Study of the microstructure and mechanical properties of TWIP steels deformed by ECAP

Abstract

In the current thesis, two TWIP steels with different chemical composition were successfully subjected to Severe Plastic Deformation with Equal Channel Angular Pressing (ECAP) at warm temperature (300°C), using a die with internal angle Ф= 90°, and an outer arc of curvature Ф=37°. The maximum strain around 4 (i.e. four pass of ECAP) and a ultra-fine grain size microstructure was obtained. Additionally, one pass of ECAP at room temperature was also tried for one of investigated TWIP steel. The microstructure was detected through different techniques, more specifically, Optical microscope (OM), Electron backscatter diffraction (EBSD), and Transmission electron microscopy (TEM). In the mean time, the mechanical properties before and after ECAP procedure with respect to micro-hardness and micro-tensile test were performed as well. Furthermore, in order to better understand the corresponding tensile mechanical property, as well as the effect of microstructure on twinning capability, the strain hardening behavior was analyzed and well associated with the corresponding microstructure obtained by EBSD and TEM.

Microstructure detection reveled that both two investigated TWIP steels in heat treated condition exhibit a relatively homogeneous microstructure composed of equiaxed grain. After ECAP procedure at 300°C, for both two TWIP steels, the grains are elongated and the grain size decrease sharply, especially after the first pass. The microstructure of each pass sample consists of three different features: new formed grain, twin boundaries and subgrains. The fraction of twin boundaries reduce with increase number of passes, as well as low angle grain boundaries. It can be concluded that the subgrains gradually form the new grains. The twin thickness also showed a reducing trend. The TEM micrographs demonstrated the exist of twins in ECAPed condition. More specifically, in heat treated samples, straight and not tangled dislocations can be found. After one pass, relatively wide twins with low fraction of second twin system is the main feature; after two passes of ECAP, the second twin system is more abundant while the twin thickness is lower; after four passes, extremely thin twins and subgrains were formed. The texture detected by EBSD showed in the heat treated condition that both two TWIP steels exhibit Brass and Goss as dominant component. After ECAP process, the dominant component move gradually from A1* to B . In terms of mechanical properties, the micro-hardness, the yield strength and the ultimate tensile strength increase significantly while the ductility and tensile toughness show a downward trend during ECAP procedure for both two TWIP steels. The strain hardening capability in heat treated condition is much higher than the ECAPed sample and the reasons are analyzed.

En la presente tesis, se sometió a dos aceros TWIP de composición diferente a procesos de Severa Deformación Plástica (SPD) por presión en canal angular de sección constante (ECAP), a 300oC. Para ello, se utilizó una matriz con un angulo interno Ф=90° y un arco exterior con un curvatura Ф=37°. Se llegó a aplicar una deformación alrededor de 4, correspodiente a 4 pases de ECAP, consiguiendo microestructuras de grano ultrafino. Además, se consiguió deformar a temperatura ambiente uno de los aceros mediante la aplicación de un pase de ECAP. Las microestructuras fueron caracterizadas mediante la aplicación de diferentes técnicas, más concretamente microscopía óptica (OM), difracción de electrones retrodispersados (EBSD) y microscopía electrónica de transmisión (TEM). Asmismo, las propiedades mecánicas previas y posteriores a la deformación por ECAP fueron determinadas por microdureza y ensayos de microtracción. Con el fin de comprender la interrelación entre las propiedades mecánicas, la microstructura y la capacidad de maclar del material, el comportamiento de endurecimiento por deformación se analizó en base a las microestructuras obtenidas por EBSD y TEM. La caracterización microestructural reveló que los dos aceros TWIP investigados presentaban una microestructura homogénea de granos equiáxicos en su condition de recocido. Tras la deformación por ECAP a 300ºC, ambos aceros presentaron granos alargados con un afino de grano pronunciado, sobretodo después del primer pase. La microestructura tras cada uno de los pases se caracteriza por la presencia de nuevos granos, subgranos y maclas. La fracción de los límites de macla se reduce con un aumento del número de pases, de la misma manera que la fracción de límites de grano de ángulo bajo, concluyéndose que los subgranos se transforman gradualmente en nuevos granos. It can be concluded that the subgrains gradually form the new grains. El espesor de la maclas también mostró una tendencia decreciente con el número de pases. Las micrografías por TEM demostraron la presencia de maclas para las probetas deformadas por ECAP, a pesar de la temperatura a la que se llevó a cabo el proceso. En particular, las probetas recocidas se detectaron dislocaciones rectas y sin enmarañamiento. Después de un pase, las maclas que aparecían eran relativamente anchas con poco maclado secundario. Tras dos pases, el maclado secundario aumenta, con una reducción del espesor de las maclas. Después de cuatro pases, se observan maclas extremadamente finas y gran formación de subgranos. La textura, caracterizada por EBSD mostró que en la condición de recocido ambos aceros mostraban componentes Brass y Goss dominantes. Tras la deformación por ECAP, el componente dominante se movió gradualmente de A1* a B. En lo relativo a las propiedades mecánicas, tanto la microdureza, como el límite elástico y resistencia máxica aumentaron con el número de pases, a la vez que la ductilidad y tenacidad disminuían. Por otro lado, el enduremiento por deformación era máximo para la condición de recocido, aunque dada la gran deformación aplicada en cada pase, el material seguía reteniendo capacidad de endurecer después de uno y dos pases de deformación por ECAP.