Generalised stacking fault energy and plastic deformation of austenitic stainless steels

• Main Author: Molnár, Dávid Sándor
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Tillämpad materialfysik 2018
• Subjects: stacking fault energy; stainless steel; plasticity; deformation; ab initio; Materials Engineering; Materialteknik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-233565; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:978-91-7729-850-2

Austenitic stainless steels are primarily known for their exceptional corrosion resistance. They have the face centred cubic (FCC) structure which is stabilised by adding nickel to the Fe-Cr alloy. The Fe-Cr-Ni system can be further extended by adding other elements such as Mn, Mo, N, C, etc. in order to improve the properties. Since austenitic stainless steels are often used as structural materials, it is important to be able to predict their mechanical behaviour based on their composition, microstructure, magnetic state, etc. In this work, we investigate the plastic deformation behaviour of austenitic stainless steels by theoretical and experimental approaches. In FCC materials the stacking fault energy (SFE) plays an important role in the prediction of the deformation modes. Based on the magnitude of the SFE different deformation modes can be observed such as martensite formation, deformation twinning, dissociated or undissociated dislocation glide. All these features influence the behaviour differently, therefore it is desired to be able to predict their occurrence. Alloying and temperature have strong effect on the SFE and thus on the mechanical properties of the alloys. Several models based on the SFE and more recently on the so called generalised stacking fault energy (GSFE or γ-surface) are available to predict the alloy's affinity to twinning and the critical twinning stress representing the minimum resolved shear stress required to initiate the twinning deformation mechanism. One can employ well established experimental techniques to measure the SFE. On the other hand, one needs to resort to ab initio calculations based on density functional theory (DFT) to compute the GSFE of austenitic steels and derive parameters like the twinnability and the critical twinning stress.  We discuss the effect of the stacking fault energy on the deformation behaviour for two different austenitic stainless steels. We calculate the GSFE of the selected alloys and based on different models, we predict their tendency for twinning and the critical twinning stress. The theoretical predictions are contrasted with tensile tests and electron backscatter diffraction (EBSD) measurements. Several conventional and in situ tensile test are performed to verify the theoretical results. We carry out EBSD measurements on interrupted and fractured specimens and during tensile tests to closely follow the development of the microstructure. We take into account the role of the intrinsic energy barriers in our predictions and introduce a new and so far unique way to experimentally obtain the GSFE of austenitic stainless steels. Previously, only the SFE could be measured precisely by well-designed experiments. In the present thesis we go further and propose a technique that can provide accurate unstable stacking fault energy values for any austenitic alloy exhibiting twinning.  === Austenitiska rostfria stål är främst kända för sin exceptionella korrosionsbeständighet. De har en ytcentrerad kubisk (FCC) struktur som stabiliseras genom att nickel tillsätts till Fe-Cr legeringen. Fe-Cr-Ni-systemet kan utökas ytterligare genom tillsats av andra element såsom Mn, Mo, N, C, etc. för att förbättra egenskaperna. Eftersom austenitiska rostfria stål ofta används som konstruktionsmaterial är det viktigt att kunna förutsäga deras mekaniska egenskaper baserat på deras sammansättning, mikrostruktur, magnetiska tillstånd, etc. I denna avhandling undersöker vi det plastiska deformationsbeteendet hos austenitiska rostfria stål både teoretiskt och experimentellt. I FCC material spelar staplingsfelsenergin (SFE) en viktig roll vid förutsägelsen av deformationsmekanism. Baserat på storleken av SFE kan olika deformationsmekanismer observeras, såsom martensitbildning, tvillingbildning, dissocierad eller odissocierad dislokationsglidning. Alla dessa funktioner påverkar beteendet på olika sätt, därför är det önskvärt att kunna förutsäga deras förekomst. Legering och temperatur har stark inverkan på SFE och därmed legeringarnas mekaniska egenskaper. Flera modeller, baserade på SFE och mer nyligen på den så kallade generaliserade staplingsfelenergin (GSFE eller γ-surface), är tillgängliga för att förutsäga legeringens benägenhet till tvillingbildning och den kritiska spänning som representerar den minsta upplösta skjuvspänningen som krävs för att initiera tvillingbildning. Man kan använda ab initio beräkningar baserade på täthetsfunktionalteori (DFT) för att beräkna GSFE för austenitiska stål och härleda parametrar som twinnability och kritisk tvillingsspänning. Vi diskuterar effekten av staplingsfelenergi på deformationsbeteendet för två olika austenitiska rostfria stål. Vi beräknar GSFE för de valda legeringarna och baserat på olika modeller, förutsäger vi deras tendens till tvillingbildning och den kritiska tvillingsspänningen. De teoretiska förutsägelserna jämförs med resultat från dragprov och bakåtspridd elektron diffraktion (EBSD). Flera konventionella och in situ dragprov utfördes för att verifiera de teoretiska resultaten. Vi utförde EBSD-mätningar på dragprov som avbrutits vid olika töjningar och efter brott samt med in situ dragprov för att följa utvecklingen av mikrostrukturen noggrant. Vi tar hänsyn till de inre energibarriärernas roll i våra förutsägelser och presenterar ett nytt sätt att experimentellt få GSFE av austenitiska rostfria stål. Tidigare kunde endast SFE mätas tillförlitligt genom väl utformade experiment. I den aktuella avhandlingen går vi vidare och föreslår en teknik som kan ge noggranna värden för den instabila staplingsfelenergin för alla austenitiska legeringar som uppvisar tvillingbildning.