Högskolan Dalarnas logga och länk till högskolans webbplats

The present study focuses on the corrosion behavior of a single-phase FCC high entropy alloy (VCrNiCoFeCu) casted by two different methods: induction melting and spark plasma sintering. The corrosion resistance has been evaluated using immersion tests in 3.5% NaCl solution, the potentiodynamic polarization measurements and the results are compared how is dependent the corrosion rate as a function of the production methods. Our results show that induction melted sample is stable in salty environment. On the other hand, based on the changes of polarization curves, there must be an evolution of oxide films on the SPSed sample until reaching the stable oxide layer. 

First-principle alloy theory and key experimental techniques are applied to determine the thermal expansion of FeCrCoNiGa high-entropy alloy. The magnetic transition, observed at 649 K, is accompanied by a significant increase in the thermal expansion coefficient. The phase stability is analyzed as a function of temperature via the calculated free energies accounting for the structural, magnetic, electronic, vibrational and configurational contributions. The single-and polycrystal elastic modulus for the ferro-and paramagnetic states of the face-centered and body-centered cubic phases are presented. By combining the measured and theoretically predicted temperature-dependent lattice parameters, we reveal the structural and magnetic origin of the observed anomalous thermal expansion behavior. Published by AIP Publishing.

Austenitiska rostfria stål är främst kända för sin exceptionella korrosionsbeständighet. De har en ytcentrerad kubisk (FCC) struktur som stabiliseras genom att nickel tillsätts till Fe-Cr legeringen. Fe-Cr-Ni-systemet kan utökas ytterligare genom tillsats av andra element såsom Mn, Mo, N, C, etc. för att förbättra egenskaperna. Eftersom austenitiska rostfria stål ofta används som konstruktionsmaterial är det viktigt att kunna förutsäga deras mekaniska egenskaper baserat på deras sammansättning, mikrostruktur, magnetiska tillstånd, etc.

I denna avhandling undersöker vi det plastiska deformationsbeteendet hos austenitiska rostfria stål både teoretiskt och experimentellt. I FCC material spelar staplingsfelsenergin (SFE) en viktig roll vid förutsägelsen av deformationsmekanism. Baserat på storleken av SFE kan olika deformationsmekanismer observeras, såsom martensitbildning, tvillingbildning, dissocierad eller odissocierad dislokationsglidning. Alla dessa funktioner påverkar beteendet på olika sätt, därför är det önskvärt att kunna förutsäga deras förekomst. Legering och temperatur har stark inverkan på SFE och därmed legeringarnas mekaniska egenskaper. Flera modeller, baserade på SFE och mer nyligen på den så kallade generaliserade staplingsfelenergin (GSFE eller γ-surface), är tillgängliga för att förutsäga legeringens benägenhet till tvillingbildning och den kritiska spänning som representerar den minsta upplösta skjuvspänningen som krävs för att initiera tvillingbildning. Man kan använda ab initio beräkningar baserade på täthetsfunktionalteori (DFT) för att beräkna GSFE för austenitiska stål och härleda parametrar som twinnability och kritisk tvillingsspänning.

Vi diskuterar effekten av staplingsfelenergi på deformationsbeteendet för två olika austenitiska rostfria stål. Vi beräknar GSFE för de valda legeringarna och baserat på olika modeller, förutsäger vi deras tendens till tvillingbildning och den kritiska tvillingsspänningen. De teoretiska förutsägelserna jämförs med resultat från dragprov och bakåtspridd elektron diffraktion (EBSD). Flera konventionella och in situ dragprov utfördes för att verifiera de teoretiska resultaten. Vi utförde EBSD-mätningar på dragprov som avbrutits vid olika töjningar och efter brott samt med in situ dragprov för att följa utvecklingen av mikrostrukturen noggrant. Vi tar hänsyn till de inre energibarriärernas roll i våra förutsägelser och presenterar ett nytt sätt att experimentellt få GSFE av austenitiska rostfria stål. Tidigare kunde endast SFE mätas tillförlitligt genom väl utformade experiment. I den aktuella avhandlingen går vi vidare och föreslår en teknik som kan ge noggranna värden för den instabila staplingsfelenergin för alla austenitiska legeringar som uppvisar tvillingbildning.

