&quot;Design strategies for optimized mechanical performance of bainitic steels”

Gülbay, Oguz; Grajcar, Adam; Krupp, Ulrich

doi:HT031417878

"Design strategies for optimized mechanical performance of bainitic steels”

Gülbay, Oguz^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Oğuz Gülbay, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Krupp, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH* ; Grajcar, Adam (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-02-10

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-02188
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1029268/files/1029268.pdf

Einrichtungen

Projekte

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Entwicklung von Stählen mit verbesserten Eigenschaften ist entscheidend für die Verlängerung der Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Bauteilen im Maschinenbau. Neben der technischen Leistungsfähigkeit trägt dies auch zur ökologischen Nachhaltigkeit bei, indem die Zirkularität der Stahlindustrie verbessert wird. Um diese Anforderungen zu erfüllen, haben bainitische Stähle aufgrund ihrer vielversprechenden mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig kosteneffizienten Legierungsstrategien große Forschungsaufmerksamkeit erlangt. Änderungen in der chemischen Zusammensetzung und den Prozessparametern führen zu signifikanten Veränderungen der bainitischen Mikrostruktur, die wiederum die mechanischen Eigenschaften beeinflussen. Obwohl die quasi-statischen Zugversuchseigenschaften häufig zur Bewertung bainitischer Stähle herangezogen werden, spiegeln sie das mechanische Verhalten unter realitätsnahen Einsatzbedingungen nicht vollständig wider. Daher ist es wesentlich, das Werkstoffverhalten unter unterschiedlichen Belastungsbedingungen zu untersuchen. Aufgrund der komplexen und mehrphasigen Natur der bainitischen Mikrostruktur, die Karbide, Restaustenit (γR) und potenziell martensitische Bereiche als Sekundärphasen enthalten kann, bleibt die Herstellung eindeutiger Korrelationen jedoch eine große Herausforderung. Zur Bewältigung dieser Herausforderung wurden die bainitische Phasenumwandlung und die Mikrostrukturentwicklung in einer Fe–0,2C–2,5Mn-Basislegierung in Abhängigkeit von Wärmebehandlungsparametern sowie der Si- und Al-Legierung, welche entscheidende Elemente zur Unterdrückung der Karbidbildung und zur Erzeugung von karbidfreiem Bainit (CFB) darstellen, untersucht. Das gesamte Phasenumwandlungsverhalten wurde anhand von kontinuierlichen sowie isothermen Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubildern (ZTU) Dilatometrie charakterisiert. Der Einfluss der isothermen Umwandlungstemperatur auf die quasi-statischen Zugversuchseigenschaften und die Hochzyklusermüdungsfestigkeit (HCF) von CFB und karbidführendem Bainit (CBB) wurde vergleichend bewertet. Die komplexe Rolle der mikrostrukturellen Bestandteile, insbesondere von γR und Martensit-Austenit-(MA)-Inseln, bei der Steuerung der Ermüdungsrissbeständigkeit, der Kerbschlagzähigkeit und der Bruchmechanismen wurde analysiert. Der Zusammenhang zwischen den resultierenden Mikrostrukturen und der mechanischen Leistungsfähigkeit wurde mittels einer breiten Palette von Charakterisierungsmethoden, einschließlich Rasterelektronenmikroskopie (REM), Elektronenrückstreubeugung (EBSD) und Synchrotron-Röntgendiffraktion (SYXRD), hergestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass Al die Martensitstarttemperatur (Ms) deutlich erhöht und im Vergleich zu Si die Bildung ferritischer Bestandteile stark begünstigt. Bei Al-Legierung bildet sich während des kontinuierlichen Abkühlens bei hohen Abkühlraten und großer ehemaliger Austenitkorngröße (eng.: prior austenite grain size PAG) Widmanstätten-Ferrit. Sie verlangsamt die Bainitumwandlung durch Stabilisierung des Austenits infolge von Kohlenstoffanreicherung und Mischkristallhärtung. Al zeigt zwar ähnliche Effekte, verkürzt jedoch die Inkubationszeit während der isothermen Wärmebehandlung aufgrund der erhöhten Triebkraft für die Bainitumwandlung und kompensiert so die retardierenden Effekte. Durch Al wird eine feinere CFB-Mikrostruktur mit ausgeprägtem, lamellaren γR und erhöhter Kohlenstoffanreicherung erzielt, was zu verbesserter γR-Stabilität und unterdrückter MA-Insel-Bildung führt. CFB weist im Vergleich zu CBB überlegene quasi-statische Zugversuchseigenschaften auf, was hauptsächlich auf die graduelle Umwandlung von γR zu Martensit unter uniaxialer Zugbelastung zurückzuführen ist. Eine Absenkung der Umwandlungstemperatur führt zu einer feineren Karbidverteilung in CBB und einer stärker verfeinerten CFB-Mikrostruktur, die durch eine ausgeprägte lamellare γR-Morphologie und einen reduzierten MA-Insel-Anteil gekennzeichnet ist. Diese mikrostrukturellen Veränderungen bei niedrigeren Temperaturen tragen zu verbesserten mechanischen Eigenschaften in beiden Bainitgruppen bei. Das Bruchverhalten von CFB wird hingegen stark durch die Anwesenheit von MA-Inseln und instabilem γR an PAG-Grenzen beeinflusst, insbesondere unter lokalisierter Deformation, wie in Kerbschlag- und Biegeversuchen beobachtet. Während CBB eine deutlich höhere Kerbschlagzähigkeit mit klaren duktilen Merkmalen an der Bruchfläche zeigt, neigt CFB zu sprödem Versagen. Dies ist in erster Linie auf die abrupte Umwandlung von instabilem γR und die spröde Natur der MA-Inseln zurückzuführen, die entweder zu intergranularem Bruch durch die Bildung eines spröden Netzwerks entlang der PAG-Grenzen oder zu Spaltbruch führen, ausgelöst durch schnelles Ablösen bei hohen Deformationsraten. Trotz einer signifikant höheren Ermüdungsgrenze von CFB, die mit seinen verbesserten quasi-statischen Zugversuchseigenschaften übereinstimmt, zeigt es eine höhere Rissfortschrittsgeschwindigkeit und eine niedrigere Schwelle der Spannungsintensität (ΔKth) als CBB. Während PAG-Grenzen in CBB die Ermüdungsrisse erfolgreich ablenken, schwächen MA-Inseln und instabile austenitische Bestandteile in CFB diese Grenzen, was zu intergranularen Brüchen durch das spröde Netzwerk oder zu Rissen führt, die PAG-Grenzen ohne Ablenkung durchschneiden. Duktile Bruchcharakteristik wird hingegen beobachtet, wenn der Riss durch ein PAG läuft, anstatt einen Spaltbruch zu initiieren, was den Einfluss einer niedrigeren Deformationsrate im Vergleich zu Kerbschlagversuchen verdeutlicht.

