TRIP-Assisted Thin Sheet Steel with a Bainitic And/Or Martensitic Matrix
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TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN Fakultät für Maschinenwesen Lehrstuhl für Werkstoffkunde und Werkstoffmechanik mit Materialprüfamt für den Maschinenbau TRIP-assisted Thin Sheet Steel with a Bainitic and/or Martensitic Matrix Effects of Alloying Elements and Heat Treatment on Phase Transformations, Microstructures, and Mechanical Properties Katharina Maria Angelika Hausmann Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigten Dissertation. Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Markus Lienkamp Prüfer: 1. Univ.-Prof. Dr. mont. habil. Dr. h. c. Ewald Werner 2. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck, RWTH Aachen Die Dissertation wurde am 15.10.2014 bei der Technischen Universität München eingereicht und durch die Fakultät für Maschinenwesen am 13.03.2015 angenommen. Meiner Familie gewidmet... To my family... ii Danksagung Zuallererst danke ich Herrn Prof. Dr. Ewald Werner, Inhaber des Lehrstuhls für Werkstoffkunde und Werkstoffmechanik an der Technischen Universität München, für die Unterstützung und Förderung dieser Arbeit und die Übernahme des Hauptreferats. Herrn Prof. Dr. Wolfgang Bleck, Leiter des Instituts für Eisenhüttenkunde an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen, danke ich für die Übernahme des Koreferats. Mein besonderer Dank gilt Herrn Dr. Andreas Pichler, Leiter der Forschung und Entwicklung Business Unit Band der voestalpine Stahl GmbH, für die Möglichkeit, an diesem Thema arbeiten und durch viele interessante Diskussionen und Anregungen von ihm lernen zu dürfen. Ich danke Herrn Dr. Daniel Krizan, Projektleiter der Werkstoffentwicklung Kaltband voestalpine Stahl GmbH, besonders für die Einführung in das Thema und die Erfahrungsweitergabe. Für die finanzielle Unterstützung und die Möglichkeit, in Forschung, Entwicklung und Produktion zu arbeiten, danke ich der voestalpine Stahl GmbH. Der gesamten Forschungsgruppe gilt mein Dank für das ausgezeichnete Arbeitsklima und die ständige Bereitschaft zu Diskussionen und Erfahrungsaustausch. Ich danke den engagierten Mitarbeitern der Werkstoffentwicklung, der Prüf- technik und Analytik sowie der Umformtechnik der voestalpine Stahl GmbH für die Hilfsbereitschaft, die qualitativ hochwertigen Untersuchungen und die fachlichen Diskussionen. Allen Beteiligten danke ich für die konstruktive Zusammenarbeit bei der Produktion der Stahlgüten. Schließlich danke ich der Alloy Development Group Seibersdorf für die Unterstützung bei den TEM-Untersuchungen. iii Zusammenfassung Stahlfeinblech mit bainitischem und/oder martensitischem Gefüge und Restaustenit gewinnt in der Automobilindustrie auf Grund seines Potentials zur Verringerung des Treibstoffverbrauchs von Fahr- zeugen zunehmend an Bedeutung. Die hohe Festigkeit dieser Stähle der dritten Generation der ad- vanced high strength steels (AHSS) ermöglichen die Massereduzierung von Fahrzeugen bei Erhaltung oder Verbesserung der Sicherheitsstandards. Ein wesentlicher Vorteil von Stahl mit bainitischem und/oder martensitischem gegenüber polygonal-ferritischem Gefüge ist die geringerer Kantenriss- empfindlichkeit und das dadurch verbesserte Crashverhalten. Der Restaustenit erhöht die Dehnung und verbessert somit die Tiefziehbarkeit des Stahls. Viele bisher entwickelten TRIP-assisted bainitic- ferritic (TBF) und Quench- und Partitioning (Q&P)-Stähle enthalten 1,5 Massenprozent Silizium zur Verhinderung der Zementitausscheidung insbesondere während der Auslagerung. Bei der Pro- duktion von Stählen mit diesem Siliziumgehalt wurde jedoch eine Oxidschicht auf den Walzen und den nachfolgenden Stahlbändern beobachtet. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und die industrielle Herstellung bainitischer und/oder martensitischer Stähle mit Restaustenit der dritten Generation der AHSS und einem Siliziumgehalt von weniger als 1 Massenprozent. Dazu wurde der Einfluss des Legierungskonzepts und der Wärmebehandlung auf das Gefüge und die mechanischen Eigenschaften von TBF und Q&P-Stählen untersucht. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass TBF und Q&P-Stähle mit geringeren Siliziumgehalten als bisher üblich bei geschickter Wahl der restlichen Zusammensetzung und der Wärmebehandlung ähnliche Kombinationen an Festigkeit, Dehnung und Lochaufweitung aufweisen können. Durch die Zugabe von Mangan wird für niedrige Auslagerungstemperaturen ein höherer Restaustenitanteil er- zielt. Durch die Zugabe von Niob wird das Gefüge verfeinert, die Umwandlung beschleunigt und die Morphologie des Bainit geändert. Das Absenken der Abschrecktemperatur führt zu größerer Loch- aufweitung. Mit geringen Mengen polygonalen Ferrits kann der Restaustenitanteil und die Dehnung bei gleicher Festigkeit erhöht werden, ohne dabei die Lochaufweitung wesentlich zu verringern. