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Properties and heat treatments of air-hardening ductile forging steels = Eigenschaften und Wärmebehandlung von lufthärtenden duktilen Schmiedestählen

Gramlich, Alexander Roald Michael^RWTH*

2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Alexander Roald Michael Gramlich, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Bleck, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH* ; Zoch, Hans-Werner (Thesis advisor) ; Krupp, Ulrich (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-05-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-08817
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/853413/files/853413.pdf

Einrichtungen

1. Lehrstuhl für Werkstofftechnik der Metalle und Institut für Eisenhüttenkunde (522110)
2. Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (520000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
forging (frei) ; heat treatments (frei) ; medium manganese steels (frei) ; steel (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Lufthärtende duktile Schmiedestähle (LHD) sind eine kürzlich entwickelte Werkstoffklasse, welche die mechanischen Eigenschaften von Vergütungsstählen mit einer kosteneffizienten Prozessierung nach dem Schmieden verbinden. Durch die verkürzte Prozesskette weisen diese Stähle ein enormes Kosten- sowie Energie-Einsparpotential auf, jedoch verhinderte die unzureichende Kerbschlagarbeit bisher die industrielle Anwendung. Das Ziel dieser Studie ist die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von LHD-Stählen mit besonderem Augenmerk auf der Kerbschlagzähigkeit und einer Betrachtung der zyklischen Festigkeit. Im Rahmen dieser Arbeit wurden unterschiedliche Legierungskonzepte sowie eine zusätzliche Wärmebehandlung nach dem Lufthärten zur Erhöhung der Kerbschlagarbeit erarbeitet und im Labormaßstab überprüft. Unterschiedliche Konzentrationen an Bor, Molybdän, Titan, Vanadium und Aluminium wurden zu einer Fe-4Mn-0,5Si-0,17C-0,035Nb-Basislegierunghinzugefügt. Das Legierungsdesign sowie die Bestimmung der Wärmebehandlungsparameter wurden durch thermodynamische Gleichgewichtsberechnungen unterstützt. Ein besonderer Fokus lag auf der Verhinderung der Manganversprödung durch die Zugabe von Bor und Molybdän, sowie der Bildung von feinen Austenitkörnern während einer interkritischen Wärmebehandlung. Die resultierenden Mikrostrukturen sowie mechanischen Eigenschaften der sechs Legierungen wurden durch ein breites Spektrum an Charakterisierungsmethoden untersucht, unter anderem hochauflösenden Methoden wie Atomsonden-Tomographie und Synchrotron-Röntgenbeugung. Es konnte aufgezeigt werden, dass die Zugabe von Bor und Molybdän die Kerbschlagarbeit erhöht, wobei die Effektivität der einzelnen Elemente je nach Wärmebehandlungszustand unterschiedlich ist. Auch durch das Einbringen einer globularen, metastabilen Austenitphase konnte die Kerbschlagarbeit deutlich gesteigert werden. Im luftgehärteten Zustand erweist sich eine Zugabe von Aluminium und ein hieraus resultierendes in-situ Anlassen während der Luftabkühlung als effektivstes Mittel. Zusätzlich weisen die entwickelten Werkstoffe eine deutlich höhere zyklische Festigkeit als die untersuchten Referenzwerkstoffe auf, was vorwiegend auf die Ausscheidungsmorphologie der unterschiedlichen Werkstoffe zurückzuführen ist. Zur Verbesserung der Prozessauslegung wurden zusätzlich neue empirische Formeln zur Berechnung der Martensit-Start-Temperatur (Ms) und der kritischen Abkühlgeschwindigkeit auf einer breiten Datenbasis ermittelt, da die bisher verfügbaren Formeln nur unzureichend anwendbar sind. Im Gegensatz zu den bestehenden Gleichungen, basieren die neue Formeln auf Daten von hochlegierten Stählen mit Mangankonzentrationen bis zu 10 % und berücksichtigen die Zugabe von Bor. Der vielversprechendste Werkstoff erreicht im luftgehärteten Zustand eine Streckgrenze von 930 MPa, eine Zugfestigkeit von 1340 MPa, eine Gleichmaßdehnung von 4,1 % sowie Kerbschlagarbeiten von 49 J. Im Vergleich zum Referenzwerkstoff 42CrMo4 (im angelassenen Zustand) konnte die zyklische Festigkeit um 47 % erhöht werden. Somit bieten die LHD-Stähle über eine kombinierte Werkstoff-, Prozess- und Geometrie-Optimierung die Möglichkeit, Energie und CO2-Emissionen sowohl durch eine verkürzte Wärmebehandlung als auch durch Leichtbauoptimierung der Komponenten zu erzielen.

Air-hardening ductile (AHD) forging steels are a recently developed class of materials that combine the mechanical properties of quenched and tempered steels with cost-efficient processing after forging. Due to the shortened process chain, these steels show an enormous cost and energy saving potential, but the insufficient impact toughness has prevented their industrial application so far. The aim of this study is to improve the mechanical properties of AHD steels with a special focus on the impact toughness, while the cyclic strength is alsoconsidered. Within this scope, different alloying concepts as well as post-quenching heat treatments which increase the impact toughness were developed and tested on a laboratory scale. Different concentrations of boron, molybdenum, titanium, vanadium and aluminium where added to a Fe-4Mn-0.5Si-0.17C-0.035Nb base alloy. The alloy design and the determination of the heat treatment parameters were accompanied by thermodynamic equilibrium calculations. A particular focus was set on the prevention of manganese embrittlement by adding boron and molybdenum, as well as the formation of fine austenite grains during intercritical heat treatment. The resulting microstructures and mechanical properties of the six alloys were investigated by a wide range of characterization methods, including high-resolution methodologies such as atom probe tomography and synchrotron X-ray diffraction. It was shown that the addition of boron and molybdenum increased the impact toughness, although the effectiveness of each element varied depending on the heat treatment conditions. The impact toughness was furthermore significantly increased by the introduction of a globular metastable austenitic phase. In the air-hardened condition, an addition of aluminium and the resulting in-situ tempering during the air-cooling proved to be the most effective strategy. In addition, the developed materials exhibit a significantly higher cyclic strength than the reference materials investigated, which is mainly due to the precipitation morphology of the different materials. In order to improve the process design, new empirical formulae for calculating the martensite start temperature (Ms) and the critical cooling rate were also determined on the basis of a comprehensive data analysis. Contrary to the existing ones, the new formulae are based on data from high alloyed steels with manganese concentrations up to 10 % and the boron concentration is considered. The most promising material achieves a yield strength of 930 MPa, a tensile strength of 1340 MPa, a uniform elongation of 4.1 %, and an impact toughness of 49 J in the air-hardened condition. Compared to the reference material 42CrMo4 (tempered condition), the cyclic strength was increased by 47 %. Thus, via a combined material, process and geometry optimization, the AHD steels offer the possibility to save energy and CO2 emission both by shortening the heat treatment and by lightweighting the components.

OpenAccess:
PDF
(additional files)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT021574792

Interne Identnummern
RWTH-2022-08817
Datensatz-ID: 853413

Beteiligte Länder
Germany