Abstract In this thesis, the hot deformation behavior of stabilized 12–27% Cr ferritic stainless steels was investigated in order to find ways to improve the current hot rolling schedules for enhancing texture structures and deep drawability of the end product. Hot deformation was studied using axial and plane strain compression in two thermomechanical simulators: a Gleeble and a TMC machine. In addition to flow stress measurements, the resultant microstructures and textures were investigated using electron backscatter diffraction (EBSD), and the dislocation structures using transmission electron microscopy (TEM). In the case of 21% Cr steel, industrial multi-pass hot rolling, including low finish rolling temperatures, was simulated in order to investigate the microstructure and texture development under varying deformation conditions. Flow behavior of high-Cr ferritic stainless steels during hot deformation was mainly controlled by intense dynamic recovery. However, the deformation conditions greatly affected the extent of dynamic recovery. Cr increased the flow stress through solid solution hardening, although increasing the Cr content reduced the activation energy for hot deformation. Two modeling approaches for flow stress were successfully applied: an empirical constitutive equation and a dislocation density-based flow stress model. Continuous dynamic recrystallization was identified regardless of the Zener-Hollomon parameter, whereas discontinuous dynamic recrystallization was not observed. Static recrystallization slowed down towards the completion of the process, and especially the α fiber grains were difficult to recrystallize. Static recrystallization was enhanced by lowering the deformation temperature to 800 °C or below due to the accelerating effect of in-grain shear bands on the static recrystallization kinetics. However, an intensifying effect on γ fiber texture development was achieved after deformation at 600 °C or below. Two different improved process routes for hot rolling were proposed based on the results: 1) sufficiently long inter-pass times together with lowering the finish rolling temperature in order to promote static recrystallization during inter-pass times and hot band annealing, and 2) hot band annealing preceded by a warm rolling procedure, in which thin gauge hot band is produced by multiple heavy warm rolling deformation passes. / Tiivistelmä Tässä väitöstyössä tutkittiin stabiloitujen 12–27 % kromia sisältävien ferriittisten ruostumattomien terästen käyttäytymistä kuumamuokkauksessa tavoitteena kehittää nykyisin käytössä olevia kuumamuokkauskäytäntöjä lopputuotteen tekstuurirakenteen ja siten sen syvävedettävyyden parantamiseksi. Kuumamuokkausta simuloitiin sylinteri- ja tasomuodonmuutospuristuskokeilla Gleeble- ja TMC-laitteistoissa. Kokeista saatuja jännitys–venymä-käyriä analysoitiin ja syntyneet mikrorakenteet ja tekstuuri tutkittiin EBSD-menetelmällä pyyhkäisyelektronimikroskoopissa sekä dislokaatio- ja erkaumarakenteet läpäisyelektronimikroskoopilla. Lisäksi 21 % kromia sisältävälle teräkselle tehtiin monipistoista kuumavalssausta simuloivia puristuskokeita, joissa varioitiin myös valssauksen lopetuslämpötilaa ja jäähtymisnopeutta. Jännitys–venymä-käyriä mallinnettiin käyttäen sekä empiirisiä yhtälöitä että dislokaatiotiheyteen perustuvaa fysikaalista mallia. Kromipitoisuus kasvatti muodonmuutosvastusta mutta pienensi deformaation aktivaatioenergiaa. Dynaaminen toipuminen oli erittäin voimakasta kuumamuokkauslämpötiloissa, joskin lämpötila ja muodonmuutosnopeus vaikuttivat merkittävästi sen määrään. Jatkuvan dynaamisen rekristallisaation todettiin tapahtuvan riippumatta Zener-Hollomon -parametrin arvosta, mutta epäjatkuvaa dynaamista rekristallisaatiota ei havaittu. Staattinen rekristallisaatio hidastui, kun rekristallisaatioaste saavutti 90 %, ja erityisesti α-rungon rakeet pyrkivät vain toipumaan. Staattista rekristallisaatiota pystyttiin voimistamaan laskemalla muokkauslämpötila 800 °C:een tai sen alle, jolloin rakeiden sisälle syntyi staattisen rekristallisaation ydintymistä nopeuttavia leikkausnauhoja. γ-rungon intensiteetti voimistui rekristallisaatiossa kuitenkin vasta, kun muokkauslämpötila oli 600 °C tai tätä matalampi. Koetulosten perusteella ehdotettiin kahta erilaista kuumavalssauspraktiikkaa, joiden avulla kuumanauhan ominaisuuksia voidaan parantaa: 1) staattisen rekristallisaation edistäminen sekä pistojen välillä että kuumanauhahehkutuksessa käyttämällä pitkiä pistojen välisiä aikoja sekä laskemalla valssauksen lopetuslämpötilaa, tai 2) kuumanauhahehkutus yhdistettynä edeltävään voimakkaaseen lämminvalssaukseen, jolloin on mahdollista valmistaa ohutta kuumanauhaa.

