Influence of testing mode on the fatigue behavior of <111> austenitic grain at the nanometric length scale for TRIP steels

Abstract

Metastable austenitic stainless steels, and in particular the TRansformation Induced Plasticity steels, rely on a phase transformation from a ductile austenite to a slightly harder martensite. These materials under fatigue testing conditions at the macrometric length scale can induce a softening or hardening effect as a function of the underlying deformation feature activated. Thus, given the interaction of single grains in polycrystalline materials, the collective response to macroscopic fatigue testing is not trivial to interpret. Within this context, small scale tests are required to obtain a more in detail understanding of the fatigue properties at the local level of those materials. In this regard, cyclic nanoindentation tests represent a suitable technique to give insight on the local fatigue of metastable stainless steels for a certain crystallographic orientation. In this experimental work, the influence of the testing mode (loading and/or displacement control mode) on the fatigue behavior of <111> austenitic grains as a function of their micromechanical properties as well as their deformation features was investigated in detail. It was found that the experiments done under loading control mode could be compared to conventional low cycle fatigue tests. In contrast when experiments were performed under displacement control mode they may be compared to high cycle fatigue tests. Furthermore, the microstructural observation by transmission electron microscopy allowed to observe the formation of shear bands. This phenomenon preceded the apparition of martensitic laths during the cyclic indentation process.

Fatigue behavior evaluation in Fe-20Mn-3Al-0.9C alloys by dynamic nanoindetation

“…Las pruebas de nanoindentación realizadas bajo el modo de control de carga se pueden comparar con las pruebas de fatiga de bajo ciclo (lcf), donde la contribución de la deformación plástica es predominante en relación con la deformación elástica del total de la deformación. Por otro lado, cuando los experimentos se realizaron bajo el modo de control de desplazamiento, se asemejan a las pruebas de fatiga de alto ciclo (hcf), donde la deformación elástica es más significativa [6]. Para entender el comportamiento de una aleación Fe-20Mn-3Al-0.9C, clasificada como un acero twip (plasticidad inducida por maclas, por sus siglas en inglés) mediante estudio previo [11], la muestra fue sometida a cargas dinámicas de nanoindentación, considerando el control de carga y el control de desplazamiento, como se analizará a continuación.…”

“…De esta manera, en los primeros ciclos de descarga, los granos de la austenita se recuperan levemente de la deformación plástica inducida en el proceso indentación, sin embargo, en la siguiente carga, el indentador penetra nuevamente la misma zona, aumenta la deformación plástica del ciclo anterior y por ende, de la profundidad, así, produce un ablandamiento del material. Este proceso de ablandamiento se puede deber a la nucleación y propagación de dislocaciones de alta densidad consecuencia del proceso cíclico [6]. En la figura 1c se muestra que los niveles de carga se mantienen durante los 100 ciclos, pero la profundad de indentación aumenta con el paso de los ciclos, esto genera un ablandamiento del material.…”

“…Los aceros austeníticos sometidos a cargas de fatiga presentan variaciones en las propiedades mecánicas, debido a que estas dependen de la microestructura y la interacción de los mecanismos de deformación, resultante en etapas de ablandamiento o endurecimiento. El endurecimiento por deformación de la austenita se ve reflejado en las primeras etapas de fatiga, mientras que en etapas posteriores se puede presentar un ablandamiento como consecuencia del reordenamiento de las dislocaciones [6]. El efecto de diferentes variables metalúrgicas como el volumen de martensita en la aleación, así como la cantidad de esta que se transforma, el porcentaje de aleantes y otras variables de servicio como el modo de carga, la amplitud, la velocidad y otras experimentales como el control de carga o desplazamiento, han sido estudiado en diferentes investigaciones [7]- [10].…”

The significance of phase reversion-induced nanograined/ultrafine-grained structure on the load-controlled deformation response and related mechanism in copper-bearing austenitic stainless steel

“…The experiments were conducted using a nanoindenter, where the tested volume is comparable to the microstructure to the NG structure [21,23] and the experimental conditions are identical. Nanoindentation technique was beneficial for studying micro/nanoscale deformation behavior of austenitic stainless steels and transformation-induced plasticity (TRIP) steels [35][36][37][38][39].…”

Transmission of Plasticity Through Grain Boundaries in a Metastable Austenitic Stainless Steel

“…Thus, the dynamic deformation was examined by means of cyclic nanoindentation, concluding that metastable stainless steels present an inelastic nature of the unloading/reloading response which is mainly related to the ratcheting effect [14]. The influence of testing mode on the fatigue behavior was also studied, and the results showed that nanoindentation under loading control mode could be compared to conventional low-cycle fatigue tests, whereas the experiments performed under displacement control mode may be associated with high-cycle fatigue tests [15]. Additionally, the dependence of nanoindentation hardness on the crystallographic orientation of austenitic grains was analyzed [8].…”