Twin induced plasticity (TWIP) steel is a new type of structural steel, which is characterized by both high strength and superior ductility. The key to twin formation lies in the control of the stacking fault energy (SFE) of the alloy. In this thesis, the effect of heat treatment on the tensile property and microstructure of a Fe-10Mn-3Al-0.6C alloy was studied. After annealing at 675¢J for different times, It was found that both austenite and ferrite phases existed. The volume fraction and composition of these two phases did not change significantly by the heat treatment conditions used. When annealed at 675¢J, increasing annealing time caused the carbides formed at grain boundaries gradually dissolved, and led to the higher ultimate tensile stress, 900MPa, and elongation, 40%. Deformation twins were formed in the austenite phase after tensile test in the annealed specimens, indicating that TWIP behavior occurred. The best tensile property of Fe-10Mn-3Al-0.6C alloy obtained by annealing at 675¢J is within the target property of the 3rd AHSS.

Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2007

Les aciers à effet TWIP (TWinning Induced Plasticity) suscitent un regain d'intérêt au niveau de la sidérurgie mondiale car ils combinent simultanément très haute résistance mécanique et très grande ductilité. Ces excellentes propriétés mécaniques sont liées à la présence de maclage mécanique, mécanisme connu sous le nom d'effet TWIP. L'objectif majeur de cette thèse est d'étudier l'effet TWIP sur plusieurs nuances d'aciers Fe-Mn (entièrement austénitiques, austéno-ferritiques duplex) afin de développer une loi de comportement prédictive des aciers à effet TWIP. La première partie de cette thèse fut donc consacrée à la détermination du comportement des aciers austénitiques Fe-Mn-C à effet TWIP. Pour ce faire, un modèle micromécanique par transition d'échelle en élastoviscoplasticité a été développé en se basant sur une description physique des mécanismes de déformation considérés dans cette étude: glissement cristallographique et maclage mécanique. Les interactions macle-glissement et macle-macle en relation avec le comportement de l'écrouissage à l'échelle du polycristal et à l'échelle du grain ont été finement analysé. La seconde partie de ce travail a été consacrée à la caractérisation du comportement d'aciers duplex Fe-Mn-Al-C par la Diffraction des Rayons X afin d'évaluer les contraintes internes initiales dans les deux phases ainsi que leur évolution avec la déformation au cours d'un essai mécaniques in situ. Une modélisation du comportement d'aciers duplex a été établie dans le but de développer un outil d'optimisation de la microstructure (proportion de la phase ferritique/austénitique) dans une approche "Alloy design". Puis, des essais de traitement thermique ont été faits afin de favoriser le maclage dans les aciers duplex / Steels having TWIP effect (TWinning Induced Plasticity) are very interesting for the worldwide siderurgy, because they simultaneously combine very high mechanical strength and ductility. These excellent mechanical properties are related to the presence of mechanical twinning, the so-called TWIP effect. The major objective of this thesis is to study the TWIP effect on several grades of Fe-Mn steels (entirely austenitic, austeno-ferritic duplex) in order to develop a predictive behavior law of steels with TWIP effect. The first part of this work consisted of the modelling of the behavior of Fe-Mn-C austenitic steels having TWIP effect. A micromechanical model using the scale transition method in elastoviscoplasticity has been developed. It is based on a physical description of the deformation mechanisms considered in this study: crystallographic slip and mechanical twinning. The twin-slip and twin-twin interactions in relation with the hardening behaviour at the polycrystal scale and the grain scale have been finely analyzed.The second part of this work is concentrated on the characterization of the behavior of Fe-Mn-Al-C duplex steels by X-rays diffraction in order to evaluate the initial internal stresses in the two phases as well as their evolution with the deformation during an in situ tensile test. A modeling of the duplex steel behavior was established in order to develop an optimization tool of the microstructure (proportion of the ferritic/austenitic phase) in an approach "Alloy design". Then, tests of heat treatment were made in order to generate the TWIP effect in the duplex steels

