Modelling and characterization of deformation and damage mechanisms in high manganese alloyed steels

Madivala Venkateshappa, Manjunatha; Bleck, Wolfgang Peter (Thesis advisor); Prahl, Ulrich (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019, Kumulative Dissertation

Kurzfassung

Hochmanganhaltige TWIP-Stähle (Twinning Induced Plasticity) haben außergewöhnliche mechanische Eigenschaften wie Festigkeit und Duktilität, jedoch kommt es bei diesen Stählen zu abrupten Brüchen mit komplexen und bisher kaum bekannten Bruchmechanismen. Das mechanische Verhalten von TWIP-Stählen unter dynamischen Beanspruchungsbedingungen ist für ihre Anwendung in Hochleistungsstrukturbauteilen in der Automobilindustrie sehr wichtig. Daher wurde der Einfluss von Dehnungsgeschwindigkeit, Anisotropie und der adiabaten Erwärmung auf die mechanischen Eigenschaften durch quasistatische und dynamische Zugversuche, mit kombinierter lokaler Dehnungsmessung und Infrarot-Thermographie, untersucht. Damit war es möglich lokale Verformungstemperaturen und -Geschwindigkeiten zu quantifizieren. Zur Untersuchung des lokalen Verformungsverhaltens und des Versagens wurden einachsige Zugversuche in Verbindung mit einer digitalen Bildkorrelation durchgeführt. Unterbrochene Mikrozugversuchsproben wurden im Rasterelektronenmikroskop (SEM) mittels Elektronenrückstreubeugung (EBSD) analysiert, um die Entwicklung der Mikrostruktur, der Deformationsmechanismen und die Entwicklung von Mikrorissen mit zunehmender makroskopischer Dehnung zu untersuchen. Die Verformungsmechanismen von TWIP- Stählen hängen stark von ihrer chemischen Zusammensetzung, Mikrostruktur und Verformungstemperatur ab. Daher wurden in dieser Arbeit drei Legierungen mit unterschiedlichen Gehalten an C, Mn und Al mit Stapelfehlerenergien (SFE) von 24 mJ/m2, 27 mJ/m2 und 29 mJ/m2 detailliert untersucht. Untersucht wurden das Kaltverfestigungs- und Bruchverhalten des X60Mn22 TWIP-Stahl im Temperaturbereich von 123 K bis 773 K. Zugversuche wurden mit EBSD und Synchrotronröntgenbeugung (XRD) kombiniert, um die Entwicklung der Mikrostruktur während der Verformung zu untersuchen. Um das Auftreten des TWIP- oder TRIP-Effektes (TRansformation Induced Plasticity) und deren Einfluss auf die Verfestigungsrate vorherzusagen, müssen Modelle entwickelt werden, die in der Lage sind, die SFE basierend auf der Zusammensetzung und der Temperatur genau vorherzusagen. Um TWIP / TRIP-Stähle mit verbesserten Eigenschaften zu entwickeln, müssen außerdem die Verformungsmechanismen zusammen mit den Einflussgrößen separat untersucht werden. Dazu wurde ein physikalisch basiertes Versetzungsdichte- und temperaturabhängiges Kristallplastizitätsmodell entwickelt, welches die SLIP-, TWIP- und TRIP-Effekte berücksichtigt und für die Vorhersage des Verfestigungsverhaltens und der Entwicklung der Verformungsmechanismen genutzt werden kann. Der TWIP-Stahl X60Mn22 zeigte eine hohe Festigkeit von >1100 MPa in Kombination mit einer ausgezeichneten Duktilität von >45%, jedoch wurden Schwankungen der Streckgrenze und der Dehnungswerte beobachtet, wenn entlang der Walz-, Quer- und Scherrichtung (45°) getestet wurde. Verglichen mit Zweiphasenstählen (DP-Stählen), TRIP-Stählen und ferritischen Stählen zeigte sich ein ausgezeichnetes Energieabsorptionsvermögen (EA) von über 55 kJ/kg bei allen Dehnungsraten. Das EA von TWIP-Stählen ist jedoch etwas niedriger als z.B. bei den austenitischen rostfreien Stählen 1.4301 und 1.4318. Ein Temperaturanstieg aufgrund adiabatischer Erwärmung führt zu einem Anstieg der SFE, was zu einer Änderung des Zwillingsverhaltens oder der Förderung von Versetzungsgleiten unter dynamischer Belastung führt. Deformationszwillingsbildung