Herausforderungen und Messunsicherheiten bei der Bestimmung des Restaustenitgehalts

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1 Herausforderungen und Messunsicherheiten bei der Bestimmung des Restaustenitgehalts Nikolaus Herres Interstaatliche Hochschule für Technik Buchs NTB Institut für Produktionsmesstechnik, Werkstoffe und Optik Werdenbergstrasse 4 CH-9471 Buchs (SG) Reinhold Schneider FH Oberösterreich, Campus Wels Fachbereich Werkstofftechnik Franz-Fritsch-Straße 11 A-4600 Wels Internationale Bodenseetagung SVW-ASMET 2015 Wissen wir, was wir tun? Mess- und Prüftechnik bei der Wärmebehandlung NTB Campus Buchs,

2 Gliederung des Vortrags Weshalb interessiert man sich für Restaustenit? Martensit-Bildung / Restaustenit-Entstehung Messverfahren zur Bestimmung des RA-Gehalts Lichtmikroskopie, Magnetische Messung Röntgenbeugung / Elektronenbeugung Ergebnisse aus zwei Ringversuchen zur Bestimmung des RA-Gehalts TRIP 800 / 100Cr6 Zusammenfassung 2 2

3 Weshalb interessiert man sich für Restaustenit? (I) Ein drahterodiertes Stanzwerkzeug für wenige µm dünne Polymerfolien aus einem PM-Werkzeugstahl klemmte nach sehr kurzer Betriebsdauer Ursache: beim Erodieren war eine weisse Schicht mit RA entstanden, die später zum voluminöseren Martensit umwandelte 3 3

4 Weshalb interessiert man sich für Restaustenit? (II) RA ist Ergebnis einer unvollständigen Umwandlung hin zum Martensit beim Abschrecken von Kohlenstoffstählen aus der Gluthitze. verringerte Härte Neigung zu späterer Umwandlung unter Volumenzunahme Quelle: J.M. Moyer, G. S. Ansell: The Volume Expansion Accompanying the Martensite Transformation in Iron-Carbon Alloys. Metallurgical Transactions A 6A (1975) Quelle: W. Bleck (Hrsg.): Werkstoffkunde Stahl für Studium und Praxis. 3. Aufl. Institut für Eisenhüttenkunde, RWTH Aachen,

5 Weshalb interessiert man sich für Restaustenit? (III) Bei HSD- (High Strength and Ductility-) Stählen sowie bei klassischen TRIP- Stählen dient RA als relativ weiche Ausgangsphase, die erst durch Kaltverformung (Tief- /Streckziehen) in Martensit umgewandelt wird Quelle: E. De Moor, P. J. Gibbs, J. G. Speer and D. K. Matlock; Strategies for third-generation advanced high-strength steel development; Iron and Steel Technology 7 (2010) [3] zur Prozessentwicklung möchte man den RA-Gehalt wissen Quelle: Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH HSD-Stahl mit TWIP-Eigenschaften nach einem Torsionsversuch. Diese Probe wurde 5 mal um die eigene Achse gedreht; das entspricht einer Dehnung um bis zu 100%. Länge der Probe ca. 100 mm. 5 5

6 Martensit-Bildung (I) Verzerrung des Gitters 6 6

7 Martensit-Bildung (II) Domänenausbildung Um die in drei Richtungen verzerrten Elementarzellen innerhalb eines Austenit-Korns kohärent zu halten sind Scherdeformationen erforderlich Die Domänenbildung stoppt, sobald die (mechanischen) Widerstände zu gross werden Restaustenit Quelle: W. Bleck (Hrsg.): Werkstoffkunde Stahl für Studium und Praxis. 3. Aufl. Institut für Eisenhüttenkunde, RWTH Aachen,

8 Messverfahren zur Bestimmung des RA-Gehalts Lichtmikroskopie Auswertung eines geätzten metallographischen Schliffs zerstörend, lokal typische Messfläche: >100 µm 2 subjektives Urteil Empfindlichkeit: 2 20% (je nach RA-Gehalt) Quelle: W. Pitsch, G. Sauthoff: Typische Stahlgefüge, in: Werkstoffkunde Stahl, Band 1: Grundlagen (Hrsg. VdEH), Springer, S (Kap. 5). 8 8

9 Messverfahren zur Bestimmung des RA-Gehalts Magnetische Messung Die Probe wird bis zur Sättigung magnetisiert und die Sättigungspolarisation gemessen. Aus dem Unterschied zwischen gemessener und theoretischer Sättigungspolarisation (bei bekannten Legierungselementen vorab berechnet) wird der nichtmagnetische Restaustenitanteil berechnet. zerstörungsfrei, schnell, präzise mittelt über das Volumen typische Messvolumen: 1 cm 3 Messbereich: 1 30% RA-Gehalt Genauigkeit : 0,5 % RA-Gehalt (Herstellerangabe) Quelle: Vatron GmbH, Linz (A) 9 9

