Influencing parameters on elastic modulus of steels

Abstract

An optimised balance between weight and stiffness of a car component is achieved when the selected material exhibits an increased ratio between elastic modulus and density. The elastic modulus of steel decreases progressively with increasing temperature due to the thermal activation of lattice vibrations. Since the elastic modulus of metals is related to their lattice constants, austenitic steels are expected to exhibit higher elastic moduli than ferritic steels because of their higher packing density. However, the coupling of electron spin moments due to the ferromagnetic character of bcc steels results in higher elastic modulus of ferritic steels at temperatures below the Curie temperature. An increase in elastic modulus in selected loading directions can be realised by properly adjusted crystallographic textures. However, no examples were found where the maximum elastic modulus exceeds 225 GPa in bcc steels with pronounced crystallographic textures. Alloying elements decrease the elastic modulus with increasing alloying content. Known exceptions from this rule are the elements Re, Co and Cr. The elastic modulus of steel can be increased significantly by particles of high elastic modulus. Finally, it is reduced by plastic deformation because of the increased dislocation density. This negative effect can be balanced by subsequent heat treatments.

On obtient une balance optimisée entre le poids et la rigidité d′une piéce d′automobile lorsque le matériau choisi exhibe une augmentation du rapport entre le module d′élasticité et la densité. Le module d′élasticité de l′acier diminue progressivement avec l′augmentation de la température à cause de l′activation thermique des vibrations du réseau. Puisque le module d′élasticité des métaux est relié à leurs constantes de réseau, on s′attend à ce que les aciers austénitiques exhibent des modules d′élasticité plus élevés que ceux des aciers ferritiques parce qu′ils possédent une plus grande densité de tassement. Cependant, le couplage des moments du spin électronique, dû au caractére ferromagnétique des aciers bcc, résulte en un module d′élasticité plus élevé des aciers ferritiques à des températures plus basses que la température de Curie. On peut augmenter le module d′élasticité dans des directions choisies de charge en ajustant correctement les textures cristallographiques. Cependant, nous n′avons pas trouvé d′exemples où le module d′élasticité maximum excédait 225 GPa dans les aciers bcc ayant des textures cristallographiques prononcées. L′augmentation de la teneur en éléments d′alliage diminue le module d′élasticité. Les éléments Re, Co, et Cr font exception à cette règle. On peut augmenter significativement le module d′élasticité de l′acier à l′aide de particules à module d′élasticité élevé. Finalement, le module d′élasticité est réduit par déformation plastique à cause de l′augmentation de la densité de dislocation. On peut balancer cet effet négatif au moyen de traitements thermiques subséquents.

Keywords:

• Experimental determination of elastic modulus
• Crystal structure
• Crystallographic texture
• Plastic pre-deformation
• Ceramic particles

Acknowledgements

The authors gratefully acknowledge financial support by ‘Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V’ and by ThyssenKrupp Steel Europe AG.