Austenitiska rostfria stål är främst kända för sin exceptionella korrosionsbeständighet. De har en ytcentrerad kubisk (FCC) struktur som stabiliseras genom att nickel, mangan eller kväve tillsätts till Fe-Cr legeringen. Fe-Cr-Ni-systemet kan utökas ytterligare genom tillsats av andra element såsom Mo, Cu, Ti, C, etc. för att förbättra egenskaperna. Eftersom austenitiska rostfria stål ofta används som konstruktionsmaterial är det viktigt att kunna förutsäga deras mekaniska egenskaper baserat på deras sammansättning, mikrostruktur, magnetiska tillstånd, etc. 

I denna avhandling är det plastiska deformationsbeteendet hos austenitiska rostfria stål undersökt med teoretiskt och experimentellt. I FCC material spelar staplingsfelsenergin (SFE) en viktig roll vid förutsägelsen och beskrivning av deformationsmekanism. Baserat på storleken av SFE kan olika deformationsmekanismer observeras, såsom martensitbildning, tvillingbildning, eller dislokationsglidning. Alla dessa funktioner påverkar beteendet, därför är det önskvärt att förutsäga och kontrollera deras förekomst. Legering och temperatur har stark inverkan på SFE och därmed legeringarnas mekaniska egenskaper. Flera modeller, baserade på SFE och mer nyligen på den så kallade generaliserade staplingsfelenergin (GSFE eller γ-surface), är tillgängliga för att förutsäga legeringens affinitet till tvillingbildning och den kritiska spänning som representerar den minsta upplösta skjuvspänningen som krävs för att initiera tvillingbildning. Man kan använda ab initio beräkningar baserade på täthetsfunktionalteori (DFT) för att beräkna GSFE för austenitiska stål och härleda parametrar som twinnability och kritisk tvillingsspänning.

Korrelation mellan staplingsfelenergi och deformationsbeteendet för fyra olika austenitiska rostavstavning stål diskuteras i detta arbete. SFE för de valda legeringarna erhålls genom ab initio beräkningar och baserat på olika modeller, deras tendens till tvillingbildning och den kritiska tvillingsspänningen kan förutsägas. Deras mekaniska beteende och affinitet till tvilling och martensitisk transformation kartläggs över ett brett temperaturområde (−70°C to +500°C) för de fyra legeringarna. De teoretiska förutsägelserna jämförs med resultat från dragprov och bakåtspridd elektrondiffraktion (EBSD). Flera konventionella och in situ dragprov utfördes för att verifiera de teoretiska resultaten. Vi utförde EBSD-mätningar på dragprov som avbrutits vid olika töjningar och efter brott samt med in situ dragprov för att följa utvecklingen av mikrostrukturen noggrant. Vi tar hänsyn till de inre energibarriärernas roll i våra förutsägelser och presenterar ett nytt sätt att experimentellt få GSFE av austenitiska rostfria stål. Tidigare kunde endast SFE mätas tillförlitligt genom väl utformade experiment. I den aktuella avhandlingen går vi vidare och föreslår en teknik som kan ge noggranna värden för den instabila staplingsfelenergin för alla austenitiska legeringar som uppvisar tvillingbildning på låga spänningsnivåer. Betydelsen av temperatur och mellanliggande legering på mekaniskt beteende undersökt också i detta arbete.

We introduce a theory-guided experimental approach to study the γ-surface of austenitic stainless steels. The γ-surface includes a series of intrinsic energy barriers (IEBs), which are connected to the unstable stacking fault (USF), the intrinsic stacking fault (ISF), the unstable twinning fault (UTF) and the extrinsic stacking fault (ESF) energies. The approach uses the relationship between the Schmid factors and the effective energy barriers for twinning and slip. The deformation modes are identified as a function of grain orientation using in situ electron backscatter diffraction measurements. The observed critical grain orientation separating the twinning and slip regimes yields the USF energy, which combined with the universal scaling law provides access to all IEBs. The measured IEBs and the critical twinning stress are verified by direct first-principles calculations. The present advance opens new opportunities for modelling the plastic deformation mechanisms in multi-component alloys.

