Development of cost-effective nano-bainitic steels
The aim of this work is the development of low-cost, fast transforming nano-bainitic steel alloys for the purposes of lightweighting and fuel efficiency in the transportation industry. Three alloying strategies were investigated under the scope of this work. A high C (0.54-0.8 wt.%), low Mn strategy (0.3 wt.% Mn), a high C (0.67-0.95 wt.%), high Al-strategy (3 and 5 wt.%), and a low carbon (0.23 and 0.3 wt.), high Al (0.7 to 3 wt.%) contents. All the alloying strategies dispensed with the expensive substitutional elements Co, Cr and Ni. Fast transformation times ranging from 650 s to 4600 s were obtained for all the investigated conditions. The highest mechanical strengths were obtained by the low Mn alloying strategy, with tensile strengths ranging from 1900 - 2140 MPa at elongation values of about 10 %. Increasing the Al content within the second strategy lowers the transformation times compared to the alloys of the first strategy with similar C contents. However, because of their high Al-content, alloys of the second strategy required more C additions to maintain sufficiently low martensite start temperatures (Ms). This increase in C led to an overall increase in the transformation times within this strategy. On the other hand, increasing Al to 3 wt.% led to a drop in the maximum tensile strength from 2140 to 2000 MPa, while the elongation values remained constant at about 10 %, similar to those of the low Mn strategy. Further increasing Al to 5 wt.% yielded brief incubation periods and shorter transformation times (1000 – 1800 s) despite the high C contents utilized (0.67 – 0.94 wt.%). However, this came at the cost of a deterioration of the strength-ductility balance, with strength values ranging from 1330 – 1845 MPa and ductility of about 5 %. Increasing the Al content within the third strategy from 0.7 to 2.8 wt.% (~ 0.3 wt.% C and ~ 2.9 wt.% Mn) lowers the transformation time from 3000 to 2000 s, respectively, at a cost of a reduction in tensile strength and elongation from 1330 to 1270 MPa and from 13.5 to 7.7%, respectively. Introducing δ-ferrite to the microstructure of the 3 wt.% Al alloy (~ 0.23 wt.% C and ~ 4.2 wt.% Mn) increased elongation% up to 16% and reduced the tensile strength to 1105 MPa. Continuously cooling of alloys of this group at a rate of 0.3 Ks-1 yielded almost fully martensitic structures, with bainite partly forming only in the alloys with higher Al. A cooling rate of 0.03 Ks-1 increased the tensile strength by about 100 MPa at similar elongation values, while lowering the cooling rate down to 0.003 Ks-1 yielded similar properties as isothermal treatment because most of the transformation is concluded near the starting temperature. For both the low and high C groups, the impact properties increased with the increase of Al to 2 – 3 wt.% followed by a drop as the Al was increased further. Conversely, the presence of δ-ferrite severely deteriorated the impact properties of the microstructures generated. Impact testing of select alloys from (-160 to 50 °C) revealed that changing the Al content has no significant effect on the impact transition temperature. Generating deformation induced ferrite (DIF) in the microstructure of the low carbon group alloys prior to the bainitic transformation had inconclusive effects on the final properties, improving the uniform elongation in some cases while deteriorating it in others. Finally, select alloys were subjected to bake hardening investigations to help expand a newly developed module in MatCalc software into the field of fine bainitic steels. Strain ageing experiments reveal high bake hardening strengths ranging from 130 – 240 MPa after brief ageing times of less than 20 min. The developed model was able to successfully predict the bake hardening behaviour of the alloys investigated.
