Texture and microstructure evolution during deformation and annealing of high-manganese TWIP steels

Haase, Christian; Molodov, Dmitri A.; Bleck, Wolfgang

doi:HT018888858

Texture and microstructure evolution during deformation and annealing of high-manganese TWIP steels = Textur- und Mikrostrukturentwicklung in hochmanganhaltigen TWIP-Stählen während der Verformung und Wärmebehandlung

Haase, Christian

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Ing. Christian Haase aus Wolmirstedt

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (vi, 170 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Molodov, Dmitri A. (Thesis advisor) ; Bleck, Wolfgang (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-12-18

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-007345
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/567268/files/567268.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/567268/files/567268.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau (frei) ; texture (frei) ; microstructure (frei) ; mechanical properties (frei) ; TWIP (frei) ; steel (frei) ; experiments (frei) ; simulations (frei) ; recrystallization (frei) ; twinning (frei) ; rolling (frei) ; annealing (frei) ; ECAP (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Hochmanganhaltige Twinning-Induced Plasticity (engl. für durch mechanische Zwillingsbildung induzierte Plastizität) (TWIP)-Stähle haben in den letzten beiden Jahrzehnten weltweit sowohl das wissenschaftliche als auch das industrielle Interesse geweckt. Dieses Interesse begründet sich hauptsächlich durch die herausragenden mechanischen Eigenschaften dieser Materialien. Obwohl TWIP-Stähle durch ihre Eigenschaften als optimale Kandidaten für sicherheitsrelevante Strukturbauteile in Automobilen gelten, ist ihre bisherige Verwendung stark limitiert. Dies liegt vor allem an dem mangelnden Verständnis für die metallphysikalischen Prozesse in diesen Stählen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, zu einem besseren Verständnis für die zugrundeliegenden Mechanismen, die das Verformungs- und Wärmebehandlungsverhalten bestimmen, beizutragen. Hierzu wurden die Mikrostruktur- und Texturentwicklung von drei TWIP-Stählen mit geringer Stapelfehlerenergie (SFE) (25 mJ/m2 - 29 mJ/m2) analysiert und miteinander korreliert. Für die Untersuchung des Verformungsverhaltens wurden die verwendeten TWIP-Stähle zum einen kaltgewalzt und zum anderen mittels Equal-Channel Angular Pressing (ECAP) verformt. Hierbei wurden sowohl der Einfluss des Verformungsweges als auch der SFE betrachtet. Sowohl die kaltgewalzten als auch die mittels ECAP verformten Proben wurden einer anschließenden Wärmebehandlung unterzogen, um das Materialverhalten während der Glühung zu charakterisieren. Die eingestellten Mikrostrukturen wurden mit dem Verformungsverhalten korreliert. Die Mikrostruktur- und Texturcharakterisierung erfolge mit Hilfe von Lichtmikroskopie, REM/EBSD, TEM und Röntgenbeugung. Die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften erfolgte mittels einachsiger und mehrachsiger Verformungsversuche. Des Weiteren wurden Computersimulationen unter Verwendung von CP-FEM-, VPSC- und zellulären Automaten (CA)-Modellen genutzt, um die relevanten Mechanismen detailliert untersuchen und besser verstehen zu können.Während der Kaltwalzprozesse formte sich bei geringen Walzgraden (10%-20%) eine Kupfertextur mit den Texturkomponenten Cu, S und Messing. Bei Erhöhung des Umformgrades (30%-50%) durchlief die Texturentwicklung zunächst eine Übergangsphase bis sich bei hohen Walzgraden (60%-80%) eine Messingtextur mit den Haupttexturlagen Messing, Goss, CuT und S mit einer zusätzlichen γ-Faser ausbildete. Im Gegensatz dazu verursachten die starke plastische Scherverformung und die geänderte SFE während der Verformung mittels ECAP bei 300°C für 1-4 Durchgänge über Route BC eine stark abweichende Mikrostrukturentwicklung. Infolge geringerer Zwillingsbildung bei der ECAP-Verformung wurde eine Übergangstextur ausgebildet.Bei der anschließenden Wärmebehandlung wurden sowohl statische Erholung als auch diskontinuierliche Rekristallisation aktiviert. Die Rekristallisationstexturen des gewalzten und des über ECAP verformten Materials konnten als schwache Verformungstexturen identifiziert werden. Hierbei wurden die Verformungstexturkomponenten durch orientierte Keimbildung beibehalten und die Textur durch die Bildung von Rekristallisationszwillingen abgeschwächt. Der Einfluss von Mikrostrukturheterogenitäten, wie zum Beispiel heterogen verteilten Versetzungs- und Rekristallisationskeimdichten, wurden durch gekoppelte CP-FEM und CA Simulationsstudien analysiert. Aufgrund der Notwendigkeit, dass die Streckgrenze von TWIP-Stählen für deren praktische Anwendung erhöht werden muss, wurde eine Prozessroute bestehend aus Kaltwalzen und Erholungsglühung vorgeschlagen und auf zwei der verwendeten TWIP-Stähle angewendet. Um das Materialverhalten während dieser Prozesskette zu analysieren, wurden die resultierenden mechanischen Eigenschaften mit den bei der Wärmebehandlung ablaufenden metallphysikalischen Prozessen und den entscheidenden mikrostrukturellen Änderungen korreliert. Außerdem wurde eine neue Methode entwickelt, die es erlaubt die optimalen Verformungs- und Glühparameter mit Hilfe der Texturanalyse zuverlässig zu bestimmen. Aufbauend auf der vorgeschlagenen Prozessroute wurden das Potential und die Limitierungen von erholungsgeglühten TWIP-Stählen untersucht und diskutiert.