wurde als der vorherrschende Verformungsmodus in allen Legierungen identifiziert, der zusammen mit Versetzungsgleiten bei Raumtemperatur auftrat. Die Zugabe von Al erhöht die SFE, wodurch die Keimbildung von Deformationszwillingen verzögert wird und die Sättigung der Zwillingsbildung zu größeren Dehnungen verschoben wird. Versetzungsgleiten, mechanische Zwillingsbildung und durch Dehnung induzierte Epsilon-Martensit-Transformation wurden als die bestimmenden Verfestigungsmechanismen bei verschiedenen Temperaturen identifiziert. Die temperaturabhängige SFE spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung des vorherrschenden Verformungsmodus. Bei Temperaturen unter 298 K trat die Epsilon-Martensit-Umwandlung auf und ihr Volumenanteil nahm mit abnehmender Temperatur zu. Die Zwillingsbildung war der dominante Verformungsmechanismus bei 298 K und der Zwillingsvolumenanteil stieg mit der Temperatur bis zu einer Übergangstemperatur von etwa 473 K, oberhalb derer sich der Verformungsmodus von Zwillingsbildung und Versetzungsgleiten auf nur Versetzungsgleiten änderte. Die sehr gute Übereinstimmung von simulierten und experimentellen Spannungs-Dehnungs-Kurven hinsichtlich der Zwillings- und Epsilon-Martensit-Anteile lässt vermuten, dass die vorgeschlagene Modellierungsstrategie bei der Entwicklung neuer TWIP / TRIP-Stähle hilfreich sein kann. Der sägezahnartige Verlauf der Fließkurven im Spannungs-Dehnungs-Diagramm aufgrund ausgeprägter lokaler Verformung ist ein weiteres besonderes Merkmal der TWIP-Stähle. Bei einigen Legierungen kann dieser Effekt bereits bei Raumtemperatur beobachtet werden. Mit zunehmender Dehnungsgeschwindigkeit nimmt die Sägezahnform ab und verschwindet bei dynamischer Belastung vollständig. Das gezackte Fließverhalten resultiert aus einer dynamischen Dehnungsalterung (DSA), die durch die dynamische Wechselwirkung von gelösten Atomen mit Versetzungen und durch die Mn-C Anordnung im Nahbereich verursacht wird. Die durch DSA verursachte plastische Instabilität führt zu inhomogenem Verhalten bei der Bildung und Ausbreitung von Scherbändern während der Verformung. Dies wird als Portevin-Le Chatelier (PLC) -Effekt bezeichnet. Eine Al-Zugabe führte zu einer verringerte C Diffusivität und einer Reduktion der Mn-C Nahordnungs-Neigung. Dies resultierte in einer zu einer Unterdrückung der dynamischen Dehnungsalterung (DSA) in einer Legierung mit 0,3 Gew.-% C bei Raumtemperatur. Die DSA wurde in einer Legierung mit 0,6 Gew.-% C verzögert und hatte im Vergleich zu einer Legierung mit 0,3 Gew.-% eine verbesserte Verformungshärtung und Duktilität. Ein Versagen auf Makroebene trat am Schnittpunkt zweier Scherbänder nahe dem Rand der Probe bei einem vernachlässigbaren Ausmaß an Dehnungslokalisierung auf. Auf der Mikroebene entstanden Risse hauptsächlich an Korngrenzen (GB) und Tripel-Punkten, aufgrund einer erhöhten Spannungskonzentration, welche durch die Überlappung von von Verformungszwillingen und Gleitbandextrusionen an GB verursacht wurde. Mikrorisse, die an Mangansulfid- und Aluminiumnitrid-Einschlüssen auftraten, zeigten auch nach starker Verformung keine Tendenz zum Wachstum, sodass davon auszugehen ist, dass sich diese Art von Einschlüssen nur minimal auf die mechanischen Eigenschaften auswirkt. Die hochmanganhaltigen TWIP-Stähle zeigten nicht nur außergewöhnliche mechanische Eigenschaften, sondern auch eine hervorragende Schadenstoleranz. Somit eignen sich TWIP-Stahlbleche hervorragend für die sicherheitsrelevanten Automobilkomponenten und andere Anwendungen.

Einrichtungen

  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
  • Lehrstuhl für Werkstofftechnik der Metalle und Institut für Eisenhüttenkunde [522110]