To analyse the microstructure and mechanical properties of GTAW/TIG and laser welded joints of specific Fe-Mn-Al-C lightweight steel

Lightweight steels are a viable technological solution to meet the rising demand for energy-efficient, sustainable, and eco-friendly materials. The Fe-Mn-Al-C alloyed steel is a notable lightweight steel that has gained considerable interest in the past few years. The system exhibits an impressive ability to decrease density when compared to traditional steel. Despite this weight reduction, the system maintains its distinct mechanical properties. Lightweight design has emerged as a key focus area in several industries, such as automotive, transportation, aerospace, and military. The Fe-Mn-Al-C alloy possesses exceptional properties that provide it extremely suitable for the applications mentioned earlier. The reduction in automobile weight leads to enhanced fuel efficiency and decreased emissions while maintaining structural integrity and safety. The aerospace and military industries might utilise this alloy due to its lightweight properties, which allow it to improve mobility while maintaining high levels of performance and durability. The objective of this study is to analyse the microstructure and mechanical properties of gas tungsten arc welding (GTAW) and laser welded joints of specific lightweight steel, Fe-30Mn-9Al-1C (wt%), in correlation with the thermo-mechanical treatments applied. The experimental approach aims to assess the microstructural state and mechanical properties of the material by considering two different heat treatment methods: hot rolling and solubilisation. The heat-treated materials went through GTAW and laser welding. GTAW welding was divided into AC and DC welding procedures based on welding current modes. Various analytical techniques have been utilised to achieve the intended objective. These techniques include optical microscopy, scanning electron microscopy, and Vickers micro-hardness testing. Tensile tests were conducted to investigate the mechanical properties of the alloy and of the welded joints. This study found that the Fe-Mn-Al-C alloy with 30% Mn, 9% Al, and 1% C had specific properties. First, the hot-rolled case is higher in hardness than solubilized case. Finer grains and grain boundaries hinder dislocation movement, increasing hardness. The welded zone has long dendrites, equiaxial grains, and irregular orientation. This welded zone is harder than the heat-affected zone (HAZ), although the base zone is still harder. GTAW welding samples had better strength and elongation at the point of fracture than other welding processes. This shows that GTAW welded samples are stronger and more ductile.

Gli “acciai leggeri” sono una valida soluzione tecnologica per soddisfare la crescente domanda di materiali efficienti dal punto di vista energetico, sostenibili ed ecologici. Il sistema Fe-Mn-Al-C è un notevole acciaio leggero che ha riscosso notevole interesse negli ultimi anni. Il sistema presenta un'impressionante capacità di ridurre la densità rispetto all'acciaio tradizionale. Nonostante questa riduzione di peso, il sistema mantiene le sue spiccate proprietà meccaniche. Il design leggero è emerso come un'area di interesse chiave in diversi settori, come quello automobilistico, dei trasporti, aerospaziale e militare. Le eccezionali proprietà della lega Fe-Mn-Al-C la rendono altamente adatta per le applicazioni di cui sopra. La riduzione del peso delle automobili si traduce in una migliore efficienza del carburante e in emissioni ridotte, senza compromettere l'integrità strutturale e la sicurezza. L’industria aerospaziale e militare potrebbe utilizzare questa lega per la sua leggerezza, che consente una migliore mobilità pur mantenendo alti livelli di prestazioni e durata. L'obiettivo di questo studio è analizzare la microstruttura e le proprietà meccaniche di giunti saldai tramite saldatura ad arco di tungsteno (GTAW) e saldatura laser di uno specifico acciaio leggero, Fe-30Mn-9Al-1C (wt%), in correlazione con i trattamenti termomeccanici applicati. L'approccio sperimentale mira a valutare lo stato microstrutturale e le proprietà meccaniche del materiale sottoponendolo a due diversi metodi di trattamento termico: laminazione a caldo e solubilizzazione. I materiali trattati termicamente sono stati sottoposti a GTAW e saldatura laser. La saldatura GTAW è stata suddivisa in procedure di saldatura AC e DC basate sulle modalità della corrente di saldatura. Varie tecniche analitiche sono state utilizzate per raggiungere l'obiettivo prefissato. Queste tecniche includono la microscopia ottica, la microscopia elettronica a scansione e il test di microdurezza Vickers. Sono state condotte prove di trazione per studiare le proprietà meccaniche della lega e dei giunti saldati. Questo studio ha rilevato che la lega Fe-Mn-Al-C con il 30% di Mn, il 9% di Al e l'1% di C aveva proprietà specifiche. In primo luogo, la condizione laminata a caldo ha una durezza maggiore rispetto alla condizione solubilizzata. Grani più fini e bordi grano ostacolano il movimento di dislocazione, aumentando la durezza. La zona saldata ha lunghi dendriti, grani equiassiali e orientamento irregolare. Questa zona saldata è più dura della zona termicamente alterata (ZTA), sebbene la zona di base sia ancora più dura. I campioni di saldatura con gas inerte e elettrodo in tungsteno (TIG) presentavano resistenza e allungamento migliori nel punto di frattura rispetto ad altri processi di saldatura. Ciò dimostra che i campioni saldati TIG sono più resistenti e più duttili.