Effect of retained austenite transformation on the fatigue behaviour of aluminum containing TRIP steels

Abstract

TRansformation Induced Plasticity (TRIP) steels have been found to offer significant advantages in their mechanical behaviour such as high strength and formability due to a gradual strain hardening mechanism induced by the transformation effect. Their fatigue performance has also been found to be influenced by the TRIP effect, specifically under low cycle fatigue conditions, which are accompanied by cyclic plastic strains assisting retained austenite transformation. Despite the existing research attempts there is still insufficient experimental evidence on the influence of transformation on the mechanical behaviour, specifically under elastic and plastic cyclic strains. In the present Thesis a thorough experimental investigation is carried out to investigate the TRIP effect on the monotonic and cyclic performance of Al-containing TRIP steels. The materials' fatigue behaviour is examined in the Low and High Cycle fatigue regimes and specific attention is given to the fatigue crack initiation problem. The experimental results are supported by measurements of retained austenite transformation using the saturation magnetization technique. The role of TRIP steel microstructure is considered in the investigation, which includes examination of TRIP steels with differences in heat treatment conditions and/or chemical composition.The experimental findings suggest that fatigue performance is related to the amount of transformation during cyclic loading and the effect is different under elastic or plastic cyclic straining. Regarding the microstructure, the influence of transformation on mechanical behaviour is mainly related to the particle size of retained austenite and ferrite.In the second part of the Thesis an analytical approach is developed for the assessment of crack initiation life at the root of a notch under cyclic loading. In the analysis, the localized stress strain field at the tip of the notch is calculated numerically with the use of the finite element method. Consequently, the numerical results are used as input in well established fatigue models, to predict the fatigue cycles for the development of a small crack at the notch root of 250μm length. The analytical results are compared with the experiments to assess the reliability of the method to predict fatigue crack initiation in TRIP steels and the findings are satisfactory.

Οι χάλυβες με TRIP προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα στην σύγχρονη αυτοκινητοβιομηχανία, όπως η υψηλή αντοχή και η διαμορφωσιμότητα λόγω του σταδιακού μηχανισμού σκλήρυνσης που προκαλείται από το φαινόμενο του μετασχηματισμού του παραμένοντα σε μαρτενσίτη. Η συμπεριφορά τους σε κόπωση έχει επίσης βρεθεί ότι επηρεάζεται από την επίδραση του μετασχηματισμού TRIP, ειδικά υπό συνθήκες ολιγοκυκλικής κόπωσης, οι οποίες συνοδεύονται από κυκλικά πλαστικά φορτία, τα οποία βοηθούν τον μετασχηματισμό του παραμένοντα ωστενίτη. Παρά τις υπάρχουσες ερευνητικές προσπάθειες, εξακολουθούν να υπάρχουν ανεπαρκείς πειραματικές ενδείξεις για την επίδραση του μετασχηματισμού στη μηχανική συμπεριφορά, συγκεκριμένα υπό ελαστικά και πλαστικά κυκλικά φορτία. Στην παρούσα εργασία διεξάγεται εμπεριστατωμένη πειραματική έρευνα για να διερευνηθεί η επίδραση του φαινομένου TRIP στην μονοτονική και κυκλική συμπεριφορά χαλύβων TRIP που περιέχουν αλουμίνιο. Η συμπεριφορά κόπωσης των υλικών εξετάζεται στις περιοχές ολιγοκυκλικής και πολυκυκλικής κόπωσης ενώ δίδεται και ιδιαίτερη προσοχή στο πρόβλημα της έναρξης της ρωγμής κόπωσης. Τα πειραματικά αποτελέσματα υποστηρίζονται από μετρήσεις του μετασχηματισμού του παραμένοντα ωστενίτη χρησιμοποιώντας την τεχνική της μαγνήτισης κορεσμού. Ο ρόλος της μικροδομής των χαλύβων TRIP λαμβάνεται υπόψη κατά την έρευνα, ο οποίος περιλαμβάνει την εξέταση χαλύβων TRIP με διαφορές στις συνθήκες θερμικής κατεργασίας ή/και τη χημική σύσταση.Τα πειραματικά ευρήματα υποδεικνύουν ότι η συμπεριφορά κόπωσης σχετίζεται με την ποσότητα του μετασχηματισμού κατά την κυκλική φόρτιση και τα αποτελέσματα είναι διαφορετικά κάτω από ελαστικές ή πλαστικές κυκλικές τάσεις. Όσον αφορά τη μικροδομή, η επίδραση του μετασχηματισμού στη μηχανική συμπεριφορά σχετίζεται κυρίως με το μέγεθος των σωματιδίων του παραμένοντα ωστενίτη και του φερρίτη.Στο δεύτερο μέρος της εργασίας αναπτύσσεται μια αναλυτική μεθοδολογία για την εκτίμηση της διάρκειας ζωής για την εκκίνηση ρωγμής στη ρίζα μιας εγκοπής υπό κυκλική φόρτιση. Στην ανάλυση, το τοπικό πεδίο τάσεων- παραμορφώσεων στην αιχμή της εγκοπής υπολογίζεται αριθμητικά με τη χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων. Συνεπώς, τα αριθμητικά αποτελέσματα χρησιμοποιούνται ως είσοδο σε ήδη υπάρχοντα εδραιωμένα μοντέλα κόπωσης, για να εκτιμηθούν οι κύκλοι κόπωσης που απαιτούνται για την δημιουργία μιας μικρής ρωγμής στην ρίζα της εγκοπής μήκους 250 μm. Τα αναλυτικά αποτελέσματα συγκρίνονται με τα πειραματικά με σκοπό την αξιολόγηση της αξιοπιστίας της μεθόδου να εκτιμά την έναρξη της ρωγμής κόπωσης στους χάλυβες TRIP και τα ευρήματα είναι ικανοποιητικά.