Investigation of local chemistry, orientation relationship and mechanical properties in martensitic Fe-Ni-C-(Si) steels

Seehaus, Mattis; Springer, Hauke Joachim; Korte-Kerzel, Sandra

doi:10.18154/RWTH-2024-01868

Investigation of local chemistry, orientation relationship and mechanical properties in martensitic Fe-Ni-C-(Si) steels

Seehaus, Mattis^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Mattis Seehaus, M.Sc. RWTH

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Korte-Kerzel, Sandra (Thesis advisor)^RWTH* ; Springer, Hauke Joachim (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-02-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-01868
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/979824/files/979824.pdf

Einrichtungen

Projekte

DFG project 406912286 - Atomare Umverteilung von Kohlenstoff während der Austenit-Martensit-Umwandlung in Stählen (406912286) (406912286)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In Stählen ist die martensitische Phasenumwandlung eine der bekanntesten Umwandlungen aufgrund ihres Beitrags in der Entwicklung der modernen Stahlindustrie. Diese findet von einer kubisch-flächenzentrierten Hochtemperaturphase, dem Austenit, in eine metastabile kubisch-raumzentrierte Niedrigtemperaturphase, den Martensit, statt. Insbesondere in der industriellen Verarbeitung von Stählen ist die martensitische Phasenumwandlung von entscheidender Bedeutung, da die Festigkeit des Werkstoffs davondeterminiert wird. Trotz zahlreicher Studien sind die detaillierten Vorgänge während dieser Phasenumwandlung und jeweilige Orientierungsbeziehungen zwischen den Phasen jedoch noch nicht vollends verstanden. Zu Beginn der Arbeit wird der Einfluss von Silizium auf die Kohlenstoffumverteilung in martensitischen Stählen bei einer Alterungszeit von 2 Jahren untersucht. Dabei wurden Proben zur Hälfte in flüssigem Stickstoff abgeschreckt, um die Orientierungsbeziehung zwischen Austenit und Martensit nach der Martensitumwandlung noch untersuchen zu können. Im Vergleich der beiden Legierungen Fe-24wt%Ni-0.4wt%C und Fe-24wt%Ni-0.4wt%C-2wt%Si führte der Siliziumeinfluss zu kleineren, initialen Austenitkörnern und demzufolge auch kleineren Martensitlamellen, hatte aber keine größere Auswirkung auf das c/a-Verhältnis des Martensitgitters. Bei den Ergebnissen der Atomsondentomographie zeigte sich ein unterschiedliches Segregationsverhalten im Grenzphasengebiet zwischen Austenit und Martensit. In der Legierung ohne Silizium reicherte sich Eisen im Martensit leicht an, während Nickel und Kohlenstoff abnahmen. Dieser Trend zeigte sich hingegen in der Legierung mit Silizium nicht, wo lediglich innerhalb des Grenzphasengebietseine Zunahme von Kohlenstoff und Nickel bzw. ein sigmoidales Verhalten von Siliziumbeobachtet werden konnten. In Korrelation mit transmissionselektronmikroskopischen Aufnahmen zeigte sich, dass sich Kohlenstoff-Cluster entlang feiner {112}<111> Zwillingsgrenzenim Martensit ausgebildet haben. Die Determinierung der vorherrschenden Orientierungsbeziehung zwischen Martensit und Austenit wurde anhand von Elektronenrückstreubugungsaufnahmen ermittelt. Dazu wurde ein auf der MTEX toolbox basierender Matlab Code entwickelt, der verschiedene Untersuchungsmodi bietet. In transmissionselektronenmikroskopischen Untersuchungen können nur einzelne, individuelle Orientierungsbeziehungen analysiert werden, wohingegen mit Elektronenrückstreubugungsaufnahmen statistische Messungen an einer Vielzahl an Körnern möglich sind. Im Vergleich der resultierenden Polfiguren und auf Basis von theoretisch erzeugten Polfiguren bereits gefundener Orientierungsbeziehungenaus der Literatur konnte sowohl durch einen Bildvergleichsalgorithmus als auch Rotationswinkelabweichung und Misorientierungswinkelverteilung die Hauptorientierungsbeziehung zu Greninger-Troiano festgestellt werden. Des Weiteren wird ein zweistufiger Optimierungsprozess für die Abschätzung des Einkristallsteifigkeitstensors aus dem Eindringmodul vorgestellt, was durch eine korrelative, multiskalige Analyse möglich gemacht wurde, die Ergebnisse auf Basis von firstprinciple Berechnungen und Nanoindentationsexperimenten mit Charakterisierungsmethoden,wie SEM, EDS oder EBSD kombiniert. Die Möglichkeiten und Grenzen wurden dabei anhand von rein austenitischem FeNiC-Stahl und einem mehrphasigen Seymchan Meteoriten untersucht. Es konnte hierbei gezeigt werden, dass die Vorhersage deswinkelabhängigen Elastizitätsmoduls auf der Basis von entweder direkt DFT-simulierten oder experimentell ermittelten Steifigkeitstensoren möglich ist, sowie unterschiedliche Phasenbereiche in einem korrelierten Indentationsmodul-Härte-Orientierungs-Diagrammbeobachtet werden konnten.