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung kostengünstiger, schnell umwandelnder nano-bainitischer Stahllegierungen für die Zwecke des Leichtbaus und der Kraftstoffeffizienz in der Transportindustrie. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei Legierungsstrategien untersucht. Eine Strategie mit hohem C- (0,54-0,8 Gew.-%) und niedrigem Mn-Gehalt (0,3 Gew.-% Mn), eine Strategie mit hohem C- (0,67-0,95 Gew.-%) und hohem Al-Gehalt (3 und 5 Gew.-%) sowie eine Strategie mit niedrigem Kohlenstoff- (0,23 und 0,3 Gew.-%) und hohem Al-Gehalt (0,7 bis 3 Gew.-%). Bei allen Legierungsstrategien wurde auf die teuren Substitutionselemente Co, Cr und Ni verzichtet. Für alle untersuchten Bedingungen wurden schnelle Umwandlungszeiten zwischen 650 s und 4600 s erzielt. Die höchsten mechanischen Festigkeiten wurden mit der Legierungsstrategie mit niedrigem Mn-Gehalt erzielt, wobei die Zugfestigkeiten zwischen 1900 und 2140 MPa bei Dehnungswerten von etwa 10 % lagen. Die Erhöhung des Al-Gehalts bei der zweiten Strategie senkt die Umwandlungszeiten im Vergleich zu den Legierungen der ersten Strategie mit ähnlichen C-Gehalten. Aufgrund ihres hohen Al-Gehalts benötigten die Legierungen der zweiten Strategie jedoch mehr C-Zusätze, um ausreichend niedrige Martensit-Starttemperaturen (Ms) zu erhalten. Diese Erhöhung des C-Gehalts führte zu einer allgemeinen Verlängerung der Umwandlungszeiten bei dieser Strategie. Andererseits führte eine Erhöhung des Al-Gehalts auf 3 Gew.-% zu einem Rückgang der maximalen Zugfestigkeit von 2140 auf 2000 MPa, während die Dehnungswerte bei etwa 10 % konstant blieben, ähnlich wie bei der Strategie mit niedrigem Mn-Gehalt. Eine weitere Erhöhung des Al-Anteils auf 5 Gew.-% führte trotz der hohen C-Gehalte (0,67 - 0,94 Gew.-%) zu kurzen Inkubationszeiten und kürzeren Umwandlungszeiten (1000 - 1800 s). Dies ging jedoch auf Kosten einer Verschlechterung des Festigkeits-Duktilitäts-Gleichgewichts, mit Festigkeitswerten von 1330 - 1845 MPa und einer Duktilität von etwa 5 %. Die Erhöhung des Al-Gehalts innerhalb der dritten Strategie von 0,7 auf 2,8 Gew.-% (~ 0,3 Gew.-% C und ~ 2,9 Gew.-% Mn) verkürzt die Umwandlungszeit von 3000 auf 2000 s, allerdings auf Kosten einer Verringerung der Zugfestigkeit und der Dehnung von 1330 auf 1270 MPa bzw. von 13,5 auf 7,7 %. Die Einführung von δ-Ferrit in das Gefüge der 3-Gew.- %-Al-Legierung (~ 0,23 Gew.-% C und ~ 4,2 Gew.-% Mn) erhöhte die Dehnung um bis zu 16 % und reduzierte die Zugfestigkeit auf 1105 MPa. Die kontinuierliche Abkühlung von Legierungen dieser Gruppe mit einer Rate von 0,3 Ks-1 führte zu fast vollständig martensitischen Strukturen, wobei sich nur in den Legierungen mit höherem Al-Anteil teilweise Bainit bildete. Eine Abkühlungsrate von 0,03 Ks-1 erhöhte die Zugfestigkeit um etwa 100 MPa bei ähnlichen Dehnungswerten, während eine Verringerung der Abkühlungsrate auf 0,003 Ks-1 ähnliche Eigenschaften wie eine isotherme Behandlung ergab, da der größte Teil der Umwandlung in der Nähe der Anfangstemperatur abgeschlossen ist. Sowohl bei der Gruppe mit niedrigem als auch bei der Gruppe mit hohem C-Gehalt stiegen die Kerbschlagzähigkeitseigenschaften mit der Erhöhung des Al-Gehalts auf 2 bis 3 Gew.-% an, gefolgt von einem Rückgang bei weiterem Anstieg des Al-Gehalts. Umgekehrt verschlechterte das Vorhandensein von δ-Ferrit die Kerbschlagzähigkeit der erzeugten Gefüge erheblich. Kerbschlagbiegeversuche an ausgewählten Legierungen im Temperaturbereich von -160 bis 50 °C zeigten, dass eine Änderung des Al-Gehalts keine signifikante Auswirkung auf die Kerbschlagübergangstemperatur hat. Die Erzeugung von verformungsinduziertem Ferrit (DIF) im Gefüge der Legierungen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt vor der bainitischen Umwandlung hatte keine schlüssigen Auswirkungen auf die endgültigen Eigenschaften, wobei sich die gleichmäßige Dehnung in einigen Fällen verbesserte, während sie sich in anderen Fällen verschlechterte. Schließlich wurden ausgewählte Legierungen einer Bake-Hardening-Untersuchung unterzogen, um ein neu entwickeltes Modul der MatCalc-Software auf den Bereich der feinbainitischen Stähle auszuweiten. Die Alterungsversuche zeigen hohe Bake Hardening Festigkeiten von 130 - 240 MPa nach kurzen Alterungszeiten von weniger als 20 min. Das entwickelte Modell war in der Lage, das Bake-Hardening-Verhalten der untersuchten Legierungen erfolgreich vorherzusagen.
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