In situ Observation of Phase Transformations in Steels

Festkörperumwandlungen spielen eine wichtige Rolle bei der Herstellung und Verarbeitung von Stählen. Sie sind das effektivste Werkzeug, um die mechanischen Eigenschaften von Stählen zu optimieren. Eine Kette dieser Umwandlungen ist oft an den Verarbeitungsschritten von der Schmelze bis zum Endprodukt beteiligt.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine durchgehende Prozessbeschreibung und Charakterisierung der resultierenden Mikrostrukturen zu realisieren, die eine umfassendere Optimierung dieser Prozesse ermöglichen kann. Um diesem Ziel näher zu kommen, wurden in dieser Arbeit experimentelle und rechnergestützte Werkzeuge erarbeitet. ... mehrEs wurde ein Experiment zur Hochtemperatur Elektronenrückstreubeugung entwickelt, das es ermöglicht, das Gefüge von Stählen während der Wärmebehandlung durch Rückstreubeugung und einfache Bildgebung abzubilden. Ergänzende Computerprogramme wurden entwickelt, die es ermöglichen, die Rückstreudaten der Mikrostruktur verschiedener Verarbeitungsschritte zu kombinieren, um die mikrostrukturelle Entwicklung quantitativ zu verfolgen. Die Kombination von Rückstreudaten mit Bildgebungssequenzen aus dem Rasterelektronenmikroskop ermöglicht zudem die Charakterisierung hochdynamischer Prozesse, die (noch) nicht durch Elektronenrückstreubeugung charakterisiert werden können.
Diese Werkzeuge wurden auf die Ferrit-Austenit-Ferrit- und die Austenit-Martensit-Umwandlung angewendet. Die neuen Methoden, die in dieser Arbeit entwickelt wurden, ermöglichen eine genauere Charakterisierung der Umwandlung und ihrer Produkte: Die Orientierungen der Austenitphase wurden direkt in situ gemessen, anstatt des bisher üblichen Ansatzes bei dem diese mit Rekonstruktionsalgorithmen abgeschätzt werden. Dies ermöglicht erstmals eine quantitative Beschreibung mehrerer Merkmale von Martensit-Mikrostrukturen wie Variantenauswahl, Variantenpaarung und die Martensithabitusebene. Darüber hinaus ermöglicht es die Berechnung von genauen Orientierungsbeziehungen für diese Phasenumwandlungen.
Diese umfassendere Charakterisierung trägt dazu bei, mehrere Merkmale dieser Transformationen zu erklären: Die Rolle der verschiedenen Grenzflächen bei der Nukleation von Martensit sowie deren Entstehung und Entwicklung werden geklärt. Zusätzlich wird der Einfluss der Austenitkorngröße auf die Variantenauswahl untersucht und die Ergebnisse verschiedener Austenitrekonstruktionsalgorythmen mit den realen, gemessenen Mikrostrukturen verglichen. Variantenauswahl und Variantenpaarung in vollmartensitischen und zweiphasigen Mikrostrukturen werden verglichen.

Solid-solid phase transformations play an important role in production and processing of steels. They are the most effective tool to tune the mechanical properties of steels. Frequently, a chain of these transformations is involved in the processing steps from the melt to the final products.
The aim of this thesis is to develop a through-process description and characterization of microstructures before, after and during solid-solid phase transformations which can enable a more comprehensive optimization of these processes. Experimental and computational tools were developed to approach this goal. ... mehrA high temperature electron backscatter diffraction setup was designed which enables to map the microstructure of steels during heat treatments by backscatter diffraction and imaging. Complementary computational tools were developed that allow for the combination of the backscatter data of the microstructure at different processing steps to track the microstructural development in a quantitative way. The combination of backscatter data with scanning electron microscopy imaging sequences further allows for the characterization of highly dynamic processes which cannot be characterized soley by backscattering (yet).
These methods were applied to the ferrite-austenite-ferrite and the austenite-martensite transformations. The new methods which were developed in this thesis enable a more detailed characterization of the transformation and its products: The orientations of the austenite phase were directly measured in situ instead of the up to now prevailing approach that uses reconstruction algorithms for an estimation of these orientations. For the first time, this allows for a quantitative description of several features of martensite microstructures such as variant selection, variant pairing, and martensite habit plane. It furthermore allows for the calculation and mapping of orientation relationships for these phase transformations.
This more comprehensive characterization helps to elucidate several characteristics of these transfor-mations: The role of annealing twins in the austenite for the nucleation of martensite as well as their origin and development are clarified. Additionally, the influence of the grain size of the austenite on the selection of martensite variants is evaluated and the results of various prior austenite reconstruction algorithms are compared to the microstructures measured. Variant selection and variant pairing in both, fully martensitic and dual-phase microstructures are compared.