Till innehåll på sidan

Formation of Bainite Studied by In-situ High-energy X-ray Diffraction

Tid: Fr 2022-08-19 kl 10.00

Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm

Språk: Engelska

Ämnesområde: Teknisk materialvetenskap

Respondent: Sen Lin , Egenskaper, Materials Characterization

Opponent: Professor Sébastien Allain, Institut Jean Lamour, UMR CNRS-Université de Lorraine

Handledare: Professor Peter Hedström, Egenskaper; Professor Annika Borgenstam, Strukturer

Abstract

      Bainitiska stål har rönt stor uppmärksamhet de senaste åren på grund av deras utmärkta egenskaper som gör dem lämpliga för en rad olika applikationer. En djup förståelse för hur bainit bildas krävs för att bättre kunna designa legeringar och produktionsprocesser och optimera egenskaperna hos bainitiska stål. För att skapa denna förståelse har omfattande experimentella undersökningar utförts, i huvudsak via så kallade ex-situ tekniker. Den bainitiska omvandlingen är trots det fortfarande debatterad och en ökad förståelse krävs för att utvecklingen av dessa stål ska fortsätta på ett bra sätt.

      Den bainitiska fasomvandlingen omfattar flera simultana processer såsom bildandet av bainitisk ferrit och cementit, dislokationsgenerering och annihilering samt koldiffusion, mm. Dessa processer är också relaterade till varandra och påverkar varandra samt den övergripande bainitiska fasomvandlingskinetiken. Det är svårt att kvantifiera mikrostrukturutvecklingen, t.ex. karbidfraktionen och dislokationsdensiteten, i en stor provvolym, och studera deras inbördes samband med konventionella experimentella metoder. Dessutom har vissa bainitiska stålsorter, såsom höghållfasta låglegerade (HSLA) stål som används inom bilindustrin, mycket snabb fasomvandlingskinetik och en komplex slutlig mikrostruktur. Därför är det svårt att med ex-situ tekniker studera och förstå fasomvandlingens progression. För detta ändamål är så kallade in-situ tekniker att föredra, där högenergi-röntgendiffraktion (HEXRD) är en möjlig sådan in-situ teknik.

      Synkrotronkällor genererar extremt högkvalitativ röntgen med hög briljans och även hög energi. Det möjliggör detektering av små mängder av olika faser, såsom karbider, och gör att man kan studera vad som händer inuti materialet. Denna avhandling är därför fokuserad på användning av HEXRD med toppmodern instrumentering för att studera bainitomvandlingen i stål. Ett mål är att utforska tillämpningen av HEXRD för industriellt relevanta frågor, t.ex. den snabba bainitiska omvandlingen i HSLA-stål. Ett annat mål är att studera påverkan av Si och Mo på den bainitiska fasomvandlingen då dessa element ät viktiga i HSLA stål. Avhandlingen hanterar såväl industriella tillämpningar, som fundamentala omvandlingsmekanismer samt utveckling av HEXRD metodik.

      Två kommersiella HSLA-stål med olika härdbarhet austeniserades och kyldes snabbt till olika temperaturer för isoterm omvandling. Austeniten omvandlades redan under kylning med höga omvandlingshastigheter. Flera omvandingsprodukter, såsom polygonal ferrit, bainitisk ferrit, degenererad perlit och martensit, separerades genom att kombinera HEXRD och elektronbackscatter-diffraktionsanalyser. Stålet med högre härdbarhet visade sig ha en mindre andel polygonal ferrit och en högre andel bainit, tack vare den större tillsatsen av Mo. Å andra sidan resulterade tillsatsen av Si i en högre kolhalt i restausteniten på grund av undertryckt karbidbildning.

      Efter studierna av HSLA-stål undersöktes effekterna av Si och Mo med användning av en serie Fe-C-Mn-Si- och Fe-C-Mn-Si-Mo-legeringar med olika värmebehandlingsförhållanden. Dessa undersökningar syftade till att förstå legeringselementens inverkan på kinetiken för den bainitiska omvandlingen under isoterma värmebehandlingar, med fokus på sambandet mellan bildningen av bainitisk ferrit, koldiffusion, karbidbildning och utveckling av dislokationstätheten. I allmänhet fördröjs bainitbildning med ökande Si-halten och isoterm omvandlingstemperatur, och kolhalten i restausteniten när omvandlingen avstanner var nära starttemperaturen för Widmanstätten/bainitisk ferrit (WBs). Små tillsatser av Mo hade försumbar effekt, men en ökad mängd ledde till en s.k. “bay” i TTT-diagrammet som kan vara ett resultat av en s.k. solute drag effekt. Övergångskarbider hittades endast i Si-legerade stål, medan cementit återfanns i både Si- och Mo-legerade stål. Karbidbildningen hade liknande kinetik som den för bainitisk ferrit men ingen korrelation till dislokationsdensitetsutvecklingen hittades för Si-legerade stål.

      Vidare introducera ett pågående arbete. En HEXRD-studie med användning av den senaste PILATUS-områdesdetektorn utfördes för att belysa omvandlingsmekanismen för bainit i jämförelse med martensit. Resultatet visar att vid samma intervall av diffraktionsvinkel: för bainitisk ferrit, en enda symmetrisk diffraktionstopp i Fe-3,0Mn-0,4 och 0,6C-legeringar (i viktprocent); för martensit är diffraktionstoppen för Fe-3.0Mn-0.4C legeringen liknande den för bainitisk ferrit, medan två toppar intill varandra hittades för martensit i Fe-3Mn-0.6C legeringen.

      Denna avhandling visar mångsidigheten hos HEXRD i studier av fasomvandlingar. Kristallografisk, kemisk, volymfraktion och spännings/töjningsinformation extraherad från data är av särskilt intresse för vetenskapliga och industriella studier.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-313000