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse flossen in die industrielle Produktion von TBF und Q&P-Stählen einer Zugfestigkeit von 980 und 1180 MPa ein. iv Abstract As part of the third generation of advanced high-strength steels (AHSS) TRIP-assisted steels have been developed to improve vehicle fuel economy and passenger safety. In 2013, TRIP-assisted steels with bainitic and/or martensitic matrix with a tensile strength of 1180 MPa were adopted by a Japanese automobile manufacturer. The main advantage of the new steel grades is their excellent stretch-flangeability and improved crash performance compared to TRIP-assisted steels with polyg- onal ferritic matrix. The commercialized TRIP-assisted bainitic-ferritic (TBF) and Quench and Partitioning (Q&P) steels comprise a silicon content of 1.5 mass % to avoid cementite formation during overaging. This silicon content results in a silicon oxide layer that is picked up by the rolls on the production line and causes undesirable indentations on the following sheet surface. In the present work, TBF and Q&P steels with a silicon content below 1 mass % and a tensile strength of 980 MPa and 1180 MPa were systematically investigated. The effect of alloying concepts and heat treatments on phase transformations, microstructures, and mechanical properties was studied in detail. The results of this work show that for specific alloying concepts and heat treat- ments, TBF and Q&P steels with reduced silicon contents can exhibit combinations of strength, elongation, and hole expansion strain which are similar to those of the steels with conventional silicon contents. Higher amounts of manganese result in higher amounts of retained austenite for low overaging temperatures. The addition of niobium refines the microstructure, accelerates the phase transformations, and changes the morphology of the bainite. A lower quench temperature results in higher hole expansion strain. The introduction of small amounts of polygonal ferrite into the microstructure can enhance the amount of retained austenite and elongation for the same strength level without affecting the hole expansion strain. On the basis of laboratory investigations, new alloying and processing strategies for TBF and Q&P steels were developed in order to yield enhanced combinations of strength, elongation, and stretch-flangeability. The newly designed 980 and 1180 MPa grades were successfully produced in the industrial line. v vi Contents 1 Introduction 1 2 Literature 5 2.1 TBF and Q&P steels....................................5 2.2 Alloying elements in TBF and Q&P steels........................8 2.2.1 Carbon.......................................8 2.2.2 Silicon........................................9 2.2.3 Manganese.....................................9 2.2.4 Chromium...................................... 10 2.2.5 Niobium....................................... 10 2.3 Microstructure and mechanical properties........................ 11 2.3.1 Strength and strengthening mechanisms..................... 11 2.3.2 Strain-hardening behaviour............................ 12 2.3.3 Failure mechanism................................. 16 3 Experimental Procedure 19 3.1 Laboratory production of annealed sheets........................ 19 3.1.1 Material....................................... 19 3.1.2 Production of cold-rolled sheets.......................... 19 3.1.3 Annealing cycles.................................. 21 3.1.4 Laboratory annealing of industrially cold-rolled sheets............. 21 3.2 Industrial production of annealed sheets......................... 22 3.2.1 Material....................................... 22 3.2.2 Production of cold-rolled sheets.......................... 23 3.2.3 Annealing cycles.................................. 23 3.3 Microstructure characterization and mechanical testing................. 23 3.3.1 Metallography................................... 23 3.3.2 Magnetic measurements.............................. 25 3.3.3 X-ray diffraction.................................. 26 3.3.4 Dilatometry..................................... 26 3.3.5 Mechanical testing................................. 27 4 Results 29 4.1 Influence of alloying elements on TBF and Q&P sheet steel.............. 29 4.1.1 Silicon in the 980 grade.............................. 29 4.1.2 Silicon in the 1180 grade.............................. 33 4.1.3 Manganese in the 980 grade............................ 36 4.1.4 Manganese in the 1180 grade........................... 39 4.1.5 Chromium in the 980 grade............................ 43 vii viii CONTENTS 4.1.6 Chromium in the 1180 grade........................... 46 4.1.7 Niobium in the 980 grade............................. 50 4.1.8 Niobium in the 1180 grade............................