Publication: Microstructure and mechanical response of nanostructured bainitic steels
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Publication date
2016-01
Defense date
2016-02-25
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Abstract
Nanostructured bainite is a promising new steel concept presenting excellent values of rivalling mechanical properties, strength vs. toughness or ductility. These microstructures, as opposed to conventional bainite, contain retained austenite. This, together with the fact that the structure is refined down to the nanoscale, are responsible for the good mechanical properties.
The microstructure is formed by a complete austenitization and a subsequent isothermal holding for the bainitic transformation, at temperatures about 200-350ºC. The microstructure consists basically of two phases: a hard matrix of bainitic ferrite and a carbon-enriched retained austenite, the second dispersed phase. The complex composite character of the microstructure determines its stress-strain response. Mechanically-induced martensitic transformation is thought to play an important role in the work-hardening behaviour, as in transformation-induced plasticity aided steels.
Whereas extensive previous research has been carried out to understand the mechanisms and microstructural parameters that control the strength of these steels, no conclusive results exist for the ductility. It is the objective of this work to determine the factors that affect the ductility, deformation and fracture. For that purpose, tensile tests have been performed on different samples, and microstructural examinations have been carried out on both undeformed and cross-sections of the tensile deformed samples.
First of all, the characterization of the microstructure and its relation with heat treatment parameters, transformation temperature and time, have been addressed. Special emphasis has been put on the crystallographic characteristics of nanostructured bainite, studied by means of electron backscatter diffraction, X-ray diffraction analysis and also transmission electron microscopy. Results show, in general, a refinement of the microstructure as the treatment temperature decreases. There is also a structural relaxation of bainitic ferrite and a favored carbon enrichment of austenite as the treatment temperature increases, which is now known to occur at the expenses of the carbon placed at defect-free solid solution in bainitic ferrite and at clusters, boundaries or dislocations. Noteworthy on their own it is the new advance on the characterization of bainitic ferrite crystal structure, which turns out to be tetragonal rather than cubic.
The full understanding of the composite behavior of nanostructured bainite requires, at a first stage, the local characterization of its mechanical properties, which are expected to change from one phase, bainitic ferrite, to another, austenite. The combined use of atomic force microscopy-based techniques, such as nanoindentation and peak force quantitative nanomechanical measurements is devoted to that purpose. Limits and advantages of these challenging techniques have been critically addressed and some elastic-plastic parameters of both phases have been measured. Peak force quantitative nanomechanical results have been compared to those obtained from the analysis of the loading force curve of single indentation and have been discussed in terms of the nature and scale of the microstructures. Results point out that, on one hand, within the elastic region, differences in mechanical properties between phases are within the error bars. On the other hand, for high treatment temperatures, plastic behavior of retained austenite and bainitic ferrite might be quite similar.
Understanding the deformation mechanisms is key to confirm the importance of the microstructure and its composite behavior in the control of ductility. They can be revealed by tracking the austenite fraction evolution and also the texture evolution of both austenite and ferrite while tensile testing. Martensitic transformation is found to contribute as a softening mechanism rather than as a strengthening one. Assuming stress-assisted martensitic transformation, stress partitioning between the different phases seems to decrease as both the heat treatment temperature and the carbon enrichment of austenite increase. In that case, martensitic transformation takes place more progressively as a function of the plastic strain or can even be inhibited. The texture evolution arises not only from the preferential martensitic transformation depending on the austenite crystal orientation, but also from the coordinated plastic crystal rotation of austenite and ferrite, which contributes to a positive latter work-hardening rise phenomenon. Finally, planar defects such as stacking faults and even nanotwins may develop during straining promoted by a strong stress shear component.