Due to their outstanding mechanical properties high-manganese TWinning-Induced Plasticity (TWIP) steels have gained high attention of the world-wide scientific and commercial steel community during the last two decades. Although TWIP steels are optimal candidates for structural automobile components, their implementation is still in its infancy owing to the limited understanding of the physical mechanisms of these materials. In order to contribute to a better understanding of the underlying mechanisms that determine the deformation and annealing behavior of TWIP steels, the microstructure and texture evolution was analyzed and correlated with each other in the current work. Three TWIP steels with low Stacking Fault Energy (SFE) values (25 mJ/m2 - 29 mJ/m2) were subjected to cold rolling and Equal-Channel Angular Pressing (ECAP) for analysis of the deformation behavior. In addition to changing the strain path, the SFE was also changed by increasing the deformation temperature during ECAP. Both the cold-rolled and the ECAP-deformed specimens were then heat treated in order to investigate the annealing behavior. The respective deformation and annealing microstructures were also correlated with the mechanical behavior of these alloys. The microstructures and textures were characterized experimentally by means of optical microscopy, SEM/EBSD, TEM, and X-ray diffraction, whereas the mechanical properties were analyzed using uniaxial and multi-axial deformation techniques. Furthermore, computer simulations in terms of the Crystal Plasticity Finite Element Method (CP-FEM), Visco-Plastic Self-Consistent (VPSC), and Cellular Automaton (CA) model were used to gain a deeper understanding of the mechanisms that determine the behavior of TWIP steels.During cold rolling in the range between 10% and 80% thickness reduction the deformation texture transformed from a Copper-type texture with the dominant Cu, S, and Brass texture components at low deformation degrees (10%-20%) over a transition stage (30%-50%) to a Brass-type texture that was dominated by the Brass, Goss, CuT, and S texture components and by an additional γ-fiber (60%-80%). By contrast, the deformation by ECAP at 300 °C for 1, 2, and 4 passes following route BC caused a strongly different microstructure due to the high imposed shear strain and due to the increased SFE resulting from the increased deformation temperature. As a consequence of less pronounced deformation twinning, a transition texture was formed during ECAP.Subsequent annealing of the cold-rolled and ECAP-deformed TWIP steels led to recovery and discontinuous recrystallization. The texture after recrystallization was found to be a weak retained deformation texture that formed due to oriented nucleation and recrystallization twinning. In order to analyze the influence of microstructure heterogeneities, such as heterogeneously distributed dislocation and nuclei densities, experimentally supported and coupled CP-FEM and CA simulations were performed. Based on the necessity for yield strength enhancement of TWIP steels, a processing route consisting of cold rolling and recovery annealing was suggested and applied to two of the TWIP steels. In order to understand the material behavior during this processing scheme, a correlation between the mechanical properties, the processes occurring during heat treatment, and the specific features of the microstructure after cold rolling and annealing was established. Furthermore, texture analysis was introduced as a new reliable method to determine the optimal cold rolling and annealing parameters for this processing approach. Finally, the potential and limitations of recovery-annealed TWIP steels were discussed.

OpenAccess:
PDF PDF (PDFA)
(additional files)