Evidence and effects of heterogeneities in complex phase and dual phase steels

Chang, Yuling; Bleck, Wolfgang; Mayer, Joachim

doi:40959

Evidence and effects of heterogeneities in complex phase and dual phase steels

Chang, Yuling

2021 & 2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Yuling Chang, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022

Genehmigende Fakultät
Fak05

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-12-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-00172
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/837911/files/837911.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
advanced high-strength steels (frei) ; heterogeneous microstructure (frei) ; local formability (frei) ; nanoindentation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Heterogene Werkstoffe werden im Alltag in großem Umfang eingesetzt. Ein typisches Beispiel dafür sind hochfeste Stähle (AHSS), die normalerweise aus verschiedenen Anteilen mit unterschiedlichen Eigenschaften bestehen und damit eine verbesserte Kombination aus Festigkeit und Duktilität erhalten. Eine umfassende und vollständige Beschreibung der Heterogenität in AHSS ist jedoch zurzeit nicht vorhanden. Im Rahmen dieser Studie werden die Zusammenhänge zwischen der Heterogenität von der Zusammensetzung, den Mikrogefügen und den Eigenschaften mithilfe vier industrieller Dualphasen- (DP) und Komplexphasen-Stähle (CP) untersucht. Eine korrelative Vorgehensweise, die verschiedene Elektronenmikroskope und Nanoindentation kombiniert, wird entwickelt und verwendet, um die Heterogenität in der Mikrostruktur zu identifizieren und zu charakterisieren. Die Ergebnisse zeigen, dass Mn abwechselnd angereichert und abgereichert in Bändern parallel zur Walzrichtung vorliegt, während die lokale C-Konzentration eng mit der räumlichen Phasenverteilung verbunden ist. Der Vergleich zwischen DP800 und CP800, die aus demselben Gussstück hergestellt aber zu dem Zweck der Erbringung von Variationen in der lokalen Gefügebildung im interkritischen Glühregime abweichend wärmebehandelt wurden, zeigt, dass die Segregation von Mn die Phasenumwandlung und die C-Verteilung während des ganzen Herstellungsprozesses beeinflusst. In DP800 war die Heterogenität der C-Verteilung ausgeprägter und Martensit vererbte aus der Mn-Bänderung aufgrund der niedrigeren interkritischen Glühtemperatur, die zu einem geringeren Anteil an Austenit und einer intensiven C-Verteilung führte. Andererseits wurde der CP800 in einer erhöhten interkritischen Glühtemperatur wärmebehandelt und wies eine homogenere C-Verteilung auf, was schließlich zu einer homogeneren Verteilung des Martensits führte. Neben ihrer unterschiedlichen Verteilung in den vorliegenden Phasen sind C und Mn in einigen einzelnen Körnern/Flächen heterogen verteilt, was zu einer Variation der lokalen Eigenschaften führt. Die Härteverteilungen der untersuchten Materialien wurden durch Nanoindentation charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die konventionelle Härtedifferenz zwischen verschiedenen Phasen nicht mehr verwendbar ist, um die heterogenen Mikrostrukturen mit der Dehnbarkeit (stretch-flangeability) der Werkstoffe zu korrelieren. Aus diesem Grund wird eine neue Vorgehensweise entwickelt, die die Shannon-Entropie der Härteverteilung mit der Ausbreitung der lokalen Härte in Bezug auf die Mikrostruktur kombiniert. Mit dieser Vorgehensweise werden die Mikrostruktur und die Härteheterogenität erfolgreich mit der lokalen Verformbarkeit des Materials korreliert. Die vorliegende Arbeit bietet neue Perspektiven, die heterogene Mikrostruktur zu verstehen und hoffentlich das Materialdesign für die gewünschten Eigenschaften durch die Fabrikation der Heterogenität in der Mikrostruktur zu begünstigen.

Heterogeneous materials are extensively used in daily life. As a typical example of heterogeneous materials, advanced high-strength steels (AHSS) normally consist of various constituents with distinct properties to achieve enhanced combination of strength and ductility. However, a comprehensive description of heterogeneities in AHSS is currently absent. In this study, the correlation among the compositional, microstructural and property heterogeneities is explored by employing four commercial grade dual-phase (DP) and complex-phase (CP) steels. A correlative characterization approach combining various electron microscopic techniques and nanoindentation is developed and utilized to characterize these heterogeneities. Based on the results, Mn is alternately enriched and depleted in bands parallel to the rolling direction, while the local C content is closely associated with the spatial phase distribution. The comparison between DP800 and CP800, which were fabricated from the same cast but differently heat treated in the intercritical annealing regime indicates Mn segregation impacts the phase transformation and C distribution throughout the whole manufacturing process. In DP800, the heterogeneity of C distribution was more pronounced and martensite inherited from the Mn banding due to the lower intercritical annealing temperature, which led to the smaller fraction of austenite and intensive C partitioning. On the other hand, CP800, heat treated at higher intercritical annealing temperature, exhibited a more homogenous C distribution and resulted in a more homogenous distribution of martensite. The Mn segregation bands and their impact on martensite morphology and location is reflected by the local hardness distribution. In addition to their varying partitioning in present phases, C and Mn distribute heterogeneously in some individual grains/area, which cause variation in local properties. The hardness distributions of investigated materials were characterized through nanoindentation. The results indicate the conventional hardness difference between phases is not applicable to correlate the heterogeneous microstructure with the stretch-flangeability of the material. Therefore, a new approach combining the Shannon entropy of hardness distribution and spread of local hardness with respect to microstructure is developed, which successfully links the microstructure and hardness heterogeneity with material’s local formability. The present work deepens and expands the current understanding and knowledge of the heterogeneous microstructure and hopefully the derived conclusions provide guideline for future material design by fabricating the heterogeneities of microstructure to achieve desired properties.

OpenAccess:
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