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 α′-martensite interfaces, to a combined dimple and cleavage/quasicleavage fracture, which was related to the brittle δ-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 développement d'aciers à haute résistance a reçu une attention croissante dans l'industrie sidé rurgique en vue des stratégies de réduction de poids recherchées par l'industrie automobile pour l'économie de carburant et la sécurité des véhicules.Dans ce contexte, les acier à teneur moyenne en manganè se (Mn) contenant de 3 à 12 m% de manganè se sont des candidats d'intérêt pour les aciers à haute ré sistance dits de troisiè me gé né ration (AHSS), ceci grâ ce à leurs proprié té s mé caniques supé rieures excé dant celles des AHSS de premiè re gé né ration mais aussi grâ ce aux coûts potentiellement plus faibles comparé s aux AHSS de deuxiè me gé né ration à haut taux de Mn.Les grains ultrafins et les hauts taux d'austénite résiduelle, accordables à divers effets TRIP (plasticité induite par transformation) et / ou TWIP (plasticité induite par jumelage), constituent les avantages clés de ce groupe d'aciers.L'objectif de cette thèse est de développer une meilleure compré hension de la relation procé dé -microstructure-proprié té s des aciers à teneur moyenne en Mn avec comme additifs Al et Si.Quatre aciers expé rimentaux de compositions Fe-0.2C-(7∼10)Mn-3Al-(0∼3)Si (en m.%) ont é té fabriqué s et analysé s.Le comportement de transformation de phase, en ce qui concerne la formation et la dé composition de la phase austé nitique, de deux é chantillons laminé s à chaud avec 3 m.%d'Al et 3 m.% de Si au cours du recuit intercritique a été d'abord investigué pour dé velopper une meilleure compré hension du contrôle microstructural de tels aciers.La microstructure de l'alliage le plus pauvre avec 7 m.% de Mn a été influencé sensiblement par la tempé rature de recuit, alors que la variante la plus riche avec 10 m.% de Mn pré sentait une microstructure stable en duplex ferrite-austénite contenant une quantité fixe d'austénite résiduelle, qui s'est avérée indépendante des variations des températures de recuit.A partir de ces ré sultats, un recuit contrôlé a é té appliqué à ces deux é chantillons laminé s à chaud, suivi par un procédé de laminage à froid durant lequel l'évolution microstructurale a été observée.La ré partition des contraintes, entre austé nite et ferrite, et la déformation de mâclage de l'austénite ont un rôle critique sur la capacité de laminage à froid de ces deux aciers.Enfin, le IV comportement de dé formation et les mé canismes de rupture des aciers à teneur moyenne en Mn ayant subi un recuit intercritique laminé s à froid ont é té é tudié s, en tenant compte plus particulièrement de l'effet des différents taux de Si (0∼3 m.%).Les ré sultats ont montré que les propriétés mécaniques des aciers dépendent de manière critique du taux d'austénite, des effets TRIP et TWIP activés dans l'austénite, ainsi que de la répartition des contraintes entre les phases d'austénite et de ferrite durant la déformation.Les mécanismes de fracture altérés avec différents taux de Si, peuvent être modifiés à partir d'une fissure en cupules due à la formation de pores, principalement aux interfaces martensitique alpha' de transformation causé e par la ferrite, ou à partir d'une combinaison de fissures en cupule et clivage/quasi-clivage, lié e à la phase de ferrite-delta dans les alliages à haut taux de Si.Ce travail a é galement dé montré une corré lation entre la formation de martensite induite par la dé formation et les phé nomè nes de flux de matiè re plastique dentelée associé à l'effet Potevin-Le Chatelier (PLC).Un comportement discontinu de transformation induite par la dé formation a é té observé , dû à la formation localisé e de martensite au sein des bandes de PLC à la nuclé ation par intermittence et à la propagation continue au cours de la traction.

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