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M. Hochegger:
"Innere Rissbildung in Stranggussbrammen im Bereich der gamma-alpha Umwandlungstemperaturen";
Supervisor, Reviewer: H.P. Degischer, E. Kozeschnik, E. Kozeschnik; Institut für Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnologie, 2011.

Continuously cast steel slabs are subject to thermal and mechanical stresses from the mold to the reheating furnace, which can cause local deformations in the slabs. The secondary cooling area of a continuous casting plant is important, where the bending and straightening of the slabs take place. Due to that straightening at a temperature range of 1000°C to 700°C, the ferrite forms as thin films arround the austenite grains. This deformation induced ferrite is softer than the austenite grains which causes strain concentrations in these films during straightening. The result is, that the thin ferrite films can induce cracks transverse to the casting direction.

In this study the influence of the deformation induced ferrite to the so called 2nd ductility minimum, which occurs during the cooling of a continuously cast slab of a plain carbon steel is examined in detail. Furthermore the deformation induced ferrite formation is investigated by means of hot tensile tests at different temperatures and strain rates.

Specimens taken from the surface near region of continuously cast low carbon steel slabs are prepared for tensile tests performed in a Gleeble machine. Specimens are cooled from austenitizing to deformation temperature between 700°C and 800°C. Stress-strain curves are evaluated and correlated to the microstructure developed during deformation in the range of 0.2 to 1 total true strain. Strain rates in the range of = 3,3*10-3 - 0,3/s are applied. The deformation induced ferrite formation is quantified. The changes in ductility are correlated to the microstructure. Damage indication is documented by x-ray tomography and metallography.

A division or a system on common characteristics is applied to the studied heats, which can be classified by two groups according to their transformation kinetics. The system is based on the criteria, whether Ar3, at a cooling rate of 1 K/s is larger or smaller than 700°C and with respect to the maximum amount of total precipitations. In each case the series A15 and E17 (Ar3 ³ 700°C) or the series Aldur 700, G9 and H4 (Ar3 < 700°C) are considered separately.

The results from the above studies quantify the loss in ductility between 700°C and < 900°C with a minimum at 750°C - 760°C (A15, E17 and Aldur 700 - V9) or at 775°C (Aldur 700 - V13 and G9) with = 3,3*10-3/s. Thus, the situation appears that the location of the minimum is independent from the chemical composition. An exception is series H4, which has a very low carbon content. This heat shows a ductile behavior throughout the entire region with only a little decrease in ductility at 800°C (RA = 80 %). Series G9, shows a minimum RA value of 37 %, whereas all other heats reach a minimum in the RA range of 50 % to 60 %.All show intergranular fracture. Only the width of the minimum shows differences. In general, the mechanism of embrittlement for the formation of the second ductility minimum is based on the formation of ferrite at the original austenite grain boundaries and the formation of precipitates in these ferrite films. For the series A15 and series E17 deformation-induced ferrite can not be proven unambiguously, because the minimum is located in the temperature range of the corresponding Ar3. In series E17 - heat 945858 deformation-induced ferrite could exist. The series Aldur 700 - V9 (Ar3 = 600°C, Mo = 0,41 wt%) and V13 do not show any ferrite films at the original austenite grain boundaries. There the grain boundary fracture occurs due to the precipitation-free zones in the austenitic state as the temperature of the minimum > Ar3.
The increase in ductility in the temperature range below the minimum is due to grain fragmentation by shear bands in the austenite coupled with an increasing amount of ferrite in the newly formed shear bands and grain boundaries. On the other hand, in the temperature range above the ductility minimum grain formation in the form of dynamic recrystallization occurs. In both cases, the decrease in effective austenite grain size is the decisive factor for an increased ductility whereas deformation takes place in the austenite of original grain size at the temperature of the RA minimum. Increasing the strain rate results in an increase in ductility and simultaneously to a shift to lower temperatures of the less pronounced ductility minimum. At > 1,25*10-2/s no minimum can be observed. Metallographically it reveals itself in a deformed grain structure without visible ferrite films, which leads to transgranular fracture.It is concluded that the formation of ferrite films is rather induced by the duration of soaking in the temperature range, than by the deformation itself. An influence of the phase transformation temperature Ar3 (cooling rate = 1K/s) to the minimum could not be determined. The temperature dependance of the deformation mechanisms in the austenite causes the ductility minimum to be located between shear band formation and recrystallisation.

90% des heutigen Stahlverbrauchs werden mittels kontinuierlichem Strangguss hergestellt. Stranggussbrammen sind von der Kokille bis zum Stoßofen thermischen und mechanischen Spannungen unterworfen, welche wiederum zu lokalen Verformungen führen. Der für diese Arbeit wichtige Bereich einer Stranggussanlage ist die sekundäre Kühlzone (700°C -1000°C), in der auch das Richten der Bramme vonstatten geht. Laut Literatur kommt es im Temperaturbereich von ca. 700°C-1000°C zur Bildung von verformungsinduziertem Ferrit an den ursprünglichen Austenitkorngrenzen und zur Bildung von Sekundärausscheidungen (Karbonitride) in diesem, was einen Einbruch der Duktilität (II. Duktilitätsminimum) zur Folge hat. Ferritsäume sind duktiler als die Austenitkörner, deshalb konzentriert sich die plastische Verformung in diesem Bereich, was zu inneren Rissen führen kann.