Abstract Stabilized ferritic stainless steel grades are attractive alternatives to common austenitic grades in sheet metal applications. Compared with older unstabilized ferritic grades, the mechanical and corrosion properties are usually improved. The impurity level, mainly the amount of interstitial carbon and nitrogen, plays an important role in these steels. There are notable issues in the welding of these steels, the most apparent difference to austenitic steels is the susceptibility to brittle failure. This research focused on the influence of minor elements, especially aluminium, calcium, silicon, titanium, niobium, nitrogen and oxygen, on the weldability of modern intermediate purity level stabilized ferritic stainless steels. The research proceeded in several stages. At first, the general characteristics and performance data about the welds in currently manufactured 11 to 21 mass percent chromium ferritic stainless steels in Europe was obtained. The research then focused on novel high chromium stabilized ferritic stainless steels. Lastly, the influence of various steelmaking practices on weldability were investigated. The results showed that in stabilized ferritic stainless steels, slag islands are frequently seen in the molten weld pools. These islands can have many origins, e.g. deoxidation, calcium treatment and stabilization practices, and they can be roughly assessed from the chemical composition of the steel. The nature and the influence of these slags varies and can be related to irregularities in the weldability and molten metal fluid flow. Large grain size and titanium carbonitride particles impair the toughness of the heat-affected zone. Generally, stabilization with niobium is preferred. However, solely niobium stabilized steel welds run the risk of forming coarse columnar grains in welds deteriorating some of the properties. A breakdown of the columnar grains is possible to achieve in autogenous welds with minor titanium and aluminium alloying, provided that small amounts of nitrogen and oxygen are induced from the shielding gas. However, grain refinement may not improve the properties, if it is accomplished with an increase in the total interstitial content. / Tiivistelmä Stabiloidut ferriittiset ruostumattomat teräkset soveltuvat korvaamaan tavanomaisia austeniittisia ruostumattomia teräksiä ohutlevysovelluksissa. Näillä teräksillä keskeiset mekaaniset ja korroosio-ominaisuudet ovat usein paremmat kuin varhaisilla, stabiloimattomilla ferriittisillä teräksillä. Hiili ja typpi ovat näissä teräksissä kuitenkin epäpuhtauksia. Toisin kuin austeniittiset teräkset, ferriittiset teräkset ovat alttiita haurasmurtumalle, erityisesti hitsatuissa rakenteissa. Tässä väitöstutkimuksessa keskityttiin mikroseosaineiden ja epäpuhtauksien vaikutukseen keskipuhtaiden stabiloitujen ferriittisten teräslajien hitsauksessa. Tutkimus kohdistui erityisesti alumiinin, kalsiumin, piin, titaanin, niobin, typen ja hapen vaikutuksiin. Aluksi tutkittiin kaupallisten terästen hitsien keskeisiä ominaisuuksia. Tämän jälkeen tutkittiin uusia ns. korkeakromisia stabiloituja ferriittisiä teräslajeja. Lopuksi tutkittiin teräksen valmistuksen vaikutuksia stabiloitujen ferriittisten ruostumattomien terästen hitsattavuuteen. Tutkituilla teräksillä hitsauksen aikana muodostui runsaasti kuonalauttoja. Näillä kuonilla on monta alkuperää, esim. deoksidointi, kalsiumkäsittely ja stabilointiaineet. Hitsien kuonaisuutta voidaan karkeasti arvioida teräksen kemiallisen koostumuksen perusteella. Muodostuvilla kuonilla on useita vaikutuksia hitsauksessa, mm. epäjatkuvuuksiin ja sulan virtauksiin. Hitsauksessa muodostuva suuri raekoko ja stabiloinnin titaanikarbonitridipartikkelit heikentävät oleellisesti hitsin muutosvyöhykkeen sitkeyttä. Stabilointi käyttäen pääasiassa niobia on toivottavaa, mutta jos stabilointiin käytetään vain niobia, tulee hitsin mikrorakenteesta karkea ja hitsin ominaisuudet voivat heikentyä. Karkean mikrorakenteen hienontaminen on mahdollista käyttäen suojakaasuna argonia, jossa on hieman typpeä ja happea, mikäli teräkseen on seostettu hieman alumiinia ja titaania. Raerakenteen hienontaminen ei kuitenkaan yksiselitteisesti paranna hitsin ominaisuuksia, mikäli hienontaminen saavutetaan kasvattamalla epäpuhtauspitoisuutta tarpeettoman korkeaksi.