Effect of deformation on the mechanical behavior of an advanced steel of high resistance with high manganese content
Authors:   , Lima Marcos Natan da Silva 
Published: November 2024

(English) Pre-salt oil exploration means a new development path for Brazil. This activity stimulates investments from national and foreign companies, boosts the production of technology, promotes greater professional qualification and generates employment and income. The flexible pipelines (risers) used in the extraction of gas and oil from the seabed have a traction reinforcement made of steel that must withstand various efforts such as axial traction, fatigue, high pressure, torsion and corrosion when in service. The present research carried out a study of the mechanical behavior of a special steel with high manganese and medium chromium. Ordinary and severe (Severe Plastic Deformation-SPD) plastic deformations were applied to high manganese steel to establish a comparative degree of mechanical strength, tenacity, and corrosion of this steel with pearlitic steels currently used in flexible ducts. The steel used in this work has a TWIP (Twinning Induced Plasticity) effect, which caused the appearance of mechanical twins after plastic deformation.The correlation between microstructure, crystallographic orientation, and grain boundary characteristics of austenitic high manganese steel was systematically investigated. In the first stage, cold rolling was performed. The as-received and cold-rolled specimens with 50% and 70% reduction were analyzed using Scanning Electron Microscopy (SEM), Electron Back-Scattered Diffraction (EBSD), and X-ray diffraction techniques. A significant increase in the fraction of
low-energy S3 twin boundaries, from 16.21% to 24.41%, was found in the 70% deformed sample. This was coupled with the formation of {011} austenitic structure and the occurrence of twinning-induced plasticity. The ductile-brittle fracture mode observed in the 70% cold rolled sample, which can be attributed to the formation of the high fraction of low-energy S3 twin boundaries, minimized both the localized stored strain energy and lattice misfit, and promoted dislocation glide. In order to improve material properties, severe plastic deformation processes such as ECAP (Equal Channel Angular Pressing) have been used. Thus, in the second stage, a steel with ultrafine grain size was obtained after severe plastic deformation by ECAP at two processing temperatures (350 ”C and 250 ”C), using a die with an internal angle ¿=120°, and an angle of ¿=30° that defines the external arc of curvature where the two channels intersect. The material was processed following the (Bc) route for different numbers of passes (1, 2, 4 and 8 passes). Microstructural characterization was performed using technologies such as SEM, EBSD and X-ray diffraction. The textures obtained after each pass show predominant orientation with continuous distributions along the fiber orientation with pure shear. Mechanical characterization by hardness and uniaxial tensile testing was carried out. According to these mechanical tests, the resistance of the material increases with deformation until it reaches an increase of ~2 times in relation to the received material.In the third stage, the steel underwent a hot torsion test. Steel samples with high manganese content were subjected to continuous isothermal torsion tests. Two strain routes were performed, • = 2.5 (route A) and • = 3.0 (route B), was used with a strain rate of 0.05 s-1 at a temperature of 900°C. The results showed a competition between dynamic hardening and softening mechanisms (i.e. recovery and recrystallization). This observation is also a consequence of the stacking fault energy (SFE) variation and the twinning-induced plasticity effect (TWIP) with the applied strain.

(Español) La exploración de petróleo en el presal significa un nuevo camino de desarrollo para Brasil. Esta actividad estimula inversiones de empresas nacionales y extranjeras, impulsa la producción de tecnología, promueve una mayor calificación profesional y genera empleo e ingresos. Los ductos flexibles (risers) utilizados en la extracción de gas y petróleo del lecho marino cuentan con un refuerzo de tracción fabricado en acero que debe soportar diversos esfuerzos como tracción axial, fatiga, alta presión, torsión y corrosión cuando esté en servicio. La presente investigación realizó un estudio del comportamiento mecánico de un acero especial con alto manganeso y medio cromo, con el objetivo de establecer un grado comparativo de resistencia mecánica, tenacidad y corrosión de este acero con los aceros perlíticos utilizados actualmente en ductos flexibles. Para ello se aplicaron deformaciones plásticas ordinarias y severas (Deformación plástica severa-DPS) al acero con alto contenido de manganeso. El acero utilizado en este trabajo tiene un efecto TWIP (Twinning Induced Plasticity - Plasticidad Inducida por Maclas), lo que provocó la aparición de maclas mecánicas tras la deformación plástica. Se investigó sistemáticamente la correlación entre la microestructura, la orientación cristalográfica y las características del límite de grano del acero austenítico con alto contenido de manganeso. En la primera etapa se realizó la laminación en frío. Las muestras tal como se recibieron y laminadas en frío con una reducción del 50 % y el 70 % se analizaron mediante microscopía electrónica de barrido (SEM), difracción de electrones retrodispersados (EBSD) y técnicas de difracción de rayos X. Se encontró un aumento significativo en la fracción de límites de macla S3 de baja energía, del 16,21 % al 24,41 %, en la muestra deformada un 70 %. Esto se combinó con la formación de una estructura austenítica {011} y la aparición de plasticidad inducida por maclas. El modo de fractura dúctil-frágil observado en la muestra laminada en frío un 70% se puede atribuir a la formación de la alta fracción de límites de macla S3 de baja energía, lo que minimizó tanto la energía de deformación almacenada localizada como el desajuste de la red y promovió el deslizamiento de las dislocaciones. Para mejorar las propiedades del material, se utilizaron procesos de deformación plástica severa como ECAP (presión en canal angular de sección costante). Así, en la segunda etapa se obtuvo un acero con tamaño de grano ultrafino después de una deformación plástica severa por ECAP a dos temperaturas de proceso (350 ”C y 250 ”C), utilizando una matriz con un ángulo interno ¿=120°, y un ángulo ¿ =30° que define el arco de curvatura exterior donde se cortan los dos canales. Se procesó siguiendo la ruta (Bc) para diferentes números de pasadas (1, 2, 4 y 8 pasadas). Las texturas obtenidas después de cada pasada muestran una orientación predominante con distribuciones continuas a lo largo de la orientación de las fibras con corte puro. Se realizaron ensayos de dureza mecánica y tracción uniaxial. Según estos ensayos mecánicos, la resistencia del material aumenta con la deformación hasta alcanzar un aumento de resistencia de ~2 veces en relación al material recibido. En la tercera etapa, el acero se sometió a una prueba de torsión en caliente. Muestras de acero con alto contenido de manganeso fueron sometidas a pruebas continuas de torsión isotérmica. Se utilizó dos rutas de deformación, • = 2,5 (ruta A) y • = 3,0 (ruta B), con una velocidad de deformación de 0,05 s-1 a una temperatura de 900°C. Los resultados mostraron una competencia entre los mecanismos dinámicos de endurecimiento y ablandamiento (es decir, recuperación y recristalización). Esta observación también es una consecuencia de la variación de la energía de falla de apilamiento (SFE) y el efecto de plasticidad inducida por maclas (TWIP) con la tensión aplicada.