Methods designed for incorporation into multiscale modeling polycrystals are presented in this work in two tasks. This work contains mesoscale methods for capturing the effects of both the interactions of slip dislocations encountering twin grain boundaries and the simultaneous growth of multiple twin grain volume fractions on mechanical hardening and texture evolution. These are implemented in a crystal plasticity framework using the Los Alamos visco-plastic self consistent code, VPSC-7. Presented here, the effects of simultaneous growth in multiple twin variants on textural evolution is tracked using a Kalidindi-type twin volume transfer scheme. In Task 1, the implementation of this scheme in order to simulate the texture of Twinning Induced Plasticity steels (TWIP) subjected to Equal Channel Angular Pressing (ECAP) are summarized. In Task 2, the hardening effects of two types of interactions between slip dislocations and encountered twin grain boundaries, namely dislocation transmutation and dissociation, are captured by way of modifying the dislocation density based hardening model of [14]. Interactions of the first type are presented in a constitutive relation calculating the amount of dislocation density apportioned to a given slip system contained within the encountered twin volume fraction from each interacting slip system in the parent volume fraction. The amount transmuted from each interacting slip system described using the Correspondence Method, an onto mapping of slip systems in a parent grain to slip systems in considered twin grains. Interactions of the second type are then introduced into this constitutive relation as a disassociation parameter, the value of which is established by observations gleaned from the results of the molecular dynamics simulations of [11] and [36]. These methods are implanted to simulate the anisotropic hardening behavior of HCP magnesium under multiple load paths.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Schweißbarkeit von hochlegierten TRIP-Matrix Verbundwerkstoffen (TMC) mit und ohne MgO teilstabilisiertem ZrO2 (Mg-PSZ) als Partikelverstärkungsphase mit Hilfe des Elektronenstrahl-Fügeverfahrens erstmals umfassend untersucht. An arteigenen, partikelfreien Fügeverbindungen wurde durch eine breite Parametervariation die Schweißnahtgeometrie, sowie die Auswirkungen des lokalen Temperaturgradienten auf die Mikrostrukturentwicklung untersucht. Die Schweißbarkeit der partikelfreien Stahlmatrix (3-9 Gew.-% Ni) ist sehr gut und wird durch die Neigung zum Humping beschränkt, die mit zunehmendem Nickelgehalt abnimmt. Unter quasistatischer und dynamischer Beanspruchung führt das Schweißen zu keiner signifikanten Beeinflussung der mechanischen Kennwerte. Lediglich bei zyklischer Beanspruchung kommt es zu einer Lebensdauerverringerung durch den Schweißprozess, die in der angegebenen Reihenfolge zunimmt: 16-7-3 --> 16-6-9 --> 16-7-6. Des Weiteren wurden zahlreiche Schweißungen an arteigenen, partikelverstärkten Fügeverbindungen durchgeführt, die trotz zahlreicher Optimierungen keine ausreichende Schweißbarkeit aufweisen. Grund dafür ist die Wechselwirkung zwischen Elektronenstrahl und Mg-PSZ-Partikeln, die zur explosionsartigen Verdampfung und der Bildung eines Hohlraums in der Schweißnahtmitte führen. Es wurden deshalb artfremde Schweißversuche durchgeführt, die in Abhängigkeit der Schweißgeschwindigkeit Rückschlüsse auf die zulässige Menge an Mg-PSZ in der Schweißzone zuließen. Durch EBSD und TEM-Untersuchungen konnten Grenzzustände für die Aufschmelzung des Verbundwerkstoffs identifiziert werden. Im letzten Teil der Arbeit wurde erstmal ein EB-Lötprozess mit Hilfe einer im Rahmen der Arbeit entwickelt und optimierten temperaturgesteuerten Leistungsregelung erfolgreich realisiert. Durch numerische Berechnungen konnte sowohl die laterale Energieverteilungsfunktion des Elektronenstrahls als auch die Spaltfüllung durch Wärmeausdehnung optimiert werden. Die entstandenen Lotverbindungen wurden mittels lichtmikroskopischer Aufnahmen und ESBD-Untersuchungen charakterisiert, zeigen eine hervorragende Anbindung durch ein chemisches Schmelzen des TMC-Grundwerkstoffs und besitzen Zugfestigkeiten von Rm ≤ 390 MPa.

