Please use this identifier to cite or link to this item: doi:10.22028/D291-28020
Title: Increasing phase transformation rate in advanced high strength steel applications
Author(s): Forouzan, Farnoosh
Language: English
Year of Publication: 2019
DDC notations: 500 Science
600 Technology
620 Engineering and machine engineering
Publikation type: Doctoral Thesis
Abstract: The bainite transformation rate has been shown to increase by starting the heat treatment with partial martensite transformation after austenitization. Based on this fact, a process very similar to “Quenching and Partitioning” (Q&P) is used to produce a fine-grained complex microstructure of martensite, bainite and retained austenite with outstanding mechanical properties in a very short time. During this process, different mechanisms including bainite transformation, carbon partitioning, carbide precipitation, grain growth may occur. All these mechanisms can affect the mechanical properties such as strength, ductility and toughness. Investigation of the different mechanisms influencing the properties and subsequent optimization of these is important. In this work, different mechanisms of the Q&P heat treatment process and its practical industrial applications have been investigated. Firstly, the implementation of a Q&P method directly after laser welding for a few seconds to substitute any post welding treatment has been studied. To investigate the feasibility, limitations, and advantages of this method for a low-carbon low-silicon high strength steel, the microstructure and mechanical properties by both modelling and experimental approach were studied. Promising results show that this method can decrease the ordinary post-welding treatment time from a few minutes to a few seconds, and in addition improve the mechanical properties of the fusion zone and the heat affected zone to the same or even higher values in comparison with the base material. In the second part of this work, the effect of quenching and partitioning on the microstructure and mechanical properties of a high carbon steel has been studied. The aim with this part was to optimize the phase transformation rate for production of ultra-high strength steel by controlling its microstructural evolution. The results show that it is possible to get good strength values also for high carbon steels by Q&P treatment. In addition, the approach with process control maps can give a good overview of which properties can be achieved by this method. Hardness value of over 700 HV, and tensile strength of up to 2.5 GPa with a relatively good ductility of 4-6% has been achieved by quenching to room temperature and partitioning for less than one minute at 400 °C resulting in a microstructure consisting of martensite and retained austenite. In a nutshell, the approach to bainite transformation with pre-existing martensite shorten the processing time for development of advanced high strength steels significantly. This method is also possible to be used in industrial processes as in welding.
Die Rate, mit der Austenit zu Bainit umwandelt, wurde erhöht, wenn bereits teilweise Martensit nach der Austenitisierung gebildet wurde. Basierend darauf wurde ein Prozess entwickelt, der sehr ähnlich mit dem „Quenching & Partitioning“-Prozess ist und der mit kurzer Prozesszeit ein feines und komplexes Stahlgefüge bestehend aus Martensit, Bainit und Restaustenit mit exzellenten mechanischen Eigenschaften produziert. Während dieses Prozesses treten mehrere Mechanismen auf, unter anderem die Bainitumwandlung, Kohlenstoffpartitionierung, Karbidausscheidung und Kornwachstum. All diese Mechanismen beeinflussen die mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit. Die Untersuchung und anschließende Optimierung dieser Wirkweisen hinsichtlich der genannten Eigenschaften sind sehr wichtig. In der vorliegenden Arbeit wurden die verschiedenen Mechanismen des Q&P-Prozesses auf ihre industrielle Anwendbarkeit hin untersucht. Als erstes wurde der Einsatz von Q&P über wenige Sekunden direkt nach dem Laserschweißen untersucht, um jegliche Schweißnachbehandlungen zu ersetzen. Sowohl Modellierung, als auch Charakterisierung der entstehenden Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften eines niedrigkohligen siliziumarmen hochfesten Stahls wurden herangezogen, um die Anwendbarkeit, Grenzen und Vorteile dieser Methode zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Methode die Schweißnachbearbeitungszeit, die üblicherweise mehrere Minuten beträgt, auf Sekunden reduzieren kann. Zusätzlich werden die mechanischen Eigenschaften der Schweißzone und der Wärmeeinflusszone derart verbessert, dass sie den Level des Ausgangsstahls erreichen oder sogar übersteigen. Im zweiten Teil wird der Einfluss von Q&P auf die Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften eines hochkohligen Stahls untersucht. In diesem Fall war das Ziel die Optimierung der Umwandlungsrate zur Erzeugung eines ultra-hochfesten Gefüges. Es zeigte sich, dass auch für hochkohlige Stähle gute Festigkeitswerte mittels Q&P erzeugt werden können. Darüber hinaus liefern Karten zur Prozesskontrolle eine gute Übersicht, welche Eigenschaften durch diese Methode erzielt werden können. Härtewerte über HV700, und Zugfestigkeiten bis zu 2,5 GPa mit verhältnismäßig guten Duktilitäten von 4-6 % wurden erreicht, indem auf Raumtemperatur abgeschreckt („Quenching“) und für weniger als eine Minute bei 400 °C gehalten wurde („Partitioning“). Das resultierende Gefüge bestand daraufhin aus Martensit und Restaustenit. Zusammengefasst lässt sich die Prozesszeit deutlich verkürzen, wenn die Bainitumwandlung in einem Gefüge der Austenit bereits teilweise zu Martensit umgewandelt ist. Diese Methode besitzt daher auch großes Potential bei der Anwendung in industriellen Schweißprozessen.
