Understanding the role of thermomechanical treatments on precipitation kinetics and microstructure evolution in microalloyed steel

Abstract

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem Verständnis thermomechanischer Behandlungen (tmt) für mikrolegierte Stähle im Hinblick auf den Einfluss der verformungsbedingten Bildung komplexer (Ti,Nb,V)(C,N)-Ausscheidungen und intragranularem Ferrit sowie deren Auswirkungen auf das Gefüge des finalen Stahlprodukts. Flächenzentrierte kubische MX-Karbonitride (M=Ti,Nb,V; X=C,N) und komplexe Partikel aus (Mn,Cu)S+MX können als Vorkeime für die epitaktische Bildung von intragranularem Ferrit (IGF) dienen. Die Ausscheidung von MX-Karbonitriden, das Austenitkornwachstum, die Rekristallisationskinetik sowie die Ferritbildung werden experimentell untersucht und mit rechnerischen Vorhersagen der Simulationssoftware MatCalc verglichen. Die implementierten Simulationsmodelle werden mit physikalischen Parametern aus den experimentellen Untersuchungen kalibriert. Der experimentelle Teil der Forschung umfasst tmt im Rahmen von Druck- und Torsionsversuchen mit variierenden Parametern mittels Gleeble®, Untersuchungen mittels Dilatometer und Analysen mittels Hochtemperatur-Laserkonfokalmikroskopie. Die prädiktiven thermokinetischen Simulationen zielen darauf ab, das Verständnis für den Einfluss der Ausscheidung auf die Rekristallisation und für die Rolle der MX-Vorkeime auf die Ferritausscheidung zu vertiefen, was die technologische Prozessoptimierung unterstützen soll. Ein sogenanntes Oberflächen-Nukleation-Modell wird für die Bildung von epitaktischem Ferrit und MX auf bereits vorhandener Partikel angewendet. Die Modellierung der verformungsbedingten Ausscheidungs- und Rekristallisationskinetik erfolgt durch eine physikalisch basierte Evaluierung der Versetzungsdichteentwicklung in Kombination mit dem in MatCalc implementierten Modell für statische Rekristallisation. Die Anwendbarkeit der Modelle wird durch die Verwendung von Daten aus den Experimenten als Validierungsgrundlage sichergestellt, was auch die Bestimmung der Grenzen der Anwendbarkeit der kalibrierten Modelle ermöglicht, z. B. in Bezug auf die Temperatur, die Verformungsrate oder die Gehalte an Mikrolegierungselementen. Das konsistente Ineinandergreifen der bewerteten Modelle zur Bestimmung der Entwicklung der Versetzungsdichte, der Ausscheidungskinetik und des Rekristallisationsverhaltens wird durch eine Gesamtprozess-Simulation unter Verwendung von Parametern aus der Industrie nachgewiesen.

The focus of this thesis lies upon the understanding of thermomechanical treatments (tmt) for microalloyed steels concerning the influence of the deformation-driven formation of complex (Ti,Nb,V)(C,N) precipitates and intragranular ferrite as well as their effects on the microstructure of the final steel product. Face-centered cubic MX (M=Ti,Nb,V; X=C,N) carbonitrides and complex mixed particles of (Mn,Cu)S+MX can act as pre-nuclei for epitaxial intragranular ferrite (IGF) formation. The precipitation of MX carbonitrides, the austenite grain growth, recrystallization kinetics as well as ferrite formation are investigated experimentally and compared to computational predictions with the mean-field simulation software MatCalc. The implemented simulation models are calibrated with physical parameters from the experimental investigations. The experimental part of the research comprises tmt in the framework of compression tests and torsion tests with varying parameters carried out on Gleeble®, dilatometer investigations, and analyses using high-temperature laser confocal microscopy. The predictive thermokinetic simulations aim to deepen the understanding of the influence of precipitation for recrystallization and for the role of MX pre-nuclei for the ferrite precipitation, which is expected to support the technological process optimization. A so called on-particle nucleation model is applied for the formation of epitaxial ferrite and MX on the surface of pre-existing particles. Modeling of the deformation-affected precipitation and recrystallization kinetics is realized by a physics-based assessment of the dislocation density evolution in combination with the model for static recrystallization, implemented in MatCalc. The applicability of the models is assured using the data from experiments as validation base, which also allows for the determination of the usability limits of the calibrated models, in terms of, for instance, the temperature, deformation rate, or the extent of microalloying. The consistency of the interrelations between assessed models for the dislocation density evolution, precipitation kinetics, and the recrystallization behavior is evaluated by through-process simulation using process parameters from industry.