In steels, martensitic phase transformation is one of the best known transformations due to its contribution in the development of the modern steel industry. It takes place from a face-centred cubic high-temperature phase, austenite, to a metastable body-centred cubiclow-temperature phase, martensite. Especially in the industrial processing of steels, the martensitic phase transformation is of crucial importance, as it determines the strength of the material. Despite numerous investigations, the detailed processes during this phase transformation and the respective orientation relationships between the phases are not yet fully understood. In this work, the influence of silicon (Si) on the carbon (C) redistribution in martensitic steels at an ageing time of 2 years is investigated. One half of each sample was quenched in liquid nitrogen in order to be able to investigate the orientation relationship between austenite and martensite after the martensitic transformation. In comparison of the two alloys Fe-24wt%Ni-0.4wt%C and Fe-24wt%Ni-0.4wt%C-2wt%Si, the Si influence led to smaller initial austenite grains and consequently smaller martensite lenses, but had no major effect on the c/a ratio of the martensite lattice. The results of the atom probetomography (APT) showed a different segregation behaviour within the interface region between austenite and martensite. In the alloy without silicon, iron (Fe) enriched slightly in the martensite, while nickel (Ni) and C depleted. This trend was not observed in the alloy with Si, where only an increase of C and Ni and a sigmoidal behaviour of silicon could be observed within the interfacial region. Correlation with transmission electron micrographs showed that carbon clusters formed along fine {112}<111> twin boundaries in the martensite. The determination of the predominant orientation relationship between martensite and austenite was identified using electron backscatter diffraction patterns. For this purpose, a Matlab code based on the MTEX toolbox was developed, which offers different modes of investigation. In transmission electron microscopy, only single, individual orientation relationships (ORs) can be analysed, whereas electron backscatter diffraction (EBSD) images allow statistical measurements on a large number of grains. In comparison of the resulting pole figures (PFs) and on the basis of theoretically generated PFs of ORs discovered in the literature, the main OR could be identified as Greninger-Troiano (GT) by means of an image comparison algorithm as well as rotation angle deviation and misorientation angle distribution. Furthermore, a two-step optimisation process for the estimation of the single crystal stiffness tensor from the indentation modulus is presented, achieved by a correlative multiscale analysis combining results based on first-principle calculations and nanoindentation experiments with characterisation methods such as SEM, EDS or EBSD. The possibilities and limitations were investigated using pure austenitic FeNiC steel and a multiphase Seymchan meteorite. It was shown that the prediction of the anglular dependent elastic modulus is possible on the basis of either directly DFT-simulated or experimentally determined stiffness tensors, and that different phase regions could be distinguished in a correlated indentation modulus-hardness orientation plot.

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