Effect of microstructure on pre- and post-punching fatigue behavior of hot-rolled thick-plate advanced high-strength steel

Abstract

Avancerade höghållfasta stål (AHSS) är avgörande för att uppnå utmärkt styrka-till-vikt-förhållande inom fordonsindustrin och ersätta traditionella höghåll\-fasta låglegerade stål (HSLA). Användningen av AHSS i grovplåts dimension, exempelvis i chassier för tunga lastbilar, medför dock utmaningar på grund av den potentiella försämringen av de mekaniska egenskaperna som orsakas av nödvändiga skärande bearbetningsprocesser, såsom hålstansning och kantbeskärning. Denna avhandling undersöker mikrostrukturens inverkan på utmattningsegenskaperna före och efter stansning hos tre olika AHSS (800CP, 700MC och 700MCPlus), vilka har olika mikrostrukturbeståndsdelar men jämförbara sträck- och brottgränser, och jämför dem med ett konventionellt HSLA-stål (500MC) som vanligtvis används i lastbilschassier. Dessutom utvärderas effekten av olika stansmetoder på utmattningsprestanda efter stansning hos 500MC. Omfattande mikrostrukturkarakterisering, dragprovning, högcykelutmattningstestning före och efter stansning, mätningar av utmattningsspricktillväxthastighet (FCGR) samt neutronmätningar av restspänningar har utförts. Resultaten visar att stansning avsevärt förändrar mikrostrukturen, vilket leder till mikrostruktur förfining, subkornsbildning, defekter, uppkomst av restspänningar och en deformationshärdad zon runt den stansade kanten, tillsammans med en grov yta, s.k. brottzon, i det stansade hålet. Vid högre belastningar och färre cykler (10⁵ cyklar) styrs HCF-prestandan främst av motståndet mot utmattningsspricktillväxt i mikrostrukturen före stansning, och 700MCPlus, som har den långsammaste FCGR, uppvisar den högsta utmattningshållfastheten efter stansning i detta område, medan de övriga stålen med liknande FCGR uppvisar nästan identiska utmattningsprestanda. Dessutom konstateras att 500MC har liknande utmattningsprestanda efter stansning i detta område, oberoende av stansningsförhållandena. Undersökningen av mekanismerna för spricktillväxt vid utmattning avslöjar att 700MCPlus förbättrade prestanda beror på dess unika textur, som begränsar plastisk deformation, samt förekomsten av martensit vid korngränserna, vilket bidrar till att bromsa växande sprickor. Dessa resultat understryker potentialen att optimera FCGR-beteende genom texturdesign och väl distribuerade hårda mikrostrukturbeståndsdelar. I närheten av utmattningsgränsen (10⁶ - 2 × 10⁶ cyklar) påverkas dock utmattningsegenskaperna efter stansning starkt av de förändringar som induceras under stansningen. I homogena mikrostrukturer (till exempel ferrit i 500MC) är ytfinhet och, än viktigare, restspänningar avgörande faktorer för utmattningsprestanda efter stansning. Utmattningssprickor initieras vid halva tjockleken parallellt med stansriktningen, vilket motsvarar den plats där de maximala drag-restspänningarna uppmätts. Ökningar i dessa restspänningar leder till större minskningar i utmattningshållfastheten. I mer heterogena mikrostrukturer spelar deformationslokalisering en avgörande roll när en betydande skillnad i hållfasthet föreligger mellan mikrostrukturbeståndsdelarna (till exempel martensit och ferrit i 700MCPlus). Deformationslokaliseringen främjar subkornsbildning, vilket underlättar sprickinitiering. I mikrostrukturer med mindre hållfasthetsskillnader (till exempel ferrit och bainit i 800CP och 700MC) bidrar subkorn, tillsammans med ytfinhet och restspänningar, i hög grad till minskningen av utmattningsgränsen efter stansning. Dessa resultat ger värdefulla insikter i de mekanismer som ligger bakom försämringen av utmattningsegenskaper orsakad av stansning och erbjuder potentiella strategier för att optimera AHSS för nya tillämpningar.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-357975