Developing steel products with enhanced properties is crucial for extending the lifespan and reliability of engineering components. Beyond engineering performance, this additionally contributes to environmental sustainability by improving the circularity of the steel industry. To fulfill these requirements, bainitic steels have attracted considerable research attention due to their promising mechanical properties achieved with cost-effective alloying strategies. Modifications in chemical composition and processing parameters result in significant changes to the resulting bainitic microstructure, which in turn impacts the mechanical performance. Although quasi-static tensile properties are commonly used to evaluate the bainitic steels, they do not fully reflect the mechanical performance under service-relevant conditions. Therefore, it is essential to assess the mechanical behavior under different loading conditions. However, due to the complex and multiphase nature of the bainitic microstructure, which may include carbides, retained austenite (γR), and potential martensitic regions as secondary phases, establishing clear correlations remains a major challenge. To address these challenges, the bainitic phase transformation and microstructure evolution were investigated in a Fe–0.2C–2.5Mn base-alloy as a function of heat treatment parameters and Si and Al alloying, which are key alloying elements in suppressing carbide formation to generate carbide-free bainite (CFB). The overall phase transformation behavior was characterized through continuous-cooling-transformation (CCT) and time-temperature-transformation (TTT) diagrams, determined using dilatometry. The effect of isothermal transformation temperature on the quasi-static tensile properties and high-cycle fatigue (HCF) performance of CFB and carbide-bearing bainite (CBB) was comparatively evaluated. Furthermore, the mechanical response under different loading scenarios was investigated. The complex role of microstructural constituents, particularly γR and martensite-austenite (MA) islands, in governing fatigue crack resistance, impact toughness, and fracture mechanisms was analyzed. Throughout the study, the relationship between the resulting microstructures and mechanical performance was established using a wide range of characterization methods, including scanning electron microscopy (SEM), electron backscatter diffraction (EBSD), and Synchrotron X-Ray diffraction (SYXRD). The results show that Al substantially increases the martensite start temperature (Ms) and strongly promotes the ferritic constituents compared to Si. With Al alloying, Widmanstätten ferrite forms during continuous cooling induced by high cooling rates and large prior austenite grain (PAG) size. Si addition slows bainite transformation by stabilizing austenite through carbon enrichment and solid solution strengthening. While Al exhibits similar effects, it shortens the incubation time during isothermal heat treatment due to increased driving force for bainite transformation, overcompensating for the retardation effects. Al alloying results in achieving a finer CFB microstructure with pronounced film-like γR with enhanced carbon enrichment, leading to improved γR stability and suppressed MA island formation. CFB demonstrates superior quasi-static tensile properties compared to CBB, mainly due to the gradual transformation of γR to martensite under uniaxial tension. Lowering the transformation temperature leads to a finer distribution of carbides in CBB and a more refined CFB microstructure, characterized by pronounced film-like γR morphology and reduced MA island fraction. These microstructural modifications obtained at lower temperatures contribute to improved mechanical performance in both bainite groups. On the other hand, the fracture behavior of CFB is significantly affected by the presence of MA islands and unstable γR at PAG boundaries, particularly under localized deformation, as observed in Charpy impact and bending fatigue tests. While CBB exhibits substantially higher impact toughness with clear ductile characteristics in the fracture surface, CFB shows a tendency for brittle failure. This is primarily due to the abrupt transformation of unstable γR and the brittle nature of MA islands, which either lead to intergranular fracture through the formation of a brittle network along the PAG boundaries or to cleavage fracture initiated by rapid debonding at high deformation rates. Moreover, despite a significantly higher fatigue limit of CFB, which is consistent with its enhanced quasi-static tensile properties, it shows a higher fatigue crack propagation rate and lower threshold of stress intensity range (ΔKth) than CBB. While PAGBs in CBB successfully deflect the fatigue cracks, MA islands, and unstable austenitic constituents in CFB weaken these boundaries, resulting in intergranular fractures through the brittle network or cracks that cut PAGBs without deflection. However, ductile fracture behavior is observed when the crack goes through a PAG instead of cleavage fracture, highlighting the influence of a lower deformation rate compared to Charpy impact tests.

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