Anyagtudomány és Technológia Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem)
résztvevők
Berecz Tibor Károly Dóra Katona Bálint Mészáros István Orbulov Imre Norbert Ribárik Gábor Ungár Tamás
projekt kezdete
2017-09-01
projekt vége
2022-08-31
aktuális összeg (MFt)
35.316
FTE (kutatóév egyenérték)
10.10
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A martenzites acélnak több megjelenési formája is van, ezek egyike a léces martenzit. A fázisátalakulás során az ausztenitszemcsék szigorúan meghatározott orientációjú pakettekké alakulnak. Egy-egy pakettben blokkok alakulnak ki, ezeken belül kisszögű határral elválasztott léceket láthatunk. Kísérletek folynak arra vonatkozóan, hogy külső terhelés (húzófeszültség) esetén azok a blokkok, amelyekben a Burgers-vektor párhuzamos a lécek irányával, kisebb húzófeszültség hatására is képlékenyen deformálódnak, így az anyag”kemény” és „lágy” blokkokból álló kompozitként viselkedik. A kompozitok előnyös tulajdonságai közül a legfontosabb, hogy nagy szilárdság mellett relatíve nagy szívóssággal is rendelkeznek. Ez a tulajdonság teszi lehetővé a léces martenzit hidegalakíthatóságát. A tervezett kutatás során vizsgálni kívánjuk, hogy a komponensek térfogataránya, a köztük lévő orientációkülönbség és szilárdságbeli különbség milyen hatással van az anyag mechanikai tulajdonságaira. Elsősorban a ciklikus termomechanikus terhelésnek és a fáradásnak a kompozitszerkezetre gyakorolt hatását vizsgáljuk. A hűtési paraméterek (kiindulási hőmérséklet, hűtési sebesség) és a széntartalom változtatásával kívánjuk a kompozit szerkezetét beállítani. Végül arra is kíváncsiak vagyunk, hogy a bénites acélban kimutatható-e a kompozit jelleg. A komponensek térfogatarányát, a köztük lévő orientációkülönbséget és a szilárdságukat röntgen vonalprofil analízissel (XLPA), transzmissziós elektronmikroszkópiával (TEM) és visszaszórtelektron-diffrakcióval (EBSD) és mágneses vizsgálati módszerekkel vizsgáljuk.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A kutatás alapkérdése az, hogy a léces martenzitet alkotó elemek tulajdonságai hogyan befolyásolhatók, illetve hogy ezeknek az alkotóelemeknek a tulajdonságai milyen hatással vannak a léces martenzit viselkedésére különböző mechanikai terhelések esetén. A kutatás alaphipotézise az, hogy az egyes blokkokon belül a lécek irányával párhuzamos Burgers-vektorú blokkoknak („lágy” blokkok) kisebb a folyáshatára, mint azoknak, amelyekben a Burgers-vektor iránya merőleges a lécek irányára („kemény” blokkok). A kísérletek révén az alábbi kérdésekre keressük a választ: 1. Hogyan befolyásolják az ausztenites állapotból történő lehűtés paraméterei (ausztenit hőmérséklete, hűtési sebesség), valamint az acél széntartalma a kialakuló blokkok méretét, egymáshoz képesti orientációját, valamint a szilárdságukat? 2. Hogyan befolyásolja a kialakult blokkok méretét a ciklikus termomechanikus terhelés és a fáradás? 3. Hogyan befolyásolja a kialakuló blokkok orientációját a ciklikus termomechanikus terhelés és a fáradás? 4. Milyen hatása van a „kemény” és „lágy” orientációjú blokkok térfogatarányának a ciklikus termomechanikus terhelés és a fáradás? 5. Kimutatható-e a léces martenzitéhez hasonló viselkedés bénites és temperált acélokban is? Ha a kérdéseket sikerül megválaszolni, gyakorlati javaslatok tehetők olyan mikroszerkezet előállítására, amely nagy szilárdság mellett jó alakíthatóságot biztosít.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Az alapkutatásban elért eredmények közelebb visznek a léces martenzit viselkedésének megértéséhez. Léces martenzit a szövete az ún. press hardening (PH) acéloknak, ahol az ausztenites (tehát lágy) állapotban lévő anyagot alakítják egy présszerszámban, és az alakítás után a szerszámban edződik le az anyag. Ezzel a módszerrel 1200-1600 MPa szakítószilárdság is elérhető. A legnagyobb mennyiségben az autóipar használja ezt az acélt gépkocsik karosszériaelemeihez (pl. B-oszlop). Amennyiben megértjük a kutatás során elért eredmények segítségével, hogy a léces martenzitet alkotó részecskéknek (pakettek, blokkok, lécek) milyen tulajdonságai befolyásolják a mechanikai tulajdonságokat, akkor e részek tudatos módosításával a kívánt értékre tudjuk hangolni ezeket a mechanikai tulajdonságokat. A kutatási terv újdonsága (és erre nem találtunk példát a szakirodalomban) a léces martenzitnek kompozitanyagként való vizsgálata. Számtalan cikk foglalkozik léces martenzittel, de a kapott eredmények (martenzitvariánsok elemzése) nem vezetett tudatos tulajdonságmódosításhoz. Amennyiben kutatásunk sikeres lesz, a kapott eredmények elősegítik a press hardening acélok tulajdonságainak széles határok közötti változtathatóságát.