Effects of ceramic particles and composition on elastic modulus of low density steels for automotive applications

The present work deals with the effects of TiB₂ ceramic particles and selected alloying elements (Al and Mn) on the elastic modulus of steels. Steels and its composite containing varying amounts of Al, Mn and C, and a fixed amount of TiB₂ particles (7·8 wt-% i.e. 13 vol.-%) were made using the bulk route of liquid steel metallurgy. All the materials were processed thermomechanically to sheet form following standard processing routes for automotive sheets. The steels containing only Al exhibited ferritic microstructures whereas addition of Mn and C caused the evolution of ferrite or austenite based duplex microstructures in the material depending on the Mn and C content. On the contrary, large TiB₂ particles formed mainly by eutectic reaction from the liquid state were distributed in the ferritic matrix of the composite. All the investigated materials showed a large density drop in the range of 7·4–12·7%. Al caused a drastic drop in elastic modulus of ferritic steels whereas the elastic modulus was recovered in ferrite based duplex steel by virtue of Mn. On the contrary, Mn did not improve the elastic modulus in austenite based duplex steel. TiB₂ and small amount of TiC particles in the composite were found to increase the elastic modulus by ～19% in as cast condition. However, the elastic modulus of composite showed a dependence on the processing steps with decreases after subsequent hot and cold rolling steps. It was due to the delamination of particle/matrix interface, void formation and fragmentation of reinforcing particles with reduction in thickness of sheet. The elastic modulus of the composite also showed directionality due to specific alignment and various shape of ceramic particles. It was predicted that the performance and weight saving of these materials for automotive applications would be enhanced with a good combination of high strength, low density and high elastic modulus.

Ce travail a pour objet l’effet des particules de céramique de TiB₂ et d’éléments d’alliage choisis (Al et Mn) sur le module d’élasticité des aciers. On a fabriqué des aciers et leurs composites contenant des quantités variables d’Al, de Mn et de C et une quantité fixe de particules de TiB₂ (7·8% en poids, soit 13% en volume) en utilisant la route en vrac de la métallurgie de l’acier brut liquide. On a utilisé le traitement thermomécanique sur tous les matériaux pour former des tôles d’après des routes normales de traitement des tôles d’automobile. Les aciers contenant seulement de l’Al exhibaient des microstructures ferritiques alors que l’addition de Mn et de C résultait en l’évolution de microstructures biphasées à base de ferrite ou d’austénite dans le matériau, dépendant de la teneur en Mn et en C. Au contraire, de grosses particules de TiB₂, formées principalement par réaction eutectique à partir de l’état liquide, étaient distribuées dans la matrice ferritique du composite. Tous les matériaux examinés exhibaient une baisse importante de densité dans la gamme de 7·4 à 12·7%. L’Al avait pour résultat une baisse drastique du module d’élasticité des aciers ferritiques alors que le module d’élasticité était récupéré dans l’acier biphasé à base de ferrite, grâce au Mn. Au contraire, le Mn n’a pas amélioré le module d’élasticité de l’acier biphasé à base d’austénite. On a trouvé que le TiB₂ et une petite quantité de particules de TiC dans le composite augmentaient le module d’élasticité d’environ 19% pour la condition de brut de coulée. Cependant, le module d’élasticité du composite montrait une dépendance sur les étapes de traitement, diminuant avec les étapes subséquentes de laminage à chaud et à froid. Cette baisse résultait du délaminage de l’interface particules et matrice, de la formation de cavité et de la fragmentation des particules de renforcement, avec la réduction de l’épaisseur de la tôle. Le module d’élasticité du composite montrait également une directionnalité résultant de l’alignement des particules de céramique. On a prédit l’amélioration du rendement et de la réduction de poids de ces matériaux pour l’industrie de l’automobile grâce à une bonne combinaison de haute résistance, de faible densité et de module d’élasticité élevé.