In FCC metals a single parameter – stacking fault energy (SFE) – can help to predict the expectable way of deformation such as martensitic deformation, deformation twinning or pure dislocation glide. At low SFE one can expect the perfect dislocations to dissociate into partial dislocations, but at high SFE this separation is more restricted. The role of the magnitude of the stacking fault energy on the deformation microstructures and tensile behaviour of different austenitic steels have been investigated using uniaxial tensile testing and electron backscatter diffraction (EBSD). The SFE was determined by using quantum mechanical first-principles approach. By using plasticity models we make an attempt to explain and interpret the different strain hardening behaviour of stainless steels with different stacking fault energies.

In this study, three austenitic stainless steels with different compositions are compared in terms of their deformation behaviour. Two of the investigated steels have considerable high nitrogen content which affects their deformation behaviour. The deformation properties and microstructure of the materials were studied by tensile testing and electron backscatter diffraction. We observe that the strain hardening rate curve of the alloy with low nitrogen content shows a continuously decreasing slope, whereas those of the high‑nitrogen steels exhibit a clear plateau. Since no twinning or ε-phase formation is observed at the corresponding strain levels, we suggest that the addition of a large amount of nitrogen suppresses cross-slip and promotes dislocation planarisation. The microstructural evolution of the materials during deformation supports the above scenario. Based on the results of the ab initio calculations, the deformation behaviour of high‑nitrogen alloys cannot be explained in terms of the stacking fault energy.

The stacking fault energy (SFE) is often used as a key parameter to predict and describe the mechanical behaviour of face centered cubic material. The SFE determines the width of the partial dislocation ribbon, and shows strong correlation with the leading plastic deformation modes. Based on the SFE, one can estimate the critical twinning stress of the system as well. The SFE mainly depends on the composition of the system, but temperature can also play an important role. In this work, using first principles calculations, electron backscatter diffraction and tensile tests, we show a correlation between the temperature dependent critical twinning stress and the developing microstructure in a typical austenitic stainless steel (316L) during plastic deformation. We also show that the deformation twins contribute to the strain hardening rate and gradually disappear with increasing temperature. We conclude that, for a given grain size there is a critical temperature above which the critical twinning stress cannot be reached by normal tensile deformation, and the disappearance of the deformation twinning leads to lower strain hardening rate and decreased ductility.

The effect of cooling rate on the microstructure and mechanical properties of equimolar NiCoFeCrGa high-entropy alloy (HEA) was studied by scanning electron microscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy and electron backscatter diffraction (EBSD), as well as by microhardness tests. Experimental results show that the cooling rate has a crucial impact on the developing microstructure which has a mixture of two—FCC and BCC—phases, leading to a self-similarity of the solidified structure formed in the sample. Furthermore, the cooling rate influences both the composition of the two phase-components and the ratio of their volume fractions, determining the mechanical properties of the sample. The present results confirm the grouping of Co, Fe and Cr in the FCC phase and that of Ni and Ga in BCC phase in the NiCoFeCrGa high-entropy alloy system. An empirical rule is suggested to predict how the phase-components can be expected in this complex high-entropy alloy.

The present investigation is directed to phase transitions in the equimolar NiCoFeCrGa high entropy alloy, which is a mixture of face-centered cubic (FCC) and body-centered cubic (BCC) crystalline phases. The microstructure of the samples was investigated by using scanning electron microscopy (SEM), time-of-flight secondary ion mass spectroscopy (TOF-SIMS), transmission electron microscopy-based energy-dispersive spectroscopy (EDS) and electron energy loss spectroscopy (EELS), as well as X-ray diffraction (XRD) measurements. Based on the phases observed in different temperature ranges, a sequence of the phase transitions can be established, showing that in a realistic process, when freely cooling the sample with the furnace from high to room temperature, a microstructure having spinodal-like decomposition can also be expected. The elemental mapping and magnetic behaviors of this decomposed structure are also studied.