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A léces martenzit az acéloknak egy különleges fajtája. Nevét onnan kapta, hogy az anyagot alkotó, századmilliméteres nagyságú építőkövek, az ún. szemcsék vékony, egyenes „lécekként” jelennek meg a mikroszkópi képeken. Rendkívül szilárd anyagok, ezért is alkalmazzák a járműiparban karosszériaelemekként, olyan helyekre, ahol rendkívüli teherbírásra van szükség. Egyes vizsgálataink azt vetítik előre, hogy ezeknek a kis „léceknek” az irányítottsága nagymértékben befolyásolja az anyag szilárdságát, illetve alakíthatóságát. A kutatásunk célja az, hogy egyrészt próbáljuk meg e „lécek” tulajdonságait tudatosan befolyásolni az anyag gyártása során, másrészt vizsgáljuk meg azt, hogy ezek a tulajdonságok milyen hatással vannak az anyagnak a mechanikus és termikus terhelések során mutatott viselkedésére. Munkánk során különböző paraméterek mellett állítunk elő léces martenzitet, és különleges vizsgálótechnikákkal (röntgen- és elektronsugaras vizsgálatok) állapítsuk meg a szerkezetüket. A szerkezet ismeretében végezhetünk olyan kísérleteket, ahol a mechanikai és termikus tulajdonságokra gyakorolt hatást tanulmányozhatjuk.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The martensitic phase in steels has several different appearances. One of them is called lath martensite. The austenite grains transform to strictly oriented packets during phase transformation. There are blocks within each packet which contain lathes separated by low angle phase boundaries. According to preliminary experimental results the blocks can have different mechanical properties. The plastic deformation of the blocks (due to tensile stress) in which the Burgers vector is parallel to the direction of lathes can be deformed easier than those in which it is perpendicular to it. Therefore, the martensitic steel can be considered as a composite material which contains “hard” and “soft” blocks together. It is known, that the most important feature of composites is their high strength and ductility in the same time. This phenomena makes possible the lath martensitic steel to be cold worked. In the proposed research we are going to investigate the effect of volume ratio of components (“hard” and “soft” blocks), the orientation difference between them and the difference of their strength on the mechanical properties of bulk steel. The effect of cyclic thermo-mechanical and fatigue loading on the composite structure will be studied. We are going to modify the composite structure by cooling conditions and the carbon content of the investigated steel. We wonder if the composite structure can be detected also in bainitic steels. The volume ratio of components, the orientation difference between them and their strength will be studied by x-ray line profile analysis (XLPA), transmission electron microscopy (TEM), electron backscattered diffraction (EBSD) and magnetic methods.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The main tasks of the research are the followings. How can we modify the properties of the elements of lath martensite? How does the properties of these elements influence the mechanical behaviour of lath martensite in case of different mechanical loadings. The hypothesis of the research is; that the yield stress of the blocks in which the Burgers vector is parallel to the direction of lathes (“soft” blocks) is lower than the blocks in which the Burgers vector is perpendicular to the lathes (“hard” blocks). In our planned experiments we are looking for the answers to the following questions:
1. How do the cooling conditions (initial temperature of austenite, cooling rate) and the carbon content of steel influence the block size, their relative orientation and strength? 2. How do the cyclic thermo-mechanical loading and fatigue influence the size of appearing blocks? 3. How do the cyclic thermo-mechanical loading and fatigue influence the orientations of appearing blocks? 4. How do the cyclic thermo-mechanical loading and fatigue influence the volume ratio of “soft” and “hard” blocks? 5. Can the behaviour of lath martensite be detected in bainitic and tempered steels as well?
