Effect of cooling rate and composition on microstructure and mechanical properties of ultrahigh-strength steels

• DOI: 10.1007/s42243-019-00276-0
• Publication Date: 2019-05-16T20:36:54Z
• Authors: Mohammed Ali; David Porter; Jukka Kömi; Mamdouh Eissa; Hoda El Faramawy; Taha Mattar
• Keywords: Continuous cooling transformation diagram; Composite material; Effects of Cryogenic Treatment on Material Properties; Bainite; Microstructure feature; Materials Science; FOS: Mechanical engineering; High-Entropy Alloys: Novel Designs and Properties; 02 engineering and technology; Electroslag remelting; Charpy impact test; Austenite; Engineering; Materials Chemistry; Martensite; Mechanical property; Microstructure; Mechanical Engineering; Scanning electron microscope; High Speed Steel; Continuous cooling transformation; Materials science; Grain size; Ultrahigh-strength steel; Electron backscatter diffraction; High-Strength Steels; Indentation hardness; 0205 materials engineering; Ultimate tensile strength; Physical Sciences; Metallurgy; High-Strength Steel Materials; Toughness; Microstructures; Nanocrystalline Structures

La influencia de la velocidad de enfriamiento en la microestructura y las propiedades mecánicas de dos nuevos aceros de ultra alta resistencia (UHSS) con diferentes niveles de C, Cr y Ni se ha evaluado para la condición de enfriamiento y no templado. Un UHSS tenía mayores contenidos de C y Cr, mientras que el otro tenía un mayor contenido de Ni. Sobre la base de curvas de dilatación, microestructuras, macrodureza y microdureza, se construyeron diagramas de transformación de enfriamiento continuo como guía para las posibilidades de tratamiento térmico. Se seleccionaron velocidades de enfriamiento (CR) de 60, 1 y 0.01 °C/s para investigaciones más detalladas. La caracterización microestructural se realizó mediante microscopía confocal de barrido láser, microscopía electrónica de barrido de emisión de campo combinada con difracción de retrodispersión de electrones, microanálisis de sonda electrónica y difracción de rayos X. Las propiedades mecánicas se caracterizaron mediante pruebas de macrodureza, tracción e impacto Charpy con muesca en V. El UHSS con los contenidos más altos de C y Cr mostró temperaturas de transformación más bajas y una cinética de formación de bainita más lenta que con el contenido más alto de Ni. Las velocidades de enfriamiento más altas condujeron a fracciones de volumen y contenidos de carbono más bajos de austenita retenida junto con un tamaño de grano de austenita previa más fino, así como un tamaño de grano final y un tamaño de listón efectivos. Estos cambios fueron acompañados por un mayor rendimiento y resistencia a la tracción. Las mejores combinaciones de resistencia y tenacidad se obtuvieron con microestructuras martensíticas y evitando la formación de bainita granular acompañada de carburos proeutectoides a baja CR. Para las velocidades de enfriamiento estudiadas, el UHSS con los contenidos más altos de C y Cr mostró la mayor dureza y resistencia, pero a costa de la tenacidad.<br/>تم تقييم تأثير معدل التبريد على البنية المجهرية والخصائص الميكانيكية لاثنين من الفولاذ الجديد فائق القوة (UHSSs) بمستويات مختلفة من C و Cr و Ni للحالة المبردة وغير المعتدلة. يحتوي أحد UHSS على محتويات أعلى من C و Cr، بينما يحتوي الآخر على محتوى نيكل أعلى. على أساس منحنيات التوسيع والبنى الدقيقة والصلابة الكلية والصلابة الدقيقة، تم إنشاء مخططات تحويل التبريد المستمر كدليل لإمكانيات المعالجة الحرارية. تم اختيار معدلات التبريد (CRs) البالغة 60 و 1 و 0.01 درجة مئوية/ثانية لإجراء فحوصات أكثر تفصيلاً. تم التوصيف الهيكلي الدقيق عن طريق المسح المجهري البؤري بالليزر، والمسح المجهري الإلكتروني للانبعاثات الميدانية جنبًا إلى جنب مع حيود التشتت العكسي للإلكترون، والتحليل الدقيق لمسبار الإلكترون، والحيود بالأشعة السينية. تم تمييز الخواص الميكانيكية باستخدام اختبارات الصلابة الكلية والشد و Charpy V - notch. أظهرت UHSS مع محتويات C و Cr الأعلى درجات حرارة تحويل أقل وحركية تكوين باينيت أبطأ من تلك التي تحتوي على محتوى Ni أعلى. أدت معدلات التبريد المرتفعة إلى انخفاض أجزاء الحجم ومحتويات الكربون من الأوستينيت المحتفظ به مع حجم حبيبات أوستينيت أدق سابقًا، بالإضافة إلى حجم الحبيبات النهائي الفعال وحجم اللوح. كانت هذه التغييرات مصحوبة بغلة أعلى وقوة شد. تم الحصول على أفضل توليفات من القوة والصلابة مع الهياكل المجهرية المارتنسيتية وعن طريق تجنب تكوين باينيت حبيبي مصحوبًا بكربيدات بروتيوتيكتويد في CR منخفضة. بالنسبة لمعدلات التبريد التي تمت دراستها، أظهرت UHSS ذات المحتويات C و Cr الأعلى صلابة وقوة أعلى ولكن على حساب الصلابة.