Grâce à l'optimisation de l'effet TWIP (Twinning Induced Plasticity) et à la maîtrise de la microstructure (basse énergie de défaut d'empilement, austénite stable à grains fins), les aciers austénitiques Fe-Mn-C combinent une excellente ductilité à une résistance mécanique élevée. L'étude s'intéresse aux paramètres mécaniques critiques menant à la rupture ductile en mode slant (biseau dans l'épaisseur) et aux aspects physiques de l'endommagement dans le but de déterminer un critère de rupture quantitatif. Le comportement plastique de l'acier TWIP présente un caractère anisotrope et cinématique avec une déformation hétérogène en traction uniaxiale due à un mécanisme de pseudo-vieillissement dynamique. Après avoir déterminé la loi de comportement, la courbe limite de formage a pu être établie par comparaison entre résultats expérimentaux et prédictions du modèle mécanique, dans une large gamme de triaxialité des contraintes. Quel que soit le mode de déformation considéré, la rupture s'effectue brutalement en mode slant sans striction localisée. Peu d'endommagement, y compris en trois dimensions, a été observé autour des zones de rupture. Un critère de rupture phénoménologique basé sur la contrainte équivalente et sur l'angle de Lode, redéfinis tous deux dans l'équivalent de Barlat, permet de prédire de façon correcte la formabilité de l'acier TWIP. L'influence de la pression hydrostatique et du mécanisme de pseudo vieillissement dynamique sur la courbe limite de formage est discutée.

<p>This report is a review on aspects of constitutive modelling of high strength steels. Aspects that have been presented are basic crystallography of steel, martensite transformation, thermodynamics and plasticity from a phenomenological point of view. The phenomenon called mechanical twinning is reviewed and the properties of a new material type called TWIP-steel have been briefly presented. Focus has been given on phenomenological models and methods, but an overview over multiscale methods has also been given.</p>

This report is a review on aspects of constitutive modelling of high strength steels. Aspects that have been presented are basic crystallography of steel, martensite transformation, thermodynamics and plasticity from a phenomenological point of view. The phenomenon called mechanical twinning is reviewed and the properties of a new material type called TWIP-steel have been briefly presented. Focus has been given on phenomenological models and methods, but an overview over multiscale methods has also been given.

Les méthodes conçues pour être incorporées dans des polycristaux de modélisation multi-échelles sont présentées dans ce travail en deux tâches. Ce travail contient des méthodes à moyenne échelle pour capturer les effets des interactions de dislocations de glissement rencontrant des joints de grains maclage et la croissance simultanée de plusieurs fractions de volume de grains maclage sur le durcissement mécanique et l’évolution de la texture. Celles-ci sont mises en œuvre dans un cadre de plasticité cristalline utilisant le code visco-plastic-self consistent de Los Alamos, VPSC-7. Présentés ici, les effets de la croissance simultanée de multiples variantes maclage sur l’évolution de la texture sont suivis à l’aide d’un schéma de transfert de volume double de type Kalidindi. Dans la tâche 1, la mise en œuvre de ce schéma afin de simuler la texture des aciers à plasticité induite par maclage (TWIP) soumis au pressage angulaire à canal égal (ECAP) est résumée. Dans la tâche 2, les effets de durcissement de deux types d’interaction entre les dislocations de glissement et les joints de grain maclage rencontrés, à savoir la transmutation et la dissociation de dislocation, sont capturés au moyen de la modification du modèle de durcissement basé sur la densité de dislocation de [11]. Les interactions du premier type sont présentées dans une relation constitutive calculant la quantité de densité de dislocations attribuée à un système de glissement donné contenu dans la fraction de volume maclage rencontrée à partir de chaque système de glissement en interaction dans la fraction de volume mère. La quantité transmutée à partir de chaque système de glissement en interaction décrit à l’aide de la méthode de correspondance, sur la cartographie des systèmes de glisse- ment d’un grain parent à des systèmes de glissement dans des grains maclage considérés. Des interactions du second type sont ensuite introduites dans cette relation constitutive en tant que paramètre de dissociation, dont la valeur est établie par les observations tirées des résultats des simulations de dynamique moléculaire de [8] et [53]. Ces méthodes sont implantées pour simuler le comportement de durcissement anisotrope du magnésium HCP sous plusieurs chemins de charge / Methods designed for incorporation into multiscale modeling polycrystals are presented in this work in two tasks. This work contains mesoscale methods for capturing the effects of both the interactions of slip dislocations encountering twin grain boundaries and the simultaneous growth of multiple twin grain volume fractions on mechanical hardening and texture evolution. These are implemented in a crystal plasticity framework using the Los Alamos viscoplastic self-consistent code, VPSC-7. Presented here, the effects of simultaneous growth in multiple twin variants on textural evolution is tracked using a Kalidindi-type twin volume transfer scheme. In Task 1, the implementation of this scheme in order to simulate the texture of Twinning Induced Plasticity steels (TWIP) subjected to Equal Channel Angular Pressing (ECAP) are summarized. In Task 2, the hardening effects of two types of interactions between slip dislocations and encountered twin grain boundaries, namely dislocation transmutation and dissociation, are captured by way of modifying the dislocation density based hardening model of [11]. Interactions of the first type are presented in a constitutive relation calculating the amount of dislocation density apportioned to a given slip system contained within the encountered twin volume fraction from each interacting slip system in the parent volume fraction. The amount transmuted from each interacting slip system described using the Correspondence Method, an on to mapping of slip systems in a parent grain to slip systems in considered twin grains. Interactions of the second type are then introduced into this constitutive relation as a disassociation parameter, the value of which is established by observations gleaned from the results of the molecular dynamics simulations of [8] and [53]. These methods are implanted to simulate the anisotropic hardening behavior of HCP magnesium under multiple load paths

