Materials design of high nitrogen manganese austenitic stainless TWIP steels for strip casting

Mosecker, Linda; Bleck, Wolfgang; Mayer, Joachim

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-053366

Materials design of high nitrogen manganese austenitic stainless TWIP steels for strip casting = Entwicklung austenitischer Fe-Cr-Mn-N TWIP Stähle für das Bandgießen

Mosecker, Linda

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Ing. Linda Mosecker

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online Ressource (91 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Bleck, Wolfgang (Thesis advisor) ; Mayer, Joachim (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-04-22

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-053366
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/660383/files/660382.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/660383/files/660382.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
stacking fault energy (frei) ; interfacial energy (frei) ; nitrogen (frei) ; austenitic stainless steels (frei) ; strip casting (frei) ; twinning (frei) ; strain hardening (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Austenitische hoch-stickstofflegierte TWIP Stähle weisen attraktive mechanische Eigenschaften und ein exzellentes Verfestigungsverhalten auf. Die konventionelle schmelzmetallurgische Herstellung stickstofflegierter Stähle erfolgt in der Regel im Vakuum unter hohen Drücken, um eine hinreichende Löslichkeit von Stickstoff in der Schmelze zu realisieren. Das Dünnbandgießen stellt dabei eine vielversprechende Alternative dar, mit der neben einer drastischen Verkürzung der Prozessroute auch ein Legieren mit Stickstoff bei Atmosphärendruck möglich ist. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode für das Legierungsdesign austenitischer Fe-Cr-Mn-N Stähle zur Herstellung über das Dünnbandgießen vorgestellt. Auf Basis thermodynamischer Berechnungen der Gibbs Energie (ΔGγ→ε) und Stapelfehlerenergie (SFE) unter Verwendung der CALPHAD Methode wurde ein Model zur Vorhersage und kontrollierten Einstellung der thermischen und mechanischen Phasenstabilität entwickelt. Eine variable, legierungsabhängige Grenzflächenenergie, ϭγ/ε, wird definiert und der Einfluss von Wechselwirkungsparametern höherer Ordnung sowie die Berücksichtigung eines Dehnungsenergie Terms auf die SFE diskutiert. Fe-Cr-Mn-N Legierungen mit nomineller chemischen Zusammensetzung im Bereich von 13-14 Gew.% Cr, 20-26 Gew.% Mn und 0.4-0.6 Gew.% N wurden über Bandgießen im Labor- und Industriemaßstab hergestellt. Die Stickstofflöslichkeit in der Schmelze und die Phasenstabilität während der Erstarrung bei Umgebungsdruck wird mithilfe thermodynamischer Modelle als Funktion des Chrom-Mangan Gehaltes berechnet. Die Charakterisierung der Gefüge im Guss- und kaltgewalzten/ rekristallisierten Zustand der Bleche hinsichtlich des sekundären Dendritenarmabstandes und der Korngrößen-Verteilung erfolgt mittels Lichtmikroskopie und Elektronenstrahlmikroanalyse. Die Analysen der Phasenverteilung und Verformungsmikrostrukturen in Bezug auf den Charakter und die Lage von Korn- und Subkorngrenzen, die Verteilung von Körnern mit unterschiedlicher Orientierung und lokale Dehnungsunterschiede erfolgen mittels Röntgenbeugungsanalyse und Elektronenrückstreu-Beugung. Die Verformungsmechanismen und mechanischen Eigenschaften der untersuchten Fe-Cr-Mn-N Stähle werden in Anhängigkeit von der Temperatur, der SFE und Nahordnungsphänomenen (SRO) diskutiert. Die Unterschiede im Verfestigungsverhalten der Bleche im guss- und kaltgewalzten/rekristallisierten Zustand wird anhand der Korngröße, Dichte und Verteilung von Versetzungssubstrukturen und der kritischen Spannung für den Beginn der Zwillingsbildung erörtert. Das Fließverhalten im quasistatischen Zugversuch für den untersuchten Temperaturbereich zwischen -150 to 250°C ist homogen; Instabilitäten in der Fließkurve treten nicht auf. Die Absenz der Reckalterung wird auf die Art der Nahordnung und die daraus resultierende Aktivierungsenergie der Neuorientierung der Punktdefekte zurückgeführt. Die SFE der untersuchten Stähle bei Raumtemperatur wird zwischen 24-31 mJ/m² benannt und die mechanische Zwillingsbildung als dominanter sekundärer Verformungsmechanismus definiert. Daraus resultiert eine hohe Verfestigungsrate und Verformbarkeit der Materialien. Das Auftreten von mechanischer Zwillingsbildung im hohen Temperaturbereich um 250°C wird mit dem Einfluss von Stickstoff auf die Versetzungsbildung und -anordnung sowie auf die Wahrscheinlichkeit der Ausbildung von Cr-N SRO erklärt. Es wird angenommen, dass mit zunehmendem Gehalt an gelöstem Stickstoff der Einfluss der SFE auf die Aktivität und den Charakter der Verformungszwillinge geringer ist. Die Temperatursensitivität der Streckgrenze im thermischen und athermischen Temperaturbereich nimmt mit höherem Stickstoff Gehalt zu. Im Vergleich zu konventionellen hoch Mangan TWIP Stählen, zeichnen sich die untersuchten hochstickstofflegieren Fe-Cr-Mn Stähle durch außergewöhnlich hohe Fließspannungen und ein hervorragendes Verfestigungsvermögen mit Streckgrenzen bis zu 660 MPa und Dehnungen bis 47 % aus; was diese Stähle außerordentlich attraktiv für ein breites Anwendungsspektrum im Automobilbereich macht.