Existe una nueva generación de aceros avanzados, la bainita nanoestructurada, con propiedades muy prometedoras de resistencia vs. tenacidad o ductilidad. Estas microestructuras, al contrario de lo que ocurre con la bainita convencional, contienen austenita retenida. Dicha característica junto con el hecho de que la estructura está refinada hasta la escala nanométrica son responsables de las excelentes propiedades mecánicas que presentan estos aceros. La microestructura se forma tras una austenización completa seguida de un tratamiento isotérmico que da lugar a la transformación bainítica, a temperaturas entre 200 y 300ºC. El resultado es una microestructura que consiste básicamente en dos fases: una matriz dura de ferrita bainítica y una segunda fase dispersa, austenita retenida enriquecida en carbono. Su complejo comportamiento de tipo composite (material compuesto), determina la respuesta tensión-deformación. Se cree que la transformación martensítica inducida mecánicamente tiene un papel fundamental en el modo de endurecimiento por deformación, como ocurre en los aceros TRIP, que presentan plasticidad inducida por transformación. Mientras que se ha llevado a cabo una extensa investigación previa que ha permitido comprender los mecanismos y los parámetros microestructurales que controlan la resistencia de estos aceros, no existen resultados concluyentes para el caso de la ductilidad. El objetivo de este trabajo es la determinación de los factores que afectan a la ductilidad, la deformación y la fractura. Con este propósito, se han realizado ensayos de tracción en diferentes muestras, así como una exhaustiva caracterización microestructural tanto en material no deformado como en secciones transversales de material deformado a tracción. En primer lugar, se ha abordado la caracterización de la microestructura y su relación con los parámetros del tratamiento térmico, temperatura de transformación y tiempo, poniendo especial énfasis en las características cristalográficas de la bainita nanoestructurada, estudiadas mediante análisis por difracción de electrones retrodispersados, difracción de rayos X y microscopía electrónica de transmisión. Los resultados muestran, en general, un refinamiento de la microestructura con la disminución de la temperatura de transformación. Se aprecia, además, una relajación de la ferrita bainítica y la tendencia de la austenita retenida a enriquecerse en carbono a medida que la temperatura de transformación aumenta, a expensas del carbono situado tanto en solución sólida libre de defectos en la ferrita bainítica como en clusters, fronteras o dislocaciones. Tiene especial relevancia un estudio novedoso enfocado a caracterizar la estructura cristalina de la ferrita bainítica, que resulta ser tetragonal en vez de cúbica. La comprensión completa del comportamiento de tipo composite requiere, en una primera etapa, la caracterización local de las propiedades mecánicas, que se espera que varíen de una fase, ferrita bainítica, a la otra, austenita. Con tal fin se ha procedido al uso combinado de técnicas basadas en la microscopía de fuerza atómica, como la nanoindentación y las medidas nanomecánicas cuantitativas de peak force. Se ha hecho un análisis crítico de estas técnicas, estableciendo sus límites y sus ventajas, y se han obtenido algunos parámetros elastoplásticos en ambas fases. Se han comparado los resultados de peak force con los obtenidos a partir del análisis de las curvas de carga en nanoindentaciones discretas y se ha discutido en términos de la escala y la naturaleza de las microestructuras. Los resultados apuntan a que, por un lado, dentro de la región elástica, las diferencias en módulo de Young entre las fases están dentro de los límites de resolución de la técnica. Por otro lado, para altas temperaturas de tratamiento, el comportamiento plástico de la ferrita bainítica y de la austenita retenida tiende a asemejarse. Comprender los mecanismos de deformación es clave a la hora de confirmar la importancia de la microestructura y su comportamiento de tipo composite en el control de la ductilidad. Estos pueden ponerse de manifiesto mediante el seguimiento de la evolución de la fracción de austenita y también de la evolución de la textura de ambas fases durante el ensayo de tracción. La transformación martensítica parece contribuir como un mecanismo de ablandamiento más que de endurecimiento. Si se asume transformación martensítica asistida por tensión, el reparto de tensión entre las diferentes fases parece decrecer a medida que la temperatura de tratamiento y el enriquecimiento de la austenita en carbono aumentan. En ese caso, la transformación martensítica tiene lugar más progresivamente en función de la deformación o puede incluso quedar inhibida. La evolución de la textura aparece no sólo como consecuencia de que la transformación martensítica está más o menos favorecida dependiendo de la orientación cristalina de la austenita madre, sino también como resultado de la rotación cristalina plástica coordinada de la ferrita y la austenita. Finalmente, defectos planares como las faltas de apilamiento e incluso las nanomaclas pueden llegar a desarrollarse durante la deformación, promovidos por una fuerte componente de cizalla de la tensión.
