Stacking faults, deformation-induced martensite and micromechanics of metastable austenite in steels studied by high-energy synchrotron X-ray diffraction
Tid: Fr 2021-12-17 kl 10.00
Plats: Ångdomen, Osquars backe 31, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/s/61911305270
Språk: Engelska
Ämnesområde: Teknisk materialvetenskap
Respondent: Benjamin Neding , Egenskaper
Opponent: Professor Dmytro Orlov, Lunds universitet
Handledare: Professor Peter Hedström, Strukturer
Abstract
Austenitiska rostfria stål är kända för sitt goda korrosionsmotstånd och mekaniska egenskaper med mycket hög duktilitet och seghet. De har den ytcentrerade kubiska kristallstrukturen och beroende på den specifika legeringens kemiska sammansättning kan austeniten vara metastabil och genomgå en deformationsinducerad fasomvandling till α′-martensit - under plastisk deformation. α′-martensiten är delvis ansvarig för stålets goda mekaniska egenskaper. För att förutsäga och kontrollera förekomsten och omfattningen av den deformationsinducerade omvandlingen till α′-martensit, är det avgörande att ha en djup kunskap om den fasomvandlingen. Sådan kunskap är viktig för att ytterligare förbättra austenitiska rostfria stål men också för att bidra till utvecklingen av tredje generationens avancerade höghållfasta stål som har en flerfasmikrostruktur, men där deformationsbeteendet hos den austenitiska fasen har avgörande betydelse för materialets generella deformationsegenskaper. Följaktligen, för att förbättra den nuvarande kunskapen om det mikromekaniska beteendet hos stål och för att på ett tillförlitligt sätt förutsäga deformationsbeteendet hos metastabil austenit, måste parametrar som påverkar austenitens deformationsbeteende beskrivas och kvantifieras. Detta arbete bidrar till sådan kunskap genom att experimentellt undersöka effekten av temperatur, kemisk sammansättning och kornorientering på austenitens deformationsbeteende. Undersökningarna har utförts huvudsakligen med hjälp av högenergiröntgendiffraktion (HEXRD). HEXRD är en mätmetod som gör det möjligt att undersöka materialens svar på plastisk deformation i ett bulkprov på ett icke-förstörande sätt. Med HEXRD kan faser och deras fraktionsutveckling, gittertöjningar och spänningar samt staplingsfelenergi (γSF) studeras in-situ när provet utsätts för belastning. Dessutom tillåter den höga spatiella upplösningen hos HEXRD linjeprofilanalys, dvs. att studera formen på diffraktionstopparna, för att kvantifiera bildandet av dislokationer och staplingsfel samt deras utveckling under deformationsförloppet. Vidare genomfördes högenergiröntgendiffraktionsmikroskopi (HEDM) mätningar för att studera deformationsbeteendet hos individuella korn inbäddade i den polykristallina bulken under deformation. Detta är viktigt för att förstå effekten av kornorientering, kornomgivning och kornmorfologi på deformationsbeteendet hos enskilda korn och följaktligen deformationsbeteendet för det polykristallina materialet. Temperatureffekten på γSF studerades både på pulver av tre austenitiska modelllegeringar med olika legeringssammansättningar genom användandet av ett in-situ HEXRD-experiment under termisk behandling samt på ett kommersiellt 301LN bulk prov under in-situ dragprovsbelastning. Det visade sig att γSF ökar avsevärt med stigande temperatur. Dessutom påverkar den temperaturinducerade ökningen av γSF signifikant den dominerande aktiva deformationsmekanismen hos austeniten. Vid låga temperaturer bildas stora fraktioner av staplingsfel, ε- och α′-martensit, vilket också inducerar ett högt deformationshårdnande hos stålet. Med ökande temperatur, och följaktligen ökande γSF, blir bildningen av staplingsfel, ε- och α′-martensit mindre dominerande. Som ett resultat observerades en signifikant minskning av deformationshårdnandet med ökande temperatur. Dessutom fann man att vid förhöjda temperaturer sker dissociationen av dislokationer till partiella dislokationer vid betydligt högre töjning. Förutom temperaturen visade sig kornorienteringen påverka deformationsbeteendet hos austenitiska stål avsevärt. Korn som deformeras längs [100] bildar övervägande staplingsfel, medan korn som deformeras längs [111] huvudsakligen deformeras via dislokationsglidning. Kornorientering spelade också en nyckelroll i bildandet av deformationsinducerade faser. Korn orienterade med {111} vid 45◦ mot den pålagda belastningen visade sig företrädesvis omvandlas till ε-martensit innan de vidare omvandlas till a′-martensit, medan korn orienterade med 111 vid 0◦ och 90◦ mot belastningen omvandlas direkt till α′-martensit utan att först omvandlas till ε-martensit. Kunskapen som förvärvats genom att studera enfasiga austenitiska stål utvidgades sedan till ”Medium manganese stål (MMnS)” som hade en flerfasig mikrostruktur. Det visade sig att det genomsnittliga bulkdeformationsbeteendet för MMnS påverkas avgörande av stålets mikromekansiska deformationsbeteende och austenitens deformationsbeteende och stabilitet, vilken kan styras av austenitens sammansättning. Bidraget från denna avhandling är att öka kunskapen om deformationsinducerade martensitiska fasomvandlingar i stål med metastabil austenit och beroendet av γSF, temperatur och andra parametrar som påverkar deformationsbeteendet i bulken som inte beaktas av γSF.