In-Situ Measurement of Deformation Induced Formation of Martensite in Austempered Ductile Iron (ADI)

• Applicants: Professor Dr. Winfried Petry; Professor Dr.-Ing. Wolfram Volk
• Subject Area: Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials
• Term: from 2013 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 233737539

• Final Report Year: 2016

Final Report Abstract

Gegenstand dieses Forschungsvorhabens war es, die Stabilität des Restaustenits in ADI hinsichtlich einer Umwandlung zu Martensit, in Abhängigkeit der Wärmebehandlungsparameter zu untersuchen. Die Wärmebehandlungsparameter beeinflussen die Phasenumwandlungskinetik und damit den Phasenzustand und das Gefüge. Das Verhalten bei Deformation und insbesondere die Umwandlung von Restaustenit zu Martensit werden wiederum vom Phasenzustand und dem Gefüge bestimmt. Das erste Projektziel war daher die Charakterisierung der Phasenumwandlungskinetik durch In-situ-Messungen. Insbesondere sollte auf Grundlage der Ergebnisse des vorhergehenden Forschungsprojektes, das die Phasenumwandlungskinetik an unlegiertem ADI zum Gegenstand hatte, der Einfluss von Legierungselementen am Beispiel des Nickels auf die Phasenumwandlungen quantifiziert werden. Mittels Neutronendiffraktometrie wurde der zeitliche Verlauf der Ferritbildung und der Kohlenstoffanreicherung des Restaustenits ermittelt. Hierbei zeigte sich, dass durch die Zugabe von Nickel der Austenit stabilisiert wird. Die Ergebnisse konnten in ZTU Diagramme übertragen werden. Diese zeigen, dass bei höheren Nickelgehalten, die bei unlegiertem ADI erkennbare Ausbildung in unteren und oberen Bainit deutlich abgeschwächt ist. Die maximalen Kohlenstoffanteile des Restaustenits konnten aus allen Versuchen extrahiert und dargestellt werden. Die höchsten Kohlenstoffgehalte wurden dabei bei mittleren Ausferritisierungstemperaturen (350 °C) erreicht. Dies ließ sich mit der Ausscheidung von Carbiden begründen. Bei niedrigen Temperaturen konnte dies erstmals mithilfe der Atomsondentomografie als feinverteilten nur wenige Nanometer breite Plättchen im Ferritgefüge eindeutig nachwiesen werden. Im zweiten Teil des Projektes wurde die thermische und lastindizierte Umwandlung von metastabilem Restaustenit zu Martensit mittels Dilatometrie und Neutronendiffraktion untersucht. Die Analyse der Experimente der thermisch induzierten Martensitbildung ergab eine kontinuierliche Umwandlung durch Unterkühlung, die durch Gradienten in der Kohlenstoffkonzentration im Austenit erklärt werden konnten. Zur Untersuchung der lastinduzierten Martensitumwandlung wurden die in-situ Diffraktionsmessunegn sowohl als Zug- wie auch Druckversuche durchgeführt. Die Umwandlung von Austenit zu Martensit zeigte sich bei allen Experimenten und war ausschließlich dehungsinduziert. Eine spannungsinduzierte Umwandlung konnte nicht festgestellt werden. Für die quantitative Auswertung der Ergebnisse war es entscheidend die deformationsabhängige Texturveränderung der Proben in der Auswertung mittels der Rietveld-Methode zu berücksichtigen. Die Erniedrigung des Austenitanteils (als Maß für den Umwandlungsgrad) war dabei abhängig von der Ausferritisierungstemperatur und nahezu unabhängig vom Nickelgehalt. Die Verringerung des Austenitanteils konnte durch eine angepasste Sigmoidfunktion approximiert werden, deren Steigung von der Ausferritisierungstemperatur abhängt. Die Steigungen für Zug und Druck wichen stark voneinander ab. Dies konnte auf die unterschiedlichen mechanischen Triebkräfte, welche bei Zug- und Druckbelastung zur Martensitbildung aufgebracht werden müssen, zurückgeführt werden. Die Ergebnisse dieses Forschungsvorhaben sowie des vorangehenden Projekts bilden die Grundlage eines Erkenntnistransferprojekts (Anwendung von ausferritischem Gusseisen (ADI) bei dynamisch beanspruchten Hydraulik-komponenten) mit dem Ziel die Betriebsfestigkeit von Bauteilen, welche einer dynamischen Öldruckbelastung ausgesetzt sind, durch den Einsatz von ADI Werkstoffen zu erhöhen.

Publications

• In-situ measurement of phase transformation kinetics in austempered ductile iron. Materials Characterization 85, 2013, 124-133
  Meier, Leopold; Hofmann, Michael; Saal, Patrick; Volk, Wolfram; Hoffmann, Hartmut
  
• In-situ Neutron Diffraction of the Phase Transformation Kinetics in Austempered Ductile Iron Heat Treatments. Materials Science Engineering, Sep 23-25 2014, Darmstadt
  Saal, Patrick; Meier, Leopold; Li, Xiaohu; Hofmann, Michael; Volk, Wolfram
  
• In-situ Synchrotron and Neutron Diffraction studies on phase transformation in Austempered Ductile Iron (ADI). The European Powder Diffraction Conference (EPDIC), Jun 15-18 2014. Aarhus, Dänemark
  Li, Xiaohu; Hofmann, Michael; Saal, Patrick; Meier, Leopold
  
• In-situ Study of the Influence of Nickel on the Phase Transformation Kinetics in Austempered Ductile Iron. Metallurgical and Materials Trans. A47 (2016) 661-671
  Saal, Patrick; Meier, Leopold, Li, Xiaohu; Hofmann, Michael, Hoelzel, Markus; Wagner, Julia N.; Volk, Wolfram
  
• Strain Induced Martensitic Transformation in Austempered Ductile Iron (ADI). Journal of Physics: Conference Series, Volume 746, Number 1, 012055, 2016, 9 S.
  Li, Xiaohu; Saal, Patrick; Gan, Weimin; Landesberger, Martin; Hoelzel, Markus; Hofmann, Michael