Existe una nueva generación de aceros avanzados, la bainita nanoestructurada, con propiedades muy prometedoras de resistencia vs. tenacidad o ductilidad. Estas microestructuras, al contrario de lo que ocurre con la bainita convencional, contienen austenita retenida. Dicha característica junto con el hecho de que la estructura está refinada hasta la escala nanométrica son responsables de las excelentes propiedades mecánicas que presentan estos aceros. La microestructura se forma tras una austenización completa seguida de un tratamiento isotérmico que da lugar a la transformación bainítica, a temperaturas entre 200 y 300ºC. El resultado es una microestructura que consiste básicamente en dos fases: una matriz dura de ferrita bainítica y una segunda fase dispersa, austenita retenida enriquecida en carbono. Su complejo comportamiento de tipo composite (material compuesto), determina la respuesta tensión-deformación. Se cree que la transformación martensítica inducida mecánicamente tiene un papel fundamental en el modo de endurecimiento por deformación, como ocurre en los aceros TRIP, que presentan plasticidad inducida por transformación. Mientras que se ha llevado a cabo una extensa investigación previa que ha permitido comprender los mecanismos y los parámetros microestructurales que controlan la resistencia de estos aceros, no existen resultados concluyentes para el caso de la ductilidad. El objetivo de este trabajo es la determinación de los factores que afectan a la ductilidad, la deformación y la fractura. Con este propósito, se han realizado ensayos de tracción en diferentes muestras, así como una exhaustiva caracterización microestructural tanto en material no deformado como en secciones transversales de material deformado a tracción. En primer lugar, se ha abordado la caracterización de la microestructura y su relación con los parámetros del tratamiento térmico, temperatura de transformación y tiempo, poniendo especial énfasis en las características cristalográficas de la bainita nanoestructurada, estudiadas mediante análisis por difracción de electrones retrodispersados, difracción de rayos X y microscopía electrónica de transmisión. Los resultados muestran, en general, un refinamiento de la microestructura con la disminución de la temperatura de transformación. Se aprecia, además, una relajación de la ferrita bainítica y la tendencia de la austenita retenida a enriquecerse en carbono a medida que la temperatura de transformación aumenta, a expensas del carbono situado tanto en solución sólida libre de defectos en la ferrita bainítica como en clusters, fronteras o dislocaciones. Tiene especial relevancia un estudio novedoso enfocado a caracterizar la estructura cristalina de la ferrita bainítica, que resulta ser tetragonal en vez de cúbica. La comprensión completa del comportamiento de tipo composite requiere, en una primera etapa, la caracterización local de las propiedades mecánicas, que se espera que varíen de una fase, ferrita bainítica, a la otra, austenita. Con tal fin se ha procedido al uso combinado de técnicas basadas en la microscopía de fuerza atómica, como la nanoindentación y las medidas nanomecánicas cuantitativas de peak force. Se ha hecho un análisis crítico de estas técnicas, estableciendo sus límites y sus ventajas, y se han obtenido algunos parámetros elastoplásticos en ambas fases. Se han comparado los resultados de peak force con los obtenidos a partir del análisis de las curvas de carga en nanoindentaciones discretas y se ha discutido en términos de la escala y la naturaleza de las microestructuras. Los resultados apuntan a que, por un lado, dentro de la región elástica, las diferencias en módulo de Young entre las fases están dentro de los límites de resolución de la técnica. Por otro lado, para altas temperaturas de tratamiento, el comportamiento plástico de la ferrita bainítica y de la austenita retenida tiende a asemejarse. Comprender los mecanismos de deformación es clave a la hora de confirmar la importancia de la microestructura y su comportamiento de tipo composite en el control de la ductilidad. Estos pueden ponerse de manifiesto mediante el seguimiento de la evolución de la fracción de austenita y también de la evolución de la textura de ambas fases durante el ensayo de tracción. La transformación martensítica parece contribuir como un mecanismo de ablandamiento más que de endurecimiento. Si se asume transformación martensítica asistida por tensión, el reparto de tensión entre las diferentes fases parece decrecer a medida que la temperatura de tratamiento y el enriquecimiento de la austenita en carbono aumentan. En ese caso, la transformación martensítica tiene lugar más progresivamente en función de la deformación o puede incluso quedar inhibida. La evolución de la textura aparece no sólo como consecuencia de que la transformación martensítica está más o menos favorecida dependiendo de la orientación cristalina de la austenita madre, sino también como resultado de la rotación cristalina plástica coordinada de la ferrita y la austenita. Finalmente, defectos planares como las faltas de apilamiento e incluso las nanomaclas pueden llegar a desarrollarse durante la deformación, promovidos por una fuerte componente de cizalla de la tensión.
Description
Mención Internacional en el título de doctor
Keywords
Composites, Nanostructured materials, Bainitic steels, Mechanical properties