Effect of strain-induced α'-martensite transformation on mechanical properties of metastable austenitic stainless steels

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (monograph)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2007-06-01
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
125
Series
TKK dissertations, 71
Abstract
Metastable austenitic stainless steels undergo a strain-induced martensitic transformation, where the metastable austenite phase is transformed to the thermodynamically more stable α'-martensite phase due to plastic deformation. The strain-induced martensitic transformation enhances the work hardening of the metastable austenitic stainless steels, and affects their ductility. This thesis concentrated on the effects of the strain-induced martensitic transformation on the mechanical properties of the metastable austenitic stainless steels, focussing on the interaction between the strain-induced martensitic transformation and the work hardening. The effects of chemical composition, temperature and strain rate on the strain-induced martensitic transformation were studied. The experiments were carried out on the steel grades EN 1.4318 (AISI 301LN) and EN 1.4301 (AISI 304). Mechanical testing was performed by means of uniaxial tensile tests at temperatures ranging between −40 and +80°C and at strain rates ranging between 3×10−4 and 200 s−1. The α'-martensite volume fractions were measured with a Ferritescope. X-ray diffraction was used for phase identification, dislocation density measurements and to measure the stacking fault energies of the test materials. Microstructure investigations were carried out by means of the scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and optical metallography. Load distribution between the phases was studied by in-situ X-ray diffraction stress measurements. The effects of applied stress and the stacking fault energy on the formation of the shear bands, acting as the nucleation sites for the α'-martensite, were demonstrated by using the model developed by Byun (2003). An excellent correlation between the theoretical predictions and the scanning electron microscopy findings was found. The suppression of the strain-induced α'-martensite transformation with increasing strain rate and temperature was attributed to the temperature dependence of the stacking fault energy. A direct relationship between the work-hardening rate and the rate of the α'-martensite transformation was found. The α'-martensite transformation was concluded to govern the uniform elongation by affecting the work-hardening rate. In the optimum condition the transformation effectively shifts the intersection of the stress-strain and work-hardening curves to higher strains. The higher was the transformation rate, the higher was the work-hardening rate. The dislocation density of the austenite phase was found to increase with increasing plastic strain and stress. Instead, the dislocation density of the α'-martensite was substantially higher and remained relatively constant. The work hardening sequence of the metastable steels was divided in four stages. During the first stage, the work-hardening rate decreased rapidly due to the dynamic softening effect caused by the strain-induced α'-martensite transformation. During the stage II, the work-hardening rate started to increase due to the dispersion hardening caused by the strain-induced α'-martensite. The dispersion hardening effect was analysed by means of quantitative optical metallography and the theory developed by Ashby (1971). At the onset of the stage III, the α'-martensite forms a percolating cluster extending through the whole body. This manifested itself by an abrupt change in the relations between the flow stress, α'-martensite volume fraction and dislocation density of the austenite. During the stage III the work-hardening rate continued to increase. The stage IV was related to the high α'-martensite volume fractions, where the α'-martensite became the matrix phase, and the work-hardening rate started to decrease.

Metastabiileissa austeniittisissa ruostumattomissa teräksissä tapahtuu plastisen venymän vaikutuksesta faasimuutos, jossa huoneenlämpötilassa pysyvä austeniittifaasi transformoituu termodynaamisesti stabiilimmaksi α'-martensiitiksi. Martensiittitransformaation takia metastabiilit austeniittiset ruostumattomat teräkset muokkauslujittuvat voimakkaasti. Väitöskirjan tavoitteena oli tarkastella venymän aiheuttaman martensiittitransformaation vaikutusta metastabiilien austeniittisten ruostumattomien terästen mekaanisiin ominaisuuksiin, keskittyen erityisesti martensiittitransformaation ja muokkauslujittumisen väliseen yhteyteen. Lisäksi tutkittiin kemiallisen koostumuksen, lämpötilan ja muodonmuutosnopeuden vaikutusta martensiittitransformaatioon. Koemateriaaleina käytettiin teräslaatuja EN 1.4318 (AISI 301LN) ja EN 1.4301 (AISI 304). Koemateriaalien mekaanisia ominaisuuksia tutkittiin vetokokein. α'-martensiitin faasiosuus määritettiin ferriittimittarilla. Röntgendiffraktiomittauksia käytettiin ε- ja α'-martensiittifaasien havaitsemiseen, dislokaatiotiheysmittauksiin ja terästen pinousvian pintaenergian mittaukseen. Muokkauksessa syntyneitä mikrorakenteita tutkittiin käyttäen pyyhkäisy- ja läpivalaisuelektronimikroskopiaa sekä optista metallografiaa. Jännitysten jakautumista faasien välillä vetomuodonmuutoksen aikana tarkasteltiin in situ jännitysmittauksin röntgendiffraktion avulla. Lämpötilan ja muodonmuutosnopeuden kasvaessa α'-martensiittia havaittiin muodostuvan vähemmän. Tämä johtui pääasiassa pinousvian pintaenergian lämpötilariippuvuudesta. Muokkauslujittumisen ja α'-martensiittitransformaation välillä havaittiin suora yhteys. Mitä suurempi transformaationopeus oli, sitä nopeampaa oli muokkauslujittuminen. Martensiittitransformaatio vaikutti terästen tasavenymään muokkauslujittumisnopeuden kautta. Venymän ja jännityksen kasvaessa austeniitin dislokaatiotiheys kasvoi, mutta α'-martensiitin dislokaatiotiheys pysyi melko muuttumattomana ja oli alusta lähtien selvästi suurempi kuin austeniitin. α'-martensiitin todettiin lujittavan teräksiä kahdella eri mekanismilla: α'-martensiittipitoisuuden ollessa alle 30% luja martensiittifaasi dispersiolujittaa pehmeämpää austeniittia, ja plastinen muodonmuutos tapahtuu pääasiassa austeniitin deformaation välityksellä. α'-martensiittipitoisuuden ylittäessä 30% α'-martensiitti muodostaa perkoloivan klusterin, joka ulottuu läpi koko materiaalin. Näin ollen materiaali ei voi muokkautua ilman, että myös lujempi α'-martensiitti muokkautuu. Tämä ilmenee yhä nopeampana muokkauslujittumisena.
Description
Keywords
austenitic stainless steel, work hardening, strain-induced martensite, stacking fault energy, austeniittinen ruostumaton teräs, muokkauslujittuminen, pinousvian pintaenergia, venymän aiheuttama martensiittitransformaatio, työstökarkeneminen
Other note
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-009284