Omvandlingen av austenit till bainit kan påskyndas genom att inleda värmebehandlingen genom att först omvandla en del av austeniten till martensit. Baserad på detta faktum, har en process som är mycket lik den så kallade ”Snabbkylning och Omfördelningen” (“Quenching and Partitioning”, (Q&P)) använts för att skapa en finkornig komplex mikrostruktur bestående av martensit, bainit och restaustenit med utmärkta mekaniska egenskaper på mycket kort tid. Under denna process kan olika mekanismer innefattande bainitomvandling, kolomfördelning, karbidutskiljning och korntillväxt förekomma. Dessa kan påverka de mekaniska egenskaperna som hållfasthet, duktilitet och seghet. En undersökning av de olika mekanismerna som påverkar egenskaperna och den efterföljande optimeringen av dessa är viktig. I detta arbete har olika mekanismer som påverkar Q&P värmebehandlingsprocessen och dess praktiska industriella tillämpningar undersökts. I första delen av detta arbete har med denna utgångspunkt implementeringen av en Q&P metod direkt efter lasersvetsning för några sekunder för att ersätta andra efterbehandlingsmetoder studerats. För att studera möjligheterna, begränsningarna och fördelarna av denna metod för ett lågkolhaltigt höghållfast stål med låg kiselhalt har mikrostrukturen och de mekaniska egenskaperna studerats genom såväl modellering som experimentellt. Resultaten är lovande och visar att den vanliga efterbehandlingstiden kan minskas från några minuter till några få sekunder, och därtill kan de mekaniska egenskaperna för den smälta zonen och den värmepåverkade zonen förbättras och kan vara lika bra eller till och med bättre i jämförelse med grundmaterialet. I den andra delen av detta arbete har effekten av Q&P på mikrostrukturen och de mekaniska egenskaperna för ett högkolhaltigt stål studerats. Målet med denna del var att optimera omvandlingshastigheten för att tillverka ultrahöghållfast stål genom att styra mikrostrukturens utveckling. Resultaten visar att det är möjligt att erhålla goda hållfasthetsegenskaper även för högkolhaltiga stål genom Q&P behandling. Därtill, ger ansatsen med processtyrningskartor en bra översikt över vilka egenskaper som kan erhållas med denna metod. Hårdhetsvärde på över 700 HV och brottgräns på upp till 2.5 GPa med relativt god duktilitet på 4-6 % har erhållits genom snabbkylning till rumstemperatur och omfördelning vid 400 °C under mindre än en minut resulterade i en mikrostruktur bestående av martensit och restaustenit. I ett nötskal kan ansatsen att genomföra bainitomvandling med hjälp av en viss andel martensit som skapas i förväg förkorta tiden avsevärt för processer för att utveckla avancerade höghållfasta stål. Metoden är också möjlig att använda för industriella processer som svetsning.
Link to this record: urn:nbn:de:bsz:291--ds-280205
hdl:20.500.11880/27622
http://dx.doi.org/10.22028/D291-28020
Advisor: Frank Mücklich, Esa Vuorinen
Date of oral examination: 10-May-2019
Date of registration: 9-Aug-2019
Third-party funds sponsorship: Erasmus mundus+ (DocMase program) funding for 3 years, Luleå university of technology funding for 1 year
Faculty: NT - Naturwissenschaftlich- Technische Fakultät
Department: NT - Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
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