Influence from temperature variations in stacking fault energy on the mechanical properties of stainless steels

This paper investigates the mechanical properties and deformation mechanisms of austenitic stainless steels and how they relate to the material property of stacking fault energy (SFE) and its relation to temperature and nickel content. Austenitic stainless steels are commonly used and well known for good mechanical properties and deformation characteristics. Austenitic stainless steels are primarily defined by their face centered cubic (FCC) structures. Austenitic stainless steels typically include alloying elements with contents of >11wt-% Cr, >50wt-% Fe, <1.2wt-% C as well as other alloying elements. The steels in this report were provided by Alleima AB were 904L and 316L whose primary difference is the Ni content of 25wt-% and 11.5wt-% respectively. SFE is a microscopic material parameter that can influence what deformation hardening phenomena will occur. SFE is, according to the literature, temperature-dependent, and composition-dependent. The deformation hardening mechanisms will change across the temperature range and different nickel contents. At low SFE, the strain hardening mechanism of transformation-induced plasticity (TRIP) will occur. TRIP will be seen through the transformation of the austenitic phase into body centred tetragonal (BCT) structured α’-martensite, or hexagonal close-packed (HCP) structured ε-martensite. When the temperature is raised, the SFE increases. At a certain point, the strain hardening mechanism will change to twinning-induced plasticity instead (TWIP). Through mechanical deformation at different temperatures, the mechanical properties of the steels can be improved by different strain hardening mechanisms which is explored in this report. Tensile tests were performed at five temperatures: 500℃, 200℃, 23℃, -80℃ and -196℃. Each tensile test produces stress-strain curves and by comparing the results from the tensile tests at the different temperatures material characteristics and strain hardening were studied. The results implied the phenomena of TRIP and TWIP had occurred during strain hardening which would be further confirmed through microscopy examination of the samples. The samples were also examined through the two microscope methods light optical microscopy (LOM) and electron backscatter diffraction (EBSD). By cutting the samples 5mm from the fracture, just below necking, the surface of interest was revealed. Polishing and etching the samples for LOM allows the surface to be examined and to determine possible present phases in the steel after the tensile test. To create an examination of the phases present, the scanning electron microscope technique, EBSD, is used to determine the present phases and grain orientation of the samples. By examining the microstructure of the samples, the temperature dependence of SFE is developed. The results of the study indicated that SFE is indeed correlated to temperature and Ni content. The stress-strain curves that were produced from the tensile testing machine showed clear characteristics of strain hardening at low and cryogenic temperatures. The findings from the stress-strain curves were corroborated by the LOM images and the EBSD maps where at cryogenic temperatures deformation twins and martensite formation was clearly visible. This was shown not to be the case across the temperature range. 316L showed TRIP at cryogenic temperatures which then changed to TWIP in the middle of the temperature range, and finally neither when the temperature was further raised. The difference in the amount of martensite formation and the formation of deformation twins at the different temperatures indicated that the SFE increases with the temperature. 316L showed greater strain hardening characteristics and more TWIP and TRIP transformation compared with 904L in the different tested temperature ranges. The results confirmed the positively correlated relationship between SFE and temperature as well as that the addition of Ni increases the SFE of the alloy.Denna rapport undersöker mekaniska beteenden och deformationsmekanismer för austenitiska rostfria stål, med avseende på hur staplingsfelsenergi (SFE) ändras med temperatur och nickelhalt. Austenitiska är primärt definierade av att de har en ytcentrerad kubisk (FCC) struktur och kan inte innehålla mindre än 11wt-% Cr. Rostfria stål innehåller oftast legeringar som är >11wt-% Cr, >50wt-% Fe, <1.2wt-% C och andra ämnen. Stålen som används i detta projekt är 316L och 904L som Alleima AB producerade, där 904L innehåller 25wt-% Ni medan 316L bara innehåller 11.5wt-% Ni. SFE är en parameter som avgör vad för deformationshärdande effekt som kommer att inträffa, då SFE enligt litteraturen, är både temperaturberoende och legeringsberoende. Vid låga SFE kommer deformationshärdningen att vara transformations inducerad plasticitet (TRIP) och om SFE ökar kommer tvillinginducerad plasticitet (TWIP) ske istället. TRIP kommer ändra austenitfasen till hexagonalt tätpackat (HCP) struktur, ε-martensit eller rymdcentrerad tetragonal (BCT), α’-martensit. För att testa och se vad för härdningsmekanism som kommer att ske vid olika temperaturer används dragprov för att testa materialen. De temperaturer som materialen testades vid var; 500℃, 200℃, 23℃, -80℃ och -196℃. Från dragprovsdata skapades dragprovskurvor, ingenjörskurvor, sankurvor, och töjningshärdningskurvor. Dessa jämfördes sedan med avseende på temperatur och Ni-halt. Efter proverna har dragits sönder analyseras mikrostrukturen 5 mm från brott, precis innan miljöbildningen. Mikrostrukturen analyseras med ljusoptiskt mikroskop (LOM) för alla tester och elektron backscattering diffraction (EBSD) för testerna gjorda vid temperaturerna; 500℃, 23℃ och -196℃. Mikrostrukturen jämförs med avseende på hur mycket mekaniska tvillingar som har skapats och hur mycket martensit som har bildats. Mekanisk tvillingbildning kan bara ske om materialet har en låg SFE och martensit behöver ännu lägre SFE för att bildas. Beroende på om man ser martensit, mekaniska tvillingar eller bara deformation kan man dra slutsatser om vid vilka temperaturer materialen har olika hög SFE. Rapportens resultat tyder på att SFE är beroende av temperatur och sammansättning av legeringen. Dragprovskurvorna som producerades visade tydliga tecken på att deformationshärdande effekter hade skett vid låga och kryogena temperaturer. Resultaten från dragprovskurvorna vidarebekräftades av resultaten från LOM bilderna och EBSD kartorna där deformationstvillingar och martensit fasomvandling var tydliga. Det här var inte resultaten för alla temperaturer. 316L visade martensit fasomvandling vid kryogena temperaturer vilket övergick till tvillingbildning vid medeltemperaturer och sedan visades inget av fenomenen om temperaturen höjdes ytterligare. Skillnaden i mängden martensit fasomvandling och tvillingbildning vid kryogena temperaturer ger tydlig indikation att SFE ökar i legeringen när temperaturen ökar. 316L visade mer deformationshärdande karaktärer än 904L i det temperatur intervallet som testerna utfördes i. De här resultaten bekräftade att SFE är positivt korrelerad med temperatur och att tillsatsen av mer Ni ökar SFE i legeringen