<br/>The influence of cooling rate on the microstructure and mechanical properties of two new ultrahigh-strength steels (UHSSs) with different levels of C, Cr and Ni has been evaluated for the as-cooled and untempered condition. One UHSS had higher contents of C and Cr, while the other one had a higher Ni content. On the basis of dilatation curves, microstructures, macrohardness and microhardness, continuous cooling transformation diagrams were constructed as a guide to heat treatment possibilities. Cooling rates (CRs) of 60, 1 and 0.01 °C/s were selected for more detailed investigations. Microstructural characterization was made by laser scanning confocal microscopy, field emission scanning electron microscopy combined with electron backscatter diffraction, electron probe microanalysis and X-ray diffraction. Mechanical properties were characterized using macrohardness, tensile and Charpy V-notch impact tests. UHSS with the higher C and Cr contents showed lower transformation temperatures and slower bainite formation kinetics than that with the higher Ni content. Higher cooling rates led to lower volume fractions and carbon contents of retained austenite together with finer prior austenite grain size, as well as effective final grain size and lath size. These changes were accompanied by higher yield and tensile strengths. The best combinations of strength and toughness were obtained with martensitic microstructures and by avoiding the formation of granular bainite accompanied by proeutectoid carbides at low CR. For the cooling rates studied, UHSS with the higher C and Cr contents showed the higher hardness and strength but at the cost of toughness.<br/>L'influence de la vitesse de refroidissement sur la microstructure et les propriétés mécaniques de deux nouveaux aciers à ultra-haute résistance (UHSS) avec différents niveaux de C, Cr et Ni a été évaluée pour l'état refroidi et non trempé. Un UHSS avait des teneurs plus élevées en C et Cr, tandis que l'autre avait une teneur en Ni plus élevée. Sur la base des courbes de dilatation, des microstructures, de la macrodureté et de la microdureté, des diagrammes de transformation par refroidissement continu ont été construits comme guide des possibilités de traitement thermique. Des taux de refroidissement (CR) de 60, 1 et 0,01 °C/s ont été sélectionnés pour des études plus détaillées. La caractérisation microstructurale a été réalisée par microscopie confocale à balayage laser, microscopie électronique à balayage à émission de champ combinée à la diffraction par rétrodiffusion électronique, à la microanalyse par sonde électronique et à la diffraction des rayons X. Les propriétés mécaniques ont été caractérisées à l'aide de tests de macrodureté, de traction et de choc Charpy V-notch. Les UHSS avec les teneurs plus élevées en C et Cr ont montré des températures de transformation plus basses et une cinétique de formation de bainite plus lente que celle avec la teneur plus élevée en Ni. Des vitesses de refroidissement plus élevées ont conduit à des fractions volumiques et à des teneurs en carbone plus faibles de l'austénite retenue, ainsi qu'à une granulométrie antérieure plus fine de l'austénite, ainsi qu'à une granulométrie finale et à une taille de latte effectives. Ces changements se sont accompagnés d'un rendement et d'une résistance à la traction plus élevés. Les meilleures combinaisons de résistance et de ténacité ont été obtenues avec des microstructures martensitiques et en évitant la formation de bainite granulaire accompagnée de carbures proeutectoïdes à faible RC. Pour les vitesses de refroidissement étudiées, les UHSS avec les teneurs en C et Cr les plus élevées ont montré une dureté et une résistance plus élevées, mais au prix de la ténacité.<br/>