Characterization of an austenitic lightweight steel under different thermo-mechanical and welding conditions

In recent years, there has been great interest in lightweight Fe-Mn-Al-C steels, especially for their applications as structural components in the automotive industry. The most important aspect of this type of steels is their lower density compared to the alloys typically used in this field (AHSS, HSS, UHSS) together with their excellent combination of ductility and mechanical properties. However, their production is very complex due to various metallurgical complications, such as the frequent precipitation of secondary phases that can affect the properties of the final material. In this project, the microstructure and mechanical properties of an Fe-15Mn-8Al-1C-40ppmB alloy were analyzed under different thermomechanical and welding conditions. Specifically, the focus was placed on investigating the precipitation of secondary phases and grain evolution during hot and cold rolling, as well as solution treatment (with different time and temperature treatments). Regarding welding, the study focused on cladding techniques and double-V butt welds, tested using both direct and alternate current. In this context, particular attention was given to the microstructural evolution of the welded region affected by the welding operation. Additionally, tensile tests were performed on specimens with a double-V butt weld positioned at their center. Analytical methods used included optical microscopy, X-ray diffraction, scanning electron microscopy and average grain size analysis. Additionally, the anisotropy of the alloy in the hot-rolled condition was calculated, Vickers micro-hardness, bending and potentiodynamic corrosion tests were used to assess the alloy’s properties.The analysis demonstrates that the Fe-15Mn-8Al-1C-40ppmB composition enables a density reduction of approximately 10% compared to conventional steels. In all the rolling conditions analyzed, except for hot-rolled without heat treatment, the microstructure exhibited an austenitic matrix with varying forms and quantities of ferrite precipitation, depending on the condition. Specifically, it was observed that the majority of ferrite precipitates after solution treatments. Furthermore, no κ-carbides were detected under any condition. With regards to welds, the microstructural analysis and tensile tests has revealed that alternating current is more effective compared to direct current due to its superior capability to breakdown the oxide layer on the material's surface. At the microstructural level, the weld zone exhibited a dendritic microstructure with an austenitic matrix. Furthermore, the precipitation of secondary phases, particularly k-carbides, was observed in the base material adjacent to the heat-affected zone.

Negli ultimi anni c'è stato un grande interesse per gli acciai leggeri Fe-Mn-Al-C, specialmente per le loro applicazioni come componenti strutturali nell'industria automobilistica. L'aspetto più importante di questo tipo di acciai è la loro minore densità rispetto alle leghe tipicamente utilizzate in questo settore (AHSS, HSS, UHSS), insieme alla loro eccellente combinazione di duttilità e proprietà meccaniche. Tuttavia, la loro produzione è molto complessa a causa di varie complicazioni metallurgiche, come la frequente precipitazione di fasi secondarie che ne possono influenzare le proprietà del materiale finale. In questo progetto sono state analizzate la microstruttura e le proprietà meccaniche di una lega Fe-15Mn-8Al-1C-40ppmB in diverse condizioni termomeccaniche e di saldatura. In particolare, l'attenzione è stata focalizzata sull'indagine della precipitazione di fasi secondarie e sull'evoluzione dei grani durante la laminazione a caldo e a freddo, nonché durante il trattamento termico di soluzione. Per quanto riguarda la saldatura, lo studio si è concentrato sulle tecniche di cladding e sulle saldature di testa a doppia V, testate utilizzando sia corrente diretta che alternata. In questo contesto, particolare attenzione è stata dedicata all'evoluzione microstrutturale della zona saldata influenzata dall'operazione di saldatura. Inoltre, sono state effettuate prove di trazione su provini con una saldatura a doppia V posizionata al centro. I metodi analitici utilizzati includono la microscopia ottica, la diffrazione dei raggi X, la microscopia elettronica a scansione e l'analisi della dimensione media dei grani. Inoltre, è stata calcolata l'anisotropia della lega nello stato laminato a caldo, sono state utilizzate prove di microdurezza Vickers, flessione e corrosione potenziocinetica per valutare le proprietà della lega. L'analisi ha dimostrato che la composizione chimica della lega consente una riduzione di circa il 10% della densità rispetto agli acciai convenzionali. In tutte le condizioni di laminazione analizzate, tranne che nel caso di laminazione a caldo senza trattamento termico, è stata osservata una microstruttura con matrice austenitica con varie forme e quantità di precipitazione di ferrite, a seconda della condizione. In particolare, si è osservato che la maggior parte della ferrite precipita dopo i trattamenti di soluzione. Inoltre, non sono stati rilevati carburi  in nessuna delle condizioni. Per quanto riguarda le saldature, l'analisi microstrutturale e i test di trazione hanno rivelato che la corrente alternata è più efficace rispetto alla corrente continua grazie alla sua migliore capacità di rimuovere lo strato di ossido sulla superficie del materiale. A livello microstrutturale, la zona di saldatura ha mostrato una microstruttura dendritica con una matrice austenitica. Inoltre, è stata osservata la precipitazione di fasi secondarie, in particolare carburi k, nel materiale di base adiacente alla zona termicamente alterata.