Deformation mechanisms of metastable stainless steels accessed locally by monotonic and cyclic nanoindentation

Abstract

Metastable austenitic stainless steels feature an abundance of different deformation mechanisms, which contribute to the distinguished mechanical properties of these alloys. However, these properties are known to depend on the local microstructure and also are highly anisotropic. Furthermore, deformation is expected to be different for the bulk and the surface of a sample. In this sense, a discrete study is not trivial. The present work aims at investigation of the main deformation mechanisms and their gradual evolution, by employing controlled deformation of individual austenite grains via monotonic and cyclic nanoindentation. The corresponding loading–unloading curves have given extensive information about underlying mechanical properties, which could be related to an exhaustive reconstruction of the deformation substructure, both in surface and bulk, by different small scale characterization techniques. Amongst others, features such as time-dependent deformation, reversible phase transformation under load, crystalline anisotropy and grain size influences, besides plasticity transmission and fatigue behavior have been found and analyzed.

Los aceros inoxidables austeníticos metaestables pueden experimentar una amplia gama de mecanismos de deformación diferentes, los cuales contribuyen a sus extraordinarias propiedades mecánicas. Sin embargo, estas propiedades dependen de la microestructura y son altamente anisotrópicas. Además, la deformación es diferente en la superficie y en el interior de una muestra. Por lo tanto, un estudio detallado no resulta trivial. El objetivo de este trabajo es el estudio de los principales mecanismos de deformación, así como de su desarrollo gradual. Para ello se han realizado ensayos de nanoindentación, tanto monotónica como cíclica, los cuales han permitido la deformación controlada de granos austeníticos preseleccionados. Las curvas de carga y descarga de los ensayos de nanoindentación han proporcionado amplia información sobre el comportamiento mecánico del acero, la cual se ha podido correlacionar con la reconstrucción detallada de las subestructuras de deformación, tanto a nivel superficial como en el interior, la cual se ha llevado a cabo mediante técnicas de caracterización a escala microscópica. Entre otros, se encontraron y estudiaron fenómenos como las transformaciones de fase reversibles bajo carga, la influencia tanto de la anisotropía cristalina como del tamaño de grano, mecanismos dependientes del tiempo, junto con la transmisión de plasticidad y la respuesta a fatiga.

Les aciers inoxydables austénitiques métastables sont le siège de différents mécanismes de déformation qui sont à l'origine des propriétés mécaniques qui distinguent ce type d’alliages. Cependant, ces dernières, dépendant de la microstructure locale, sont fortement anisotropes. Par ailleurs, la déformation d'un échantillon massif serait différente de celle obtenue en surface. De ce fait, une étude détaillée trouve tout son intérêt. Le présent travail vise donc à identifier les principaux mécanismes de déformation et de leur évolution progressive, en se basant sur une déformation contrôlée de grains austénitiques individuels par des tests mécaniques de nanoindentation monotoniques et cycliques. Les courbes correspondantes au chargement-déchargement révèlent des informations détaillées sur les propriétés mécaniques sous-jacentes qui pourraient être liées à une étude complète de la structure de déformation en surface et en volume par différentes techniques de caractérisation à une échelle très fine. La déformation en fonction du temps, les phénomènes de transformation de phase réversible sous charge, l'anisotropie cristalline, l'influences de la taille des grains, la transmission de la plasticité et la tenue en fatigue ont été mis en évidence et étudiés.