10 Messverfahren zur Bestimmung des RA-Gehalts Röntgendiffraktometrische Messung Apparatives Quelle: M. Schuster, Siemens AG 10 10

11 Messverfahren zur Bestimmung des RA-Gehalts Röntgendiffraktometrische Messung Parameter Röntgenfluoreszenz-Unterdrückung: Cr, Fe und Co: nicht nötig Cu, Mo und Ag: nötig Informationstiefe: 1 10 µm Kornorientierung: statistisch sonst: + Probendrehung(en) Korngrössen: 1 10 µm sonst: + Probenoszillation Homogenität im Messvolumen Reflexanzahl: 4 (ASTM E975) Quelle: A. Torboli G.N.R. srl /

12 Messverfahren zur Bestimmung des RA-Gehalts Röntgendiffraktometrische Messung Qualität ASTM E975-13* estimates for the 2 15 % RA range: verwendet wurde FeKα-Strahlung interlaboratory repeatability: 3% interlaboratory reproducibility: 4% there is no independent test method to determine an accepted reference value from retained austenite * ASTM E Standard Practice for X-Ray Determination of Retained Austenite in Steel with Near Random Crystallographic Orientation. ASTM International (Feb. 15, 2013). Quelle: M. Schuster, Siemens AG 12 12

13 Messverfahren zur Bestimmung des RA-Gehalts Das Orientierungs-Problem Bei difffraktometrischen Messverfahren ist die Beugungsebene wichtig: nur solche Körner deren Netzebenennormale n hkl sich in der Beugungsebene befindet, werden registriert Abhilfe: man dreht und kippt die Probe um zwei Achsen in der Probenebene und misst die Intensität an vielen Winkelpositionen (χ, φ). Die Häufigkeit der Orientierungen wird farbkodiert als Polfigur der betreffenden Gitterebene dargestellt Probennormale χ φ n hkl Projektionsebene aus (mehreren) Polfiguren lässt sich die Orientierungsverteilung (ODF) berechnen χ/

14 Messverfahren zur Bestimmung des RA-Gehalts Lösung des Orientierungs-Problems Messung mehrerer Polfiguren (mittels XRD oder EBSD) und anschliessende Berechnung der Phasenanteile Austenit ODF Ferrit ODF Anteile der Komponenten Phasen, Orientierungen, [Nachbarschafts- Beziehungen] Polfiguren aus: K. Davut: Relation between Microstructure and Mechanical Properties of a Low-alloyed TRIP steel. Dissertation RWTH Aachen,

15 Messverfahren zur Bestimmung des RA-Gehalts Electron Backscatter Diffaction (EBSD) - Messung Die Probe wird in einem Raster- Elektronenmikroskop (monochromatisch) bestrahlt und dabei gezielt bewegt. Die von jeder Probenstelle emittierten Beugungslinien werden hinsichtlich der Korn-Orientierung (Textur) und des lokalen Phasenbestands analysiert. zerstörend geringes Probenvolumen typische Eindringtiefe: 5 10 nm Empfindlichkeit: 0,5% RA-Gehalt Quelle: S. Taik Oh et al: Transformation behavior of retained austenite in hydroformed TRIP Steel. Materials Science Forum (2002)

16 ASMET Ringversuch RA-Messung Teilnehmer: Projektstruktur: Werkstoffe: TRIP-800, 100Cr6 Ablauf: XRD: Jeder misst an der gleichen Probe (nur TRIP-800) + an einer Probe mit eigener Aufbereitung (beide) Magnet: mehrere Einzelproben, 2 Abmessungen Messmethoden: XRD (ASTM, Rietveld), Magnet

17 ASMET Ringversuch RA-Messung TRIP 800 (HCT 780 T) 100Cr6 Werkstoffe Härten: 840 C / 90min., mit/ohne Tiefkühlen (-110 C), Anlassen: 210 C Härte: 742 +/-6 HV2 (ca. 62 HRC) Ferrit (gelb), Bainit (bräunlich), Austenit/Martensit (weiß) angelassener Martensit (dunkel) Karbide/RA (weiß) 17 17

18 ASMET Ringversuch RA-Messung Ergebnisse TRIP 800 Übersicht Nr. Messmethode Röntgenquelle Auswertemethode Ergebnis Original bzw. klein [%] Ergebnis Eigenpräp. bzw. groß [%] WH Original 1 XRD Cr-Röhre ASTM E , XRD Cu-Röhre Rietveld XRD Cr-Röhre Rietveld ,1 4 XRD Mo-Röhre ASTM E , ,7 5 XRD Co-Röhre Rietveld ,6 6 XRD Mo-Röhre Rietveld 19.2, , Magnet. Hoselitz-Kor. 17.1, Magnet. Dichte-Kor Magnet. Hoselitz-Kor 22.2, Keine Systematik der Mess- und Auswertemethode. Kein Einfluss der Lagerungsdauer! Magnetmessung höhere Werte 18 18