Proben aus der oberflächennahen Schicht einer Stranggussbramme eines Baustahls werden mittels einer Gleeble Apparatur bis Bruch bzw. bis zu einer bestimmten Dehnung gezogen. Der Bereich der Prüftemperaturen liegt nach einer Austenitisierung zwischen 700-800°C, wo ein Duktilitätsminimum beobachtet wird. Die Charakterisierung des Gefüges und der Bruchoberfläche via Lichtmikroskop bzw. REM wird zur ursächlichen Begründung der Duktilitätsunterschiede herangezogen. Die Risseinleitung bei Warmzugproben wird mittels Röntgen-Computer Tomografie (XCT) untersucht. Aufnahme der Beugungsspektren (Synchrotron Strahlung/Grenoble) dienen zur Quantifizierung der Phasenumwandlungstemperaturen bzw. Phasenanteile einer γ↔α Umwandlung.

Ziel dieser Arbeit ist eine ursächliche Beschreibung der Schädigungsmechanismen in Stahlbrammen bei Zugbeanspruchung in der Nähe des Zweiphasengebietes, in Abhängigkeit von Legierungselementen, Austenitisierung, Temperaturgeschichte und Verformungsablauf im Hinblick auf erhöhte Zuverlässigkeit in der Brammenbehandlung.

Um eine Einteilung bzw. eine Systematik hinsichtlich gemeinsamer Eigenschaften für die untersuchten Serien/Chargen vornehmen zu können werden diese nach ihrer Umwandlungskinetik in zwei Gruppen eingeteilt. Die Systematik erfolgt nun nach dem Kriterium, ob Ar3, bei einer Abkühlrate von 1 K/s größer bzw. kleiner als 700°C ist und nach der maximalen Menge an Gesamtausscheidungen. Es werden jeweils die Serien A15 und E17 (Ar3 ³ 700°C) bzw. die Serien Aldur 700, G9 und H4 (Ar3 < 700°C) gesondert betrachtet.

Die Ergebnisse aus den oben angeführten Untersuchungen bezüglich des II. Duktilitätsminimums zeigen eine Duktilitätsabnahme zwischen 700°C und < 900°C mit einem Minimum um 750°C bis 760°C (A15, E17 und Aldur 700 - V9) bzw. um 775°C (Aldur 700 - V13 und G9) bei = 3,3*10-3/s. Somit scheint die Lage des Duktilitätstiefs bei diesen Chargen unabhängig von der chemischen Zusammensetzung zu sein. Eine Ausnahme bildet Serie H4, die einen sehr geringen Kohlenstoffanteil besitzt. Diese zeigt über den gesamtern Bereich des Minimums ein duktiles Verhalten und weist ein nur geringes Tief bei 800°C (RA = 80 %) auf. Außer Serie G9, die einen RA Wert von 37 % zeigt besitzen alle Chargen ein Duktilitätstief DA in einem RA Wertebereich von 50 % bis 60 % und weisen dabei, Serie G9 inkludiert, einen typischen interkristallinen Wabenbruch auf. Einzig die Breite (d.h. Erholung im unteren und oberen Temperaturbereich des Minimums) des Duktilitätstiefs DA zeigt Unterschiede. Allgemein kann der Versprödungsmechanismus für die Bildung des II. Duktilitätsminimums auf die Bildung von Korngrenzenferrit an den ursprünglichen Austenitkorngrenzen und auf Ausscheidungsbildung in diesem zurückgeführt werden. Für die Serie A15 und Serie E17 kann kein verformungsinduzierter Ferrit nachgewiesen werden, da Ar3 im Temperaturbereich des Duktilitätstiefs liegt. Bei Serie E17 - Charge 945858 könnte die Ferritbildung verformungsinduziert sein. Die Serie Aldur 700 - V9 (Ar3 = 600°C, Mo = 0,41 m%) und V13 zeigen metallographisch keine Ferritfilme wodurch der Korngrenzenbruch aufgrund der ausscheidungsfreien Zonen im Austenit zustande kommt.
Der Anstieg der Duktilität im unteren Temperaturbereich des Minimums lässt sich einerseits mit Kornfragmentierung durch Scherbänder im Austenit und damit verbundenen Anstieg an Ferrit in den neugebildeten Scherbändern und der Korngrenze erklären. Andererseits ist im oberen Temperaturbereich des Minimums die Ursache in einer Kornneubildung in Form von dynamischer Rekristallisation zu finden. In beiden Fällen ist die kleinere Kornstruktur der ausschlaggebende Faktor für eine Duktilitätszunahme, was frakrographisch als transkristalliner Wabenbruch mit herausgezogenen Kornteilen erkennbar ist. Die Erhöhung der Dehnrate ist bei allen untersuchten Chargen mit einer Erhöhung der Duktilität und Verengung mit gleichzeitiger Verschiebung zu niedrigeren Temperaturen des geringer werdenden Duktilitätstiefs DA verbunden > = 1,25*10-2/s kein Minimum mehr sichtbar ist. Daraus wird geschlossen, dass die Ferritsaumbildung eher von der Verweilzeit in dem Temperaturbereich abhängt, als von der Verformung. Metallographisch äußert sich das in einer in Zugrichtung verformten Kornstruktur ohne sichtbaren Korngrenzenferrit, die zu transkristallinem Bruch führt. Ein Einfluss der Phasenumwandlungstemperatur Ar3 (Abkühlrate = -1K/s) auf das Minimum konnte nicht festgestellt werden.

Strangguß, Duktilitätsminimum, verformungsinduzierter Ferrit, Ausscheidungen, Tomografie