High nitrogen manganese austenitic stainless TWIP steels achieve attractive mechanical properties and excellent strain hardening behavior. However, high nitrogen steel melting methods are generally associated with high pressures to enhance the nitrogen solubility in the melt. Thin strip casting offers an attractive option that not only shortens the process route but also allows the alloying with nitrogen at atmospheric pressure. In the present work, the materials design of austenitic Fe-Cr-Mn-N steels for the production by strip casting is presented. A thermodynamics based model using CALPHAD method was developed to predict and control the thermal and mechanical stability of the austenitic phase by calculating the Gibbs free energy change (ΔGγ→ε) and the stacking fault energy (SFE). The application of a non-constant composition-dependent interfacial energy, ϭγ/ε, is introduced and the effect of higher ordered interaction parameter and strain energy term on SFE is discussed. Fe-Cr-Mn-N alloys with nominal chemical composition in the range of 13-14 wt.% Cr, 20-26 wt.% Mn and 0.4-0.6 wt.% N were melted and processed by strip casting in laboratory and industrial scale. The solubility of nitrogen in the melt and the phase stability during solidification at atmospheric pressure are predicted by thermodynamic model calculations as function of balanced chromium to manganese concentration. The as-cast and cold-rolled microstructure is characterized by light optical microscopy and electron probe microanalysis to analyze the secondary dendrite arm spacing, grain size distribution and microstructure segregation. The phase distribution and deformation substructures with respect to character and location of grain and sub-grain boundaries, distribution of grain orientation and local variations in residual strain are determined by X-ray diffraction and electron back-scatter diffraction. The deformation mechanisms and mechanical properties of the investigated Fe-Cr-Mn-N alloys are discussed to depend on temperature, SFE and ordered microstructural phenomena like short range ordering (SRO). Differences in the strain hardening behavior of the as-cast and cold-rolled/recrystallized strip material are explained by the change in grain size, differences in the density and distribution of the dislocation substructure and the critical stress for the onset of deformation twinning. The flow behavior is homogenous and no serrations in the flow stress occur during tensile deformation in the temperature range from -150 to 250°C. The absence of dynamic strain aging is attributed to the type of SRO and the activation energy for reorientation of the point defects, rather than the SFE. The RT SFE of the examined steels is determined between 24-31 mJ/m² which defines mechanical twinning as the dominant secondary deformation mechanism, resulting in high work hardening rate and formability. The occurrence of high temperature deformation twinning at 250°C is explained by the effect of nitrogen on the dislocation arrangements and the probability of Cr-N SRO. It is assumed that with increasing the interstitial nitrogen content the effect of SFE on the activity and character of mechanical twinning becomes less dominant, and the temperature sensitivity of the yield strength within the thermal and athermal temperature range increases. In comparison to conventional high-Mn TWIP steels, the investigated high nitrogen Fe-Cr-Mn alloys exhibit extra-ordinary high flow stress and strain hardening behavior, with YS up to 660 MPa and total elongation A50 of 47 %, meeting the requirements for application in automobile industry.

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