Difúzní charakteristiky vodíku v moderních konstrukčních ocelích

Taťána Radkovská

Disertační práce

Diffusion characteristics of hydrogen in advanced structural steels

Anotace:

Předložená disertační práce je věnována difúzním charakteristikám vodíku v ocelích TRIP (Transformation Induced Plasticity Steels), patřících do skupiny ocelí AHSS (Advanced High Strength Steels). Tyto oceli jsou používány zejména v automobilovém průmyslu, a to především pro jejich mechanické vlastnosti, kdy jsou vyžadovány vysoké hodnoty meze pevnosti v rozmezí 500-1000 MPa, vysoká tažnost 20-40 % a schopnost pohlcení velkého množství dynamické energie při působení vysokých rychlostí deformace (např. při dopravních nehodách). Těchto vlastnosti lze dosáhnout díky multifázové mikrostruktuře, která je tvořena feritem, feritickým bainitem a zbytkovým austenitem, transformovaným v důsledku deformace na deformačně indukovaný martenzit. Při povrchovém zpracování těchto ocelí za účelem zvýšení jejich korozivzdornosti může dojít k pronikání vodíku do oceli, což může vyvolat vznik vodíkové křehkosti. Vodíková křehkost ocelí je úzce svázána s difúzními charakteristikami vodíku v ocelích, a právě difúzní charakteristiky ocelí TRIP tvoří stěžejní náplně disertační práce. V disertační práci jsou studovány tři varianty ocelí TRIP o rozdílném chemickém složení, a to oceli TRIP 800 na bázi C-Mn-Si, dále na bázi C-Mn-Si-Al a varianta typu C-Mn-Si-P. Oceli jsou zkoumány ve třech rozdílných stavech, a to ve stavu bez deformace za studena, dále ve stavech po 5 % tahové deformaci a 10 % tahové deformaci za studena. Potřeba rozlišení různých stavů vyplývá z faktu, že oceli TRIP jsou při konstrukci karoserie automobilů používány na konstrukční prvky, které jsou většinou finálně zpracovány tvářením za studena s nerovnoměrným rozložením deformace, kdy část konstrukčních prvků je v zásadě bez významnější deformace, zatímco jiné části mohou být za studena deformovány poměrně významně. Mikrostrukturní charakteristiky zkoumaných ocelí jsou popsány pomocí světelné mikroskopie, řádkovací elektronové mikroskopie a transmisní elektronové mikroskopie. Obsah zbytkového austenitu ve výchozím stavu a ve stavech po 5 % a 10% tahové deformaci je hodnocen pomocí RTG difrakční analýzy. Difúzní charakteristiky vodíku jsou v této práci studovány pomocí metody elektrochemické permeace vodíku s využitím dvou experimentálních protokolů: jeden se dvěma vzestupnými větvemi tranzitní křivky, druhý podle Zakroczymského se třemi etapami vodíkování. U obou experimentálních protokolů jsou pozorovány analogické trendy, a to v zásadě ve všech aspektech, pozorované rozdíly lze přičíst na vrub experimentální náročnosti metody a množství parametrů, které ovlivňují průběh experimentu. Získané výsledky tvoří významný příspěvek ke komplexnímu studiu působení vodíku v ocelích TRIP a zejména získané koeficienty difúze vodíku lze zařadit k těm nemnohým, které byly u ocelí TRIP doposud získány, a to i v mezinárodním měřítku.

Abstract:

The presented dissertation thesis is devoted to the study of hydrogen diffusion characteristics in the TRIP (Transformation Induced Plasticity) steels, belonging to the group of AHSS (Advanced High Strength Steels). These steels are mainly used in the automotive industry, especially for their mechanical properties, where high values of the tensile strength are required in the range of 500-1000 MPa, high elongation at fracture in the range from 20 to 40% and the ability to absorb large amounts of dynamic energy at high strain rates (e.g. during traffic accidents). These properties can be achieved thanks to the multiphase microstructure, which consists of ferrite, ferritic bainite and residual austenite, which can be transformed into deformation induced martensite as a result of the plastic deformation. During the surface treatment of these steels in order to increase their corrosion resistance, hydrogen may entry the steel, which may cause hydrogen embrittlement. Hydrogen embrittlement of steels is closely related to the diffusion characteristics of hydrogen in steels, and it is the hydrogen diffusion characteristics of the TRIP steels that form the main content of this dissertation thesis. The thesis studies three variants of the TRIP steels with different chemical composition, namely TRIP 800 steels based on C-Mn-Si, then based on C-Mn-Si-Al and a variant of the C-Mn-Si-P type. Steels are studied in three different states, in the state without deformation, then in the states after 5% and 10% cold tensile deformation. The need to distinguish between different states stems from the fact that TRIP steels are used in car body construction for structural elements, which are usually finished by cold forming with uneven deformation distribution, where some structural elements are essentially free of significant deformation, while other parts can be cold deformed quite significantly. The microstructural characteristics of the investigated steels are described by light microscopy, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. The content of residual austenite in the initial state and in the states after 5% and 10% tensile deformation is evaluated by X-ray diffraction analysis. The hydrogen diffusion characteristics are studied by the method of electrochemical permeation of hydrogen using two experimental protocols: one with two ascending branches of the transition curve, the other according to Zakroczymski with three stages of hydrogenation. Analogous trends are observed for both experimental protocols, in principle in all aspects, the observed differences can be attributed to the experimental complexity of the method and the number of parameters that affect the experiment. The obtained results present a significant contribution to a comprehensive study of the action of hydrogen in the TRIP steels. In particular, the obtained hydrogen diffusion coefficients can be included among the few that have been obtained so far in the TRIP steels, even on an international scale.

Klíčová slova

TRIP oceli, difúze vodíku, vodíková křehkost, elektrochemická permeace

Keywords

TRIP steels, hydrogen diffusion, hydrogen embrittlement, electrochemical permeation

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 8. 10. 2020

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 28. 1. 2021
• Vedoucí: Jaroslav Sojka
• Oponent: Jana Petrů, Petr Jonšta, Antonín Kříž

VŠB – Technická univerzita Ostrava

Fakulta materiálově-technologická

Doktorský studijní program:
Materiálové vědy a inženýrství