Void Nucleation, and Growth during Tensile Deformation of Nanoscale Precipitated Steel and Bainitic Steel

Abstract

A local elongation of 8% for nanoscale precipitated steel was observed via tensile testing, which is higher than that of 5% for bainitic steel. To determine the factor underlying this difference, void nucleation, growth, and coalescence mechanisms in the nanoscale precipitated steel and the bainitic steel were examined using electron backscattering diffraction and subsequent observation by synchrotron radiation X-ray laminography during tensile testing. Synchrotron radiation X-ray laminography analysis of void growth and coalescence revealed that the critical strain and the critical void volume fraction for fracture in the bainitic steel were smaller than those for the nanoscale precipitated steel. Secondary-ion mass spectrometry analyses revealed that C atoms were segregated at grain boundaries in the bainitic steel. Void nucleation sites in the nanoscale precipitated steel were nanoscale precipitates inside the grain and at grain boundaries and coarse precipitates; however, in the bainitic steel, void nucleation sites were entirely at grain boundaries. Nanoindentation hardness measurements showed a larger plastic strain gradient between the grain boundary and matrix in the bainitic steel than in the nanoscale precipitated steel. From these results, the high local elongation exhibited by the nanoscale precipitated steel was concluded to be due to the reduced plastic strain gradient with a uniform hardness distribution between the grain boundary and the grain interior.

Hardness–Deformation Energy Relationship in Metals and Alloys: A Comparative Evaluation Based on Nanoindentation Testing and Thermodynamic Consideration

“…Taylor et al [ 2 ] reported that the hole expansion ratio of DP980 steel decreased as the martensite hardness and martensite/ferrite hardness ratio (as determined by nanoindentation tests) increased. Furthermore, using synchrotron X-ray laminography of nanoscale precipitated steel and bainitic steel, Mugita et al [ 3 ] showed that an increase in the nanoindentation hardness at the grain boundaries correlated with a decrease in local elongation, because the growth of voids was accelerated.…”

Microvoid Formation of Ferrite-martensite Dual-phase Steel via Tensile Deformation after Severe Plastic Shear-deformation

“…[18][19][20] As mentioned earlier, material design has been mainly developed based on the microstructural fracture related to the fracture strain evaluated using simple uniaxial tensile tests. 21,22) The effect of piercing on the microstructural fracture has rarely been considered, despite the fact that the piercing conditions such as the punch-die clearance, 23) punch-edge shape, 24) and tool-surface conditions 25) significantly affect the HER. The microstructure of DP steel near the sheared surface was observed and its features were discussed, 13) but its deformation and damage behavior have not been examined owing to the difficulty in analysis due to the large primary plastic strain on the sheared surface.…”

Microvoid Formation of Ferrite-martensite Dual-phase Steel via Tensile Deformation after Severe Plastic Shear-deformation

“…フェライト・マルテンサイト Dual Phase(DP)鋼はフェ ライト母相に島状のマルテンサイトを有する金属組織形態 となる。硬いマルテンサイトにより強度を，柔らかいフェ ライトにより延性が確保されることから，単相の鋼材に比 べて優れた強度・延性(伸び)バランスを示す 1,2) 。そのた めに自動車用の高張力鋼として広く普及しているが，一方 で単相鋼に比べて穴広げ限界が低いという課題がある 1) 。 穴広げ限界は穴広げ試験により測定される鋼材の成形性 である。穴抜き部を円錐パンチによって押し広げ，板厚を 貫通割れが生じた際の拡径率が穴広げ限界として評価され る 3) 。機械加工穴に対しては引張試験より得られる延性が 間接的に寄与するものの 4) ，抜き穴における穴広げ限界と 鋼材の伸びには相関がない 5,6) 。代わりに破断に至る際の局 所的な塑性ひずみ量(以下，破断ひずみ)とよい相関があ る 7) 。 鋼材の伸びが引張時のくびれにくさ(加工硬化特性)に より定まることに対し，破断ひずみは鋼材内部に生じるマ イクロボイドの生成と成長の挙動に大きく左右される 2,8) 。 DP 鋼はマルテンサイト近傍の応力や塑性ひずみの局所化 によりボイドが生じやすく，そのサイズも大きい [8][9][10][11] 。こ れに伴い破断ひずみが単相鋼より小さい 12) 。二相の硬度差 に起因する微視的変形集中を抑制することで破断ひずみ (あるいは穴広げ限界)を改善することができると考えら れており，これまでにマルテンサイト体積率 13) や形態の制 御 14,15) ，焼き戻しによる二相間の硬度差の低減 13,16,17) など が検討されてきた。いずれの手法においても破断ひずみを 向上させるための材料設計指針が得られている。また，DP 鋼に留まらず近年では残留オーステナイトを含む複合組織 型の金属組織による破断ひずみ関連特性の向上も盛んに調 査されている [18][19][20] 。 ただし，上記のような検討には穴抜きによる影響が考慮 されていない。他の鋼種を含め，材料開発という視点の検 討では単純な変形において金属組織と微視的な破壊と関 連を扱う場合がほとんどである 21,22) 。塑性加工の側面から は穴抜きパンチとダイのクリアランス 23) やパンチ刃先形 状 24) ，刃先表面処理 25) 等の穴抜き工具条件と穴広げ限界 に対する影響が調査されており，極めて大きな影響を及ぼ すことが知られている。穴抜き部の金属組織の観察事例は 報告されるものの 13) ，穴抜き部の金属組織の変形という視 点から穴広げ限界を検討した事例を見つけることはでき ない。穴抜き部は塑性ひずみ量が 4 を超える強加工部であ る 26)…”