If we can answer to these questions we will able to take practical suggestions for producing special steel microstructures which unify the contradictory properties of high strength and good ductility.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The results of the basic research lead us closer to understanding the behavior of lath martensite. The so-called press hardening steels where the austenite (i.e. the soft stage of the steel) is formed in a pressing tool and is quenched inside the tool have lath martensitic microsructure. Ultimate strength of 1200-1600 MPa can be reached by this technology. This type of steel is mostly used in the automotive industry for making car-body elements (e.g. the so-called “B”-column). If we understood by the help of the results of this research that which properties of the elements of the lath martensite (packets, blocks, laths) influence the mechanical properties, then we would be able to tune these mechanical properties by deliberate modifications of this elements. The novelty of this research plan (and we didn’t find anything similar in the literature) is the description of lath martensite as a composite material. Several papers deal with the lath martensite, but the results (evaluation of martensite variants) did not lead to deliberate modifications of the properties of the material. If this research work is successful, then a gate would be opened to modify the properties of press hardening steels in a wide range.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Lath martensite is a very special type of steels. The name of it is originated from the fact that building elements of the material (having dimensions in the range of 0.01 mm), called “grains” have a lath shape. These steels are extremely strong materials, and this is why they are applied in the car-industry: elements of the car-body (especially the so-called “B-column”) are made of this material. Some former investigations suggest that the directions of these laths strongly influence the strength and the formability of the material. One of the main goals of this research is to try to influence the properties of these laths during production. On the other hand we want to investigate that what are the effects of these properties on the behavior of these materials during cyclic thermomechanical loading or fatigue, which are the typical loadings of these elements. During our research work we produce lath martensite under different conditions, and then we investigate their structure by different fine structure investigations and magnetic methods.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
Az előkísérletek során 0,16% C-tartalmú ötvözetlen acél mintákat használtunk, melyeket több hőmérsékletről is edzettünk, és azt tapasztaltuk, hogy detektálható mennyiségű martenzit csak a legalább 1100 °C-ról történő edzés során keletkezett. Ezt követően a léces martenzites szerkezetű anyagokból szakító próbatesteket készítettünk, és szakítógépben különböző alakváltozás-értékekig húztuk. Az ilyen módon deformált mintákon EBSD-vizsgálatokat végeztünk. Meghatároztuk a képlékeny alakítás okozta rácsdeformációt a „Grain average misorientation” paraméter kiszámításával. Jól kimutatható volt, hogy ez az érték a húzóerő növekedésével enyhén növekvő tendenciát mutat. Ezekkel a vizsgálatokkal párhuzamosan adaptáltunk egy, a miszorientáción alapuló módszert, mellyel meghatároztuk a martenzites anyag diszlokációsűrűségét EBSD-mérések segítségével. A módszer csak a geometriailag szükségszerű diszlokációkra érzékeny, viszont lehetővé teszi a diszlokációsűrűség lokális meghatározását, és így diszlokációsűrűség-térkép elkészítését. Szinkrotron sugárzással 3D röntgendiffrakciós vizsgálatokat végeztünk különböző mennyiségben martenzitet tartalmazó képlékenyen alakított mintákon, hogy meghatározzuk a diszlokációsűrűség orientációfüggését. Ezután in-situ megnyújtottuk a minták szakadásáig, miközben folyamatosan rögzítettük a Debye-gyűrűket. Ezeket a méréseket kiértékelve meghatározhatók a minták diszlokációrűrűsége és a szemcsék mérete a húzó alakváltozás (kvázi)folytonos függvényében.
kutatási eredmények (angolul)
During preliminary tests low alloy steels having 0.16wt% C were quenched from different temperatures. It was found that lath martensite was formed only if the austenitizing temperature was at least 1100°C. After that, lath martensitic specimens were manufactured, which were plastically deformed until different amount of deformation (controlled by the tensile force). These specimens were investigated by EBSD method. The Grain Average Misorientation parameters were calculated for each specimens. It was shown that this parameter shows a slightly increasing tendency with the tensile force. Beside these test, a method for determining the dislocation densities in lath martensitic specimens was applied. The method calculates only the geometrically necessary dislocations, but due to the lateral resolution of the EBSD measurement, local dislocation densities could have been determined and thus dislocation density maps were recorded.