Les très bonnes propriétés mécaniques de l'acier TWIP (TWinning Induced Plasticity) Fe-22Mn-0.6C résultent de l'activation du glissement des dislocations et du maclage mécanique. L'augmentation de la fraction de macles avec la déformation conduit à la réduction du libre parcours moyen des dislocations (effet Hall-Petch dynamique). L'objectif de ce travail était de fournir une analyse et une compréhension plus approfondies du comportement mécanique de cet acier pour différents modes de sollicitation. Nous avons étudié le comportement mécanique lors de différents trajets de déformation (traction, cisaillement simple et réversible, changements de trajets) et plus particulièrement l'évolution de l'écrouissage en relation avec les évolutions microstructurales analysées par diffraction de rayons X, MEB FEG EBSD et MET. En combinant les données obtenues par EBSD et par DRX, nous proposons une approche qui permet d’évaluer la fraction de macles. Le croisement des observations mécaniques et microstructurales nous a permis de montrer que les différents stades d’écrouissage sont liés à des caractéristiques particulières de la microstructure et de la texture, l'interaction entre macles et dislocations conduisant à une augmentation de l'écrouissage. Le maintien de l'écrouissage à un niveau élevé est favorisé par l'activation de deux systèmes de maclage et par l'évolution de texture permettant ce mode de déformation au sein du polycristal. Nous avons observé que la manifestation des différents stades d’écrouissage et de l'effet TWIP varie suivant le type de sollicitation. Les essais en cisaillement réversible ont mis en évidence un effet Bauschinger très prononcé relié à l’effet Hall-Petch dynamique. L'empilement des dislocations aux joints de grains et de macles crée des champs de contraintes locaux qui influencent le comportement au trajet retour. Ces résultats expérimentaux nous ont permis de tester les capacités prédictives d'un modèle micromécanique élasto-viscoplastique à transition d'échelles incorporant l'effet TWIP. Les simulations des trajets monotones de déformation sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Pour améliorer les prévisions des essais de cisaillement réversible et de changement de trajet, des perfectionnements sont proposés / The TWIP steel (Twinning Induced Plasticity) Fe-22Mn-0.6C exhibits outstanding mechanical properties combining a good ductility and a high mechanical resistance thanks to the activation of dislocation glide and mechanical twinning. As the volume fraction of twins increases with the deformation, the mean free path of the dislocations is reduced (dynamical Hall-Petch effect). The goal of this study was to supply a much more precise analysis and understanding of the mechanical behavior of this TWIP steel during different mechanical loadings. We studied the mechanical behavior during different mechanical loadings (tension, simple and reverse shear, strain path changes), and more precisely the strain hardening evolution in relation to the microstructure and texture evolutions analyzed by X-ray diffraction, FEG SEM EBSD and TEM. By combining data obtained by EBSD and X-rays diffraction, we propose an approach that allows us to evaluate the twin volume fraction. The examination of the mechanical and microstructural observations allowed us to show that the different stages of hardening are linked to particular characteristics of the microstructure and texture, the interaction between dislocations and twins leading to an increase of the hardening. The hardening is maintained at a high level by the activation of two twin systems and by the texture evolution. The latter sustains this mode of deformation in the polycrystal. We also observed that the occurrence of the different stages of hardening and of the effect TWIP varies according to the type of solicitation imposed. The analysis of the mechanical behavior during reverse shear tests showed that the steel exhibits a strong Bauschinger effect related to the dynamic Hall-Petch effect. The dislocation piles-up at grain and twin boundaries create local stress fields that influence the mechanical behavior during the reverse deformation. Finally, these experimental results allowed us to check the predictive capacities (mechanical behavior, twin kinetics, texture) of an elasto-viscoplastic micromechanical model incorporating the TWIP effect. The simulations of monotonous deformation are in good agreement with experimental results. To improve prediction of the reverse shear tests and strain path changes, additional developments are suggested