Understanding and improving thermodynamic stability of austenite in low carbon carbide free bainitic steels via ausforming process

Kumnorkaew, Theerawat; Lian, Junhe; Bleck, Wolfgang

doi:HT021744122

Understanding and improving thermodynamic stability of austenite in low carbon carbide free bainitic steels via ausforming process = Verständnis und Verbesserung der thermodynamischen Stabilität von Austenit in kohlenstoffarmen karbidfreien bainitischen Stählen durch Ausformungsprozess

Kumnorkaew, Theerawat^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Theerawat Kumnorkaew, Master of Engineering

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Bleck, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH* ; Lian, Junhe (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-02-22

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-02072
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/951588/files/951588.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
TRIP effect (frei) ; ausforming (frei) ; carbide free bainitic steels (frei) ; phase transformation (frei) ; retained austenite (frei) ; thermodynamic stability of austenite (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Karbidfreier bainitischer (CFB) Stahl hat sich aufgrund seiner hervorragenden Ausgewogenheit der mechanischen Eigenschaften zu einer neuen Vorreiterrolle bei den neuen hochfesten Stählen (Advanced High Strength Steels AHSS) entwickelt. Aufgrund einer thermodynamischen Instabilität von Austenit in kohlenstoffarmen CFB-Stählen ist die Bildung von nur primärphasigem bainitischem Ferrit mit der Sekundärphase kohlenstoffangereicherter Restaustenit nicht praktikabel. Der bei hohen Temperaturen nicht umgewandelte Austenit könnte sich während des Abkühlvorgangs teilweise in frischen Martensit umwandeln, abhängig von der lokalen Kohlenstoffkonzentration im Austenit. Eine allgemeine Konsequenz ist, dass eine übermäßige Bildung von frischem Martensit trotz der erhöhten Festigkeit des Stahls die Duktilität verschlechtern kann. Daher war die Kontrolle der thermodynamischen Stabilität von Austenit neben der Erhöhung des mittleren Kohlenstoffgehalts und der Legierungsmodifikation ein herausforderndes Problem bei der Entwicklung von karbidfreien bainitischen (CFB) Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt. Ausforming als thermomechanischer Wärmebehandlungsprozess wird angewendet, um die Bildung von frischem Martensit zu beeinträchtigen und den Phasenbestandteil der Stähle auszugleichen. Dieser Prozess kombiniert die plastische Verformung des nicht umgewandelten Austenits mit dem konventionellen Prozess der isothermen Wärmebehandlung. Parameter des Ausforming, wie Verformungstemperatur, Dehnung und Dehnungsrate, sind von erheblicher Bedeutung beim Definieren geeigneter Bedingungen für wünschenswerte Mikrostrukturen und mechanische Eigenschaften. Die Korrelation der Ausforming-Bedingungen mit dem kinetischen Verhalten bei der isothermen bainitischen Umwandlung und mit den Faktoren, die der Martensit-Umwandlung, der Härte und den Zugeigenschaften innewohnen, wurde ermittelt. Basierend auf der Keimbildungsratentheorie wurde ein einheitliches physikalisches Modell entwickelt, um ein besseres Verständnis dafür zu liefern, wie das Ausforming die Variationen der Aktivierungsenergie, der entsprechenden Antriebsenergie und der Entwicklung der Kohlenstoffanreicherung in Austenit beeinflusst. Darüber hinaus wurde der Einfluss der chemischen Zusammensetzungen analysiert, um eine Begrenzung des Ausforming in Bezug auf die Verformungsspannung bei der Verbesserung der thermodynamischen Stabilität von Austenit gegen die Bildung von frischem Martensit aufzuzeigen. Durchgehend wird in der gesamten Dissertation eine systematische Untersuchung der heterogenen Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften vorgenommen, um mittels Ausforming die Entwicklung neuer hochfester Stähle mit verbesserter Festigkeit und Duktilität zu ermöglichen.

Carbide-free bainitic (CFB) steel has become a new forefront of advanced high-strength steels owing to their outstanding balance in mechanical properties. Due to a thermodynamic instability of austenite in low carbon CFB steels, formations of only primary phase bainitic ferrite and secondary carbon enriched retained austenite phase are impracticable. The untransformed austenite at high temperatures could partially transform into fresh martensite during cooling operation, depending on the local carbon concentration in the austenite. A general consequence is that an excessive formation of fresh martensite may deteriorate ductility, despite the enhanced strength of the steel. Thus, controlling the thermodynamic stability of austenite has been a challenging issue in developing low-carbon carbide-free bainitic (CFB) steels, besides increasing mean carbon content and chemical compositions. Ausforming as a thermomechanical heat treatment process is applied to compromise the formation of fresh martensite and to balance the phase constituent of the steels. This process combines plastic deformation of the untransformed austenite with the conventional process of isothermal heat treatment. Parameters of ausforming, such as deformation temperature, strain, and strain rate, are of significant importance in defining appropriate conditions for desirable microstructures and mechanical properties. The correlation between the ausforming conditions throughout the kinetics behavior of isothermal bainitic transformation, factors inherent in the martensite transformation, hardness, and tensile properties have been established. A unified physics-based model has been developed based on nucleation rate theory to provide a better understanding of how ausforming influences the variations of activation energy, corresponding driving energy, and the evolution of carbon enrichment in austenite. In addition, the impact of the chemical compositions has been conducted to reveal a limitation of ausforming with respect to the deformation strain on improving the thermodynamic stability of austenite against the formation of fresh martensite. Throughout the dissertation, a systematic investigation in heterogeneous microstructure and mechanical properties subjected to ausforming conditions allows for establishing advanced high-strength steels with reasonable hardness and improved strength and ductility.

OpenAccess:
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