Optimisation of microstructure, mechanical properties and enhanced formability characteristics of nano-precipitated advanced high strengthened steels

Abstract

The present Ph.D. dissertation aims to the experimental investigation of microstructural constituents (i.e. nucleation and growth, morphology, volume fraction and dispersion) and their effect on mechanical properties and formability, characteristics which are inseparably related to the appropriate alloy design and the optimisation of modern routes production of novel single-phase steels strengthened by nanoprecipitation phenomena of complex carbides (MxCy), nitrides (MxNy) and carbonitrides Mx(Cy,N1-y)), as well as consist of the ductile ferritic matrix phase. Specifically, the study focuses on the various and complex nanoprecipitates, that are not completely identified and explained by the global literature. This is achieved by the characterisation and evaluation of the microstructure, nanostructure and mechanical response of the as-received cold rolled and the final annealed samples via appropriate and state-of-the-art experimental methods and techniques. The characterisation of microstructure and nanostructure is accomplished by Light Optical Microscopy (LOM), Scanning Electron Microscopy (SEM), Scanning/Transmission Electron Microscopy (S/TEM), coupled with Energy Dispersive Spectroscopy (EDS), Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS) and X-ray Diffraction (XRD). The examination of mechanical properties is realised by hardness and mechanical testing. The formability is examined via Hole Expansion Testing (HET). The experimental consideration is designed based on the macro-to-nano scale studied materials evaluation, in order to explain their microstructure and nanostructure phenomena, as well as assess their properties and performance. Evaluating the results of this dissertation, the conclusions endeavour to interpret the phenomena and mechanisms of nanoprecipitates, and their effect on the microstructure, as well as determine the optimized contribution of appropriate alloying elements, processing routes and their parameters on the studied advanced single-phase steels, which constitute critical upgrade on the field of modern industrial metallic materials and the route of sustainable development.Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στην πειραματική διερεύνηση των χαρακτηριστικών της μικροδομής (π.χ. φύτρωση και ανάπτυξη, μορφολογία, κλάσμα όγκου και διασπορά) και την επίδραση τους στις μηχανικές ιδιότητες και στη διαμορφωσιμότητα, χαρακτηριστικά τα οποία είναι άρρηκτα συνδεδεμένα με τον κατάλληλο κραματικό σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση των σύγχρονων κατεργασιών παραγωγής σε μοντέρνους μονοφασικούς χάλυβες σκληρυνόμενους από φαινόμενα νανοκατακρήμνισης σύνθετων καρβιδίων (MxCy), νιτριδίων (MxNy) και καρβονιτριδίων (Mx(Cy,N1-y)), αποτελούμενοι από όλκιμη φερριτική μητρική φάση. Συγκεκριμένα, η έρευνα εστιάζει στις ποικίλες και σύνθετες νανοκατακρημνίσεις, οι οποίες δεν έχουν πλήρως ταυτοποιηθεί και εξηγηθεί από τη διεθνή βιβλιογραφία. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω του χαρακτηρισμού και της αξιολόγησης της μικροδομής, της νανοδομής και της μηχανικής απόκρισης των αρχικών δοκιμίων σε κατάσταση ψυχρής έλασης και των τελικών παραγόμενων δοκιμίων έπειτα από θερμικές κατεργασίες ανόπτησης, μέσω κατάλληλων και σύγχρονων πειραματικών μεθόδων και τεχνικών. Ο χαρακτηρισμός της μικροδομής και της νανοδομής πραγματοποιείται μέσω Οπτικής Μικροσκοπίας (LOM), Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης (SEM), Ηλεκτρονική Μικροσκοπίας Διερχόμενης Δέσμης και Σάρωσης (ΤΕΜ/STEM), σε συνδυασμό με τις μεθόδους Φασματομετρίας Ακτίνων Χ Ενεργειακής Διασποράς (EDS) και Ενεργειακής Απώλειας Ηλεκτρονίων (EELS), όπως επίσης με την Περίθλαση Ακτίνων Χ (XRD). Ο καθορισμός των μηχανικών ιδιοτήτων επιτυγχάνεται μέσω δοκιμών εφελκυσμού και σκληρομετρήσεων. Η διαμορφωσιμότητα διερευνάται μέσω δοκιμών Ικανότητας Διαμόρφωσης Οπής (HET). Η πειραματική προσέγγιση έχει σχεδιαστεί βασισμένη στη εξέταση των μελετώμενων υλικών σε μάκρο, μίκρο και νάνο-κλίμακα, με σκοπό την εξήγηση των φαινομένων της μικροδομής και της νανοδομής τους, όπως επίσης την αξιολόγηση των ιδιοτήτων και της απόδοσής τους. Αξιολογώντας τα αποτελέσματα της διατριβής, τα συμπεράσματα προσπαθούν να ερμηνεύσουν τα φαινόμενα και τους μηχανισμούς των νανοκατακρημνίσεων και την επίδρασή τους στη μικροδομή, όπως επίσης να ορίσουν τη βέλτιστη συνεισφορά των κατάλληλων κραματικών στοιχείων, των διεργασιών παραγωγής και των παραμέτρων τους στους μελετώμενους προηγμένους μονοφασικούς χάλυβες, οι οποίοι αποτελούν σημαντική εξέλιξη στον κλάδο των μοντέρνων βιομηχανικών μεταλλικών υλικών και στην οδό της βιώσιμης ανάπτυξης