3D X-ray diffraction measurements were performed by synchrotron radiation in specimens having different martensite content in order to determine the orientation dependency of their dislocation density. After that specimens were tensile tested and synchrotron X-ray diffraction measurements were taken in-situ in order to trace the change of the dislocation density and the grais size during the plastic deformation.
Éva Ódor, Bertalan Jóni, Gábor Ribárik, Nguyen Quang Chinh, Tamás Ungár and Péter J. Szabó: Deformation Induced Soft and Hard Lath Packets Enhance Ductility in Martensitic Steels, Crystals 2020, 10, 373, 2020
János Endre Maróti, Péter János Szabó: Investigation of composite behaviour of lath martensite, Műszaki tudományos közlemények angol nyelvű kiadás, 10. (2019) xx–yy, https://doi.org/10.2478/mtk-2019-xxxx, 2020
Tibor Berecz, Éva Fazakas, Enikő Réka Fábián, Péter Jenei and János Endre Maróti: Investigation of thermally induced deterioration processes in cold worked SAF 2507 type duplex stainless steel by DTA, Crystals, under review, 2020
Maróti János Endre, Szabó Péter János: A léces martenzit kompozit szerkezetének kialakulásának vizsgálata, OATK-XII. Abstract kötet, P-27. publikáció, 111. oldal, 2019
János Endre Maróti, Péter János Szabó: Investigation of Composite Behaviour of Lath Martensite, ACTA MATERIALIA TRANSYLVANICA 3 : 2 pp. 90-93. (2020), 2020
Zhijian Fan, Zhenfei Song, Dawu Xiao, Gábor Ribárik, Tamás Ungár: Influence of deformation temperature on flow stress and dislocation structure of 2A12 aluminum alloy under quasi-static and dynamic compression, Journal of Materials Science & Technology, beküldve, 2022
Ungar, Tamas; Zilahi, Gyula; Hegedues, Zoltan; Lienert, Ulrich; Ribárik, Gábor; Sharma, Hermant; Kenesei, Peter; Preuss, Michael; Frankel, Philipp: Characterisation of irradiation damage using x-ray diffraction line profile analysis, 20th International Symposium on Zirconium in the Nuclear Industry, STP1645, manuscript ID is STP-2022-0056.R1, 2022
Renkó József Bálint, Romanenko Alekszej, Szabó Péter János, Sulyok Attila, Petrik Péter, Bonyár Attila: Analysis of structural and chemical inhomogeneity of thin films developed on ferrite grains by color etching with Beraha-I type etchant with spectroscopic ellipsometry and XPS, JOURNAL OF MATERIALS RESEARCH AND TECHNOLOGY 18: pp. 2822-2830., 2022
Bonyár Attila, Renkó József, Kovács Dorina, Szabó Péter J.: Understanding the mechanism of Beraha-I type color etching: Determination of the orientation dependent etch rate, layer refractive index and a method for quantifying the angle between surface normal and the 〈100〉, 〈111〉 directions for individual grains, MATERIALS CHARACTERIZATION 156: p. 109844., 2019
Károly Dóra, Asztalos Lilla, Micsík Tamás, Szabó Péter János: Non-Destructive Analysis of Explanted Coronary Artery Stents, ACTA POLYTECHNICA HUNGARICA 14: (2) pp. 171-181., 2017
P J Szabó, A Csóré: Determination of Dislocation Density in Lath Martensite by Means of Electron Backscatter Diffraction, MATERIALS SCIENCE FORUM 885: pp. 275-279., 2017
TRAMPUS Péter, FÁBIÁN Réka, KERNER Zsolt, LAKATOS-VARSÁNYI Magda, PÉTER László, RÉGER Mihály, SZABÓ Péter János, TELEGDI Judit, VERŐ Balázs: Investigation of Local Corrosion Degradation Developed on a Pipeline System in Service Period, MATERIALS SCIENCE FORUM 885: pp. 92-97., 2017
