Processing, microstructure and mechanical behavior of medium manganese steels

Developing high strength steels has received increasing attention in steel industry, in order to meet the body-in-white weight reduction strategies pursued by the automotive industry for fuel economy and vehicle safety.In this context, medium manganese (Mn) steels containing 3 to 12 wt.%Mn are one of the strong candidates for the so-called third-generation advanced high-strength steels (AHSS), due to the superior mechanical properties exceeding the first-generation AHSS and the potentially lower cost compared to the high Mn second-generation AHSS.The ultrafine grain size and high fraction of retained austenite, adjustable to various TRIP (transformation-induced plasticity) and/or TWIP (twinning-induced plasticity) effects, constitute the key advantages of this group of steels.This thesis aims to develop a better understanding of the processing-microstructure-property relationship of medium Mn steels with Al and Si additions.Four experimental steels with compositions of Fe-0.2C-(7~10)Mn-3Al-(0~3)Si (in wt.%) were designed and examined.The phase transformation behavior, with respect to austenite formation and decomposition, of two hot rolled samples with 3 wt.%Al and 3 wt.%Si during intercritical annealing was firstly investigated to develop a better understanding of microstructural control for such steels.The microstructure of the leaner alloy with 7 wt.%Mn was substantially influenced by the annealing temperature, whereas the richer variant 10 wt.% Mn steel exhibited a stable ferrite-austenite duplex microstructure containing a fixed amount of retained austenite, which was found to be independent of the variations of annealing temperature.From these results, controlled annealing was performed for these two hot rolled samples, followed by a further processing by subjecting them to cold rolling and examining the microstructural evolution during cold rolling.Strain partitioning, between austenite and ferrite, and deformation twinning of austenite were found to critically influence the cold rollability of the two steels.Finally, the deformation and fracture mechanisms of the cold rolled and intercritical annealed medium Mn steels were studied, with particular emphasis on the effect of different Si additions (0~3 wt.%). IIResults showed that the mechanical property of the steels critically depended on the austenite fraction, TRIP and TWIP effect activated in austenite, as well as the strain partitioning between austenite and ferrite during deformation.The fracture mechanisms altered with different Si levels, which can change from dimpled-type fracture driven by void formation, mainly at the ferrite/strain-induced -martensite interfaces, to a combined dimple and cleavage/quasicleavage fracture, which was related to the brittle -ferrite in high Si alloys.The work also revealed a strong correlation between strain-induced martensite formation and the serrated plastic flow phenomenon associated with the Portevin-Le Chatelier effect (PLC) effect.Discontinuous behavior of strain-induced transformation was observed, which was due to the localized martensite formation within the PLC bands nucleating intermittently and propagating continuously during tensile straining. III RESUMELe dveloppement d'aciers haute rsistance a reu une attention croissante dans l'industrie sid rurgique en vue des stratgies de rduction de poids recherches par l'industrie automobile pour l'conomie de carburant et la scurit des vhicules.Dans ce contexte, les acier teneur moyenne en mangan se (Mn) contenant de 3 12 m% de mangan se sont des candidats d'intrt pour les aciers haute r sistance dits de troisi me g n ration (AHSS), ceci gr ce leurs propri t s m caniques sup rieures exc dant celles des AHSS de premi re g n ration mais aussi gr ce aux cots potentiellement plus faibles compar s aux AHSS de deuxi me g n ration haut taux de Mn.Les grains ultrafins et les hauts taux d'austnite rsiduelle, accordables divers effets TRIP (plasticit induite par transformation) et / ou TWIP (plasticit induite par jumelage), constituent les avantages cls de ce groupe d'aciers.L'objectif de cette thse est de dvelopper une meilleure compr hension de la relation proc d -microstructure-propri t s des aciers teneur moyenne en Mn avec comme additifs Al et Si.Quatre aciers exp rimentaux de compositions Fe-0.2C-(710)Mn-3Al-(03)Si (en m.%) ont t fabriqu s et analys s.Le comportement de transformation de phase, en ce qui concerne la formation et la d composition de la phase aust nitique, de deux chantillons lamin s chaud avec 3 m.%d'Al et 3 m.% de Si au cours du recuit intercritique a t d'abord investigu pour d velopper une meilleure compr hension du contrle microstructural de tels aciers.La microstructure de l'alliage le plus pauvre avec 7 m.% de Mn a t influenc sensiblement par la temp rature de recuit, alors que la variante la plus riche avec 10 m.% de Mn pr sentait une microstructure stable en duplex ferrite-austnite contenant une quantit fixe d'austnite rsiduelle, qui s'est avre indpendante des variations des tempratures de recuit.A partir de ces r sultats, un recuit contrl a t appliqu ces deux chantillons lamin s chaud, suivi par un procd de laminage froid durant lequel l'volution microstructurale a t observe.La r partition des contraintes, entre aust nite et ferrite, et la dformation de mclage de l'austnite ont un rle critique sur la capacit de laminage froid de ces deux aciers.Enfin, le IV comportement de d formation et les m canismes de rupture des aciers teneur moyenne en Mn ayant subi un recuit intercritique lamin s froid ont t tudi s, en tenant compte plus particulirement de l'effet des diffrents taux de Si (03 m.%).Les r sultats ont montr que les proprits mcaniques des aciers dpendent de manire critique du taux d'austnite, des effets TRIP et TWIP activs dans l'austnite, ainsi que de la rpartition des contraintes entre les phases d'austnite et de ferrite durant la dformation.Les mcanismes de fracture altrs avec diffrents taux de Si, peuvent tre modifis partir d'une fissure en cupules due la formation de pores, principalement aux interfaces martensitique alpha' de transformation caus e par la ferrite, ou partir d'une combinaison de fissures en cupule et clivage/quasi-clivage, li e la phase de ferrite-delta dans les alliages haut taux de Si.Ce travail a galement d montr une corr lation entre la formation de martensite induite par la d formation et les ph nom nes de flux de mati re plastique dentele associ l'effet Potevin-Le Chatelier (PLC).Un comportement discontinu de transformation induite par la d formation a t observ , d la formation localis e de martensite au sein des bandes de PLC la nucl ation par intermittence et la propagation continue au cours de la traction.V

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