19 ASMET Ringversuch RA-Messung Einfluss der Probenpräparation (XRD) und der Probengröße (Magnet-Messung) Ergebnisse TRIP 800 Kein signifikanter Einfluss durch die Probenpräparation, tlw. höhere Messwerte bei den größeren Proben der Magnetprüfung 19 19

20 ASMET Ringversuch RA-Messung Vergleich mit einem anderen Ringversuch Ergebnisse TRIP 800 Ähnlicher Streubereich wie in Literatur! P. J. Jacques et. al. On measurement of retained austenite in multiphase TRIP Steels results of blind round robin test involving six different techniques, Mat. Sci. Techn. 25 (2009) 5, pp

21 ASMET Ringversuch RA-Messung Übersicht Ergebnisse 100Cr6 Nr. Röntgenquelle Messmethode Auswertemethode Ergebnis H-TK-A [%] Ergebnis H-A [%] 1 XRD Mo-Röhre ASTM E975-3 (<) 2 8,5 2 XRD Cr-Röhre ASTM E ,3 10,4 3 XRD Cr-Röhre Rietveld 2,7 11,5 4 XRD Cu+Ag-Röhre Rietveld 2,6 / 3,1 12,3 / 13,4 5 XRD Cr+Mo-Röhre Rietveld 3,0 / 2,9 11,3 / 11,0 6 XRD Co-Röhre Rietveld 4,1 11,1 kl. gr. kl. gr. 8 Magnet. Dichte-Kor. 3,9 12,6 7 Magnet. 100Cr6-Kor. 7,5 7,2 16,0 15,7 9 Magnet. Hoselitz-Kor 8,5 14,6 14,7 21,0 ASTM E975-3 eher geringere Werte als Rietveld Magnetmessung höhere Werte 21 21

22 ASMET Ringversuch RA-Messung Ergebnisse 100Cr6 nur XRD XRD & Magnet-Messung Streuung typ. < +/-2 Vol.% Größere Streuung, Magnet- Messung liefert höhere Werte 22 22

23 ASMET Ringversuch RA-Messung Erkenntnisse Die Probenpräparation (für die XRD-Messung) wird von allen Teilnehmern beherrscht Es gab keine Abweichungen über der Lagerdauer (Reproduzierbarkeit ist gegeben) Mehrphasenstähle (wie der TRIP-Stahl) zeigen bei allen Messmethoden deutliche Streuungen Bei klassischen härtbaren Stählen (z.b. 100Cr6) liegt die Streuung zwischen den Teilnehmern bei der XRD-Messung in einem erwartbaren und akzeptablen Rahmen (Messunsicherheit etwa +/- 2 Vol. %). Bei karbidreichen Stählen sind bei der Magnetmessung größere Streuungen zu erwarten (Kompensation?)

24 Zusammenfassung (I) Die begrenzte Eindringtiefe von Elektronen und Röntgenstrahlung beschränkt Aussagen qualitativer oder quantitativer Art auf eine oberflächennahe allenfalls wenige Mikrometer dicke Zone. Magnetische Messungen proben grössere Volumina und sind dadurch besonders für die Produktionskontrolle geeignet. Die röntgenographische Bestimmung des RA - Gehalts ist unproblematisch bei wenig texturierten, homogenen Stahlproben. Bei Verwendung der ASTM-Prozedur liegt die Messunsicherheit in günstigen Fällen im unteren Prozentbereich. Die Anwesenheit zusätzlicher Phasen und Reflexverbreiterungen durch Korngrößeneffekte und Eigenspannungen erfordern aufwendigere Messungen (zusätzliche Reflexe) und ein Modelling der Reflexprofile (Rietveld). Die Messunsicherheit hängt davon ab, wie gut die Störeffekte beherrscht werden

25 Zusammenfassung (II) Die RA-Gehaltsbestimmung bei stärker texturierten Proben erfordert eine aufwendige quantitative Bestimmung der Orientierungskomponenten mit Hilfe von Polfiguren (per Röntgenbeugung oder EBSD) und ein geeignetes Modelling. Proben mit großer lokaler Variation bei RA-Gehalt und/oder Textur können röntgenographisch nur mit erheblichem präparativem und messtechnischem Aufwand untersucht werden. Electron Backscatter Diffraction (EBSD) wird zunehmend zur Technik der Wahl: zusätzlich zur quantitativen Analyse der Phasenanteile werden auch Aussagen zu Nachbarschaftsbeziehungen zwischen den Körnern erhalten

26 Besonderer Dank gilt den Firmenpartnern des Ringversuchs Adam Creuziger (NIST) Manfred Schuster (Siemens CT) Dominik Dapprich (Stresstech GmbH) Bettina Schlecht (NTB) und Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit! 26 26