at 200 hours, while the same could not be said for misfit dislocations. However, phase boundary portions without distinct features have not yet achieved local equilibrium partitioning values as predicted by DICTRA, though they are approaching it. This discrepancy is attributed to the initial quasi-paraequilibrium mode of partitioning, transitioning to local equilibrium over time. Finally, to study the effect of an external magnetic field on Mn segregation at ferrite grain boundaries, an experiment was designed using a 50% cold rolled Fe-8Mn wt.% alloy and annealing at 450°C for 5.5 hours with and without a 9 Tesla magnetic field. It was found that no effect of the magnetic field on Mn segregation is observed. This can be understood by the fact that, in the absence of an external magnetic field, at 450°C the bulk ferrite is in a ferromagnetic state while the grain boundary is in a paramagnetic state. And the external magnetic field does not quite alter this state. To witness a change in segregation behaviour, both the bulk and the grain boundary would need to transition to a paramagnetic state, altering the segregation energy from -0.40eV (ferro bulk + para grain boundary) to -0.1eV for a completely paramagnetic system. Neither the annealing temperature used was not sufficient to bring about that change nor the magnetic field used is strong enough to shift the system to complete ferromagnetic state to see a change in segregation energy (-.42eV). This thesis provides valuable insights into solute (Mn and C) decoration states and associated mechanism in medium manganese steels and highlights the complex relationship between thermal processing, crystallographic features at the phase boundary and external fields on the solid-state phase transformations and solute redistribution.

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