The behavior of stabilized high-chromium ferritic stainless steels in hot deformation

• Main Author: Mehtonen, S. (Saara)
• Other Authors: Porter, D. (David)
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Oulun yliopisto 2014
• Subjects: ferritic stainless steel; flow stress; hot deformation; recrystallization; texture; ferriittinen ruostumaton teräs; kuumamuokkaus; puristuskoe; rekristallisaatio; tekstuuri; toipuminen
• Online Access: http://urn.fi/urn:isbn:9789526204949; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:9789526204949

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.