Correlation between the Microstructure and Mechanical Properties of Intercritically Annealed Advanced High-Strength Steels

Abstract

Uusien lujien ja hyvin muovattavien terästen kehitystä ajaa eteenpäin autoteollisuuden tarve keventää ajoneuvojen massaa ja siten parantaa energiatehokkuutta ilman että kolariturvallisuus samalla heikkenisi. Koska lujuuden kasvattaminen voi johtaa muovattavuuden heikkenemiseen, on tärkeää optimoida teräksen mikrorakenne muovattavuuden kannalta. Tässä tutkimuksessa pyrittiin tähän tavoitteeseen selvittämällä erilaisten lämpökäsittelyjen vaikutuksia pii- ja alumiiniseostettujen sekä niobi- ja vanadiinimikroseostettujen terästen ominaisuuksiin. Materiaaliominaisuudet selvitettiin mikrorakennetutkimuksilla ja mekaanisella aineenkoetuksella keskittyen erityisesti paikalliseen muodonmuutoskykyyn. Muovattavuutta arvioitiin mittaamalla paikallinen venymä vetosauvojen murtopinnoista. Mikrorakenteiden tarkka karakterisointi tehtiin elektronimikroskopian avulla käyttäen EBSD-menetelmää (takaisin sironneiden elektronien diffraktio).

Tutkimuksiin valittiin kymmenen eri koostumusta kirjallisuuden ja teoreettisen tarkastelun perusteella. Tavoitteena oli 980 – 1180 MPa murtolujuusluokan nykyaikaisten monifaasiterästen kehittäminen. Kaksifaasialueella tehdyn hehkutuksen yhdistäminen austemperointiin tai Quenching & Partitioning –käsittelyyn saivat aikaan mikrorakenteita, jotka sisälsivät vaihtelevia määriä jäännösausteniittia ja muita faaseja erilaisina morfologioina. Lämpökäsittelystä ja koostumuksesta riippuen, myös terästen muodonmuutoskyvyn havaittiin vaihtelevan ja vastaavan joko paikallista tai laajaa muovattavuustyyppiä. Tulosten perusteella laadittiin muovattavuuskartta, jossa tulokset osoittivat havainnollisesti lämpökäsittelyn ja mikrorakenteen morfologian vaikutuksen muovattavuuteen. Quenching & Partitioning –käsittely johti paikalliseen muovattavuustyyppiin, kun kaksifaasialueen hehkutus ja austemperointi puolestaan sai aikaa laajan muovattavuuden. Lisäksi pystyttiin osoittamaan matalahiilisten terästen (0.08 – 0.10 % C) sisältävän jäännösausteniittia Quenching & Partitioning – käsittelyn jälkeen.

Tulokset osoittivat, että lämpökäsittelyä ja koostumusta optimoimalla on mahdollista aikaansaada paikallisen ja laajan muovattavuustyypin yhdistelmä. Juuri näillä tasapainotetuilla muovattavuus- ja lujuusominaisuuksilla terästeollisuus pystyy vastaamaan tulevaisuuden ajoneuvoterästen tiukkeneviin ominaisuus- ja muovattavuusvaatimuksiin.

Automotive steels are undergoing constant research and development. The automotive industry has inspired the development of advanced high strength steels in recent decades by targeting a reduction in automotive body weight. In order to develop novel high-strength and formable steels for this purpose, the present work investigates the metallurgy and properties of silicon- and aluminium-alloyed, niobium- and vanadium-microalloyed steels by performing intercritical annealing and austempering as well as quenching and partitioning heat treatment. Materials were characterized by studying the microstructure and mechanical properties with the emphasis on local ductility.

The heat treatments investigated herein produced microstructures containing ferrite, bainitic ferrite and martensite with various amounts of metastable retained austenite, which led to differences in material properties. The retained austenite morphologies were investigated using electron backscatter diffraction (the EBSD method). As a novel feature, retained austenite was found in steel containing low carbon (0.08 – 0.10 wt.%) that had been processed by quenching and partitioning.

The present work investigated ten different chemical compositions which were utilized to produce four concepts for a 980 – 1180 MPa class steel. Depending on the heat treatment and processing, the strength-elongation combination showed local or global formability type mechanical properties. The local-global formability was studied by performing fracture strain measurements on the tensile test specimens. As a summary, this work defines the formability diagram of a large number of differently treated experimental steels.

The results showed that intercritical quenching and partitioning heat treatment typically led to a microstructure with local formability properties, while intercritical annealing and austempering produced more of a global type of formability. By adjusting the chemical composition and heat treatment, it was also possible to achieve a combination of these formability properties, which is useful in an advanced high strength and formable steel. These combined properties are especially required when automotive industry utilizes modern steels for more energy-efficient vehicles.