The onset of martensite and auto-tempering in low-alloy martensitic steels

Abstract

High-strength low-alloy martensitic steels provide low-cost environmentally efficient solutions for weight critical engineering. The wider use of such materials will provide energy savings and reduce the carbon footprint of many products. They offer a combination of both good weldability and high strength, which makes them attractive materials for structural applications. During the rapid transformation, the martensite becomes supersaturated with carbon when compared with the equilibrium ferritic state of the steel. However, when low-carbon steels with high martensitic start temperatures (M_s) are quenched, fine carbides can form in the first formed martensite laths. This phenomenon is called auto-tempering. The martensite laths which form at low temperatures remain relatively untempered. Auto-tempered steels exhibit superior toughness and improved formability when compared to steels without auto-tempering. This thesis extends our understanding of auto-tempered martensite in as-quenched low-alloy steels. The tools used were the Gleeble physical simulator for processing the steels, electron microscopy for microstructural characterization, MATLAB to quantify the incidence of carbides in auto-tempered microstructures and Thermo-Calc software to model the microstructure.

Chemical inhomogeneity caused by interdendritic microsegregation is shown to have a major influence on the slow onset of martensite. Combining segregation information with the Koistinen-Marburger equation enabled a good prediction of the experimental martensite evolution curves. The effect of hot mounting during metallographic sample preparation on as-quenched low-alloy steels was investigated. It was found that hot mounting caused additional tempering, which was manifested as new carbides appearing in the regions otherwise free of carbides in auto-tempered microstructures. Electron back scattered diffraction revealed that all the untempered regions in the auto-tempered steel were oriented with {100} planes almost parallel to the broad surface of the hot-rolled steel plate. Martensite orientation variant analysis showed that the auto-tempered and the untempered regions were part of the same packet. A custom-built MATLAB image processing tool was used to quantify the fraction of carbides in auto-tempered microstructures and the frequency distribution of degrees of auto-tempering. The Thermo-Calc modules DICTRA and TC-Prisma were used to compare the precipitation and the partitioning kinetics of carbon during the quenching process. The predictions showed satisfactory agreement with the electron microscopy results, which indicated that the Thermo-Calc software can be used to help design new low-alloy martensitic steels.

Tiivistelmä

Suuren lujuusluokan niukasti seostetut martensiittiset teräkset mahdollistavat kustannustehokkaat ja ympäristövaikutuksia huomioivat ratkaisut sovelluksissa, joissa materiaalin massa on ratkaiseva tekijä. Hyvien hitsattavuusominaisuuksien yhdistyminen korkeaan lujuuteen, tekee niistä houkuttelevan vaihtoehdon rakenteellisten sovellusten materiaaliksi. Nopean faasimuutoksen aikana martensiitin hiilipitoisuus ylittää tasapainon mukaisen ferriitin kylläisyysrajan. Korkean martensiitin alkamislämpötilan omaavia vähähiilisiä teräksiä karkaistaessa, hienojakoisia karbideja voi muodostua ensin muodostuneisiin martensiittisäleisiin. Tätä ilmiötä kutsutaan itseispäästöksi. Alhaisemmissa lämpötiloissa muodostuvissa martensiittisäleissä päästö jää suhteellisesti hyvin vähäiseksi. Itseispäästö parantaa sekä lujuutta että muokattavuusominaisuuksia. Tämä väitöskirja laajentaa niukasti seostettujen ja karkaistujen terästen martensiitin itseispäästön tietämystä.

Väitöskirjassa osoitetaan, että kemiallisen koostumuksen epähomogeenisuus, joka johtuu dendriittien välille muodostuvasta mikrosuotaumasta, vaikuttaa huomattavasti martensiitin muodostumisen vaiheittaiseen alkuun. Suotautumasta saadun tiedon yhdistäminen Koistinen-Marburger yhtälöön mahdollisti kokeellisen martensiitin muodostumiskäyrän tarkan ennustamisen. Havaittiin, että kuumanapitus lisää pääsemistä, joka ilmenee uusien karbidien esiintymisenä. Takaisinsironneiden elektronien diffraktion menetelmällä saatu tieto paljasti, että kaikkien niiden alueiden, jotka eivät olleet päässeet, kidetasot {100} olivat lähes kohtisuoria kuumavalssatun teräslevyn valssauspintaan nähden. Martensiitin suuntautumisvariantin analyysi osoitti, että itsepäässeet alueet ja ne alueet, joilla päästöä ei ollut tapahtunut, kuuluivat samaan pakettiin. MATLAB ohjelmistolla toteutettua omaa kuvankäsittelytyökalua käyttäen määritettiin karbidien osuus itsepäässeissä mikrorakenteissa sekä itsepääsemisasteen esiintymistiheysjakaumassa. Thermo-Calc ohjelmiston DICTRA ja TC-Prisma osia käytettiin karkaisun aikaisen hiilen erkautumis- ja jakautumiskinetiikan vertailemiseen. Ennustettu tulos vertautui tyydyttävästi elektronimikroskoopilla saatuihin tuloksiin, mikä viittaa siihen että Thermo-Calc voidaan käyttää.

Original papers

Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Ramesh Babu, S., Ivanov, D., & Porter, D. (2019). Influence of Microsegregation on the Onset of the Martensitic Transformation. ISIJ International, 59(1), 169–175. https://doi.org/10.2355/isijinternational.isijint-2018-424

   Self-archived version

2. Ramesh Babu, S., Jaskari, M., Järvenpää, A., & Porter, D. (2019). The Effect of Hot-Mounting on the Microstructure of an As-Quenched Auto-Tempered Low-Carbon Martensitic Steel. Metals, 9(5), 550. https://doi.org/10.3390/met9050550

   Self-archived version

3. Ramesh Babu, S., Nyyssönen, T., Jaskari, M., Järvenpää, A., Davis, T. P., Pallaspuro, S., Kömi, J., & Porter, D. (2019). Observations on the Relationship between Crystal Orientation and the Level of Auto-Tempering in an As-Quenched Martensitic Steel. Metals, 9(12), 1255. https://doi.org/10.3390/met9121255

   Self-archived version

4. Ramesh Babu, S., Davis, T. P., Haas, T., Jarvenpää, A., Kömi, J., & Porter, D. (2020). Image Processing Tool Quantifying Auto-Tempered Carbides in As-Quenched Low Carbon Martensitic Steels. Metals, 10(2), 171. https://doi.org/10.3390/met10020171

   Self-archived version

5. Ramesh Babu, S., Jaskari, M., Jarvenpää, A., Davis, T. P., Kömi, J., & Porter, D. (2020). Precipitation Versus Partitioning Kinetics during the Quenching of Low-Carbon Martensitic Steels. Metals, 10(7), 850. https://doi.org/10.3390/met10070850

   Self-archived version

Osajulkaisut

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon.

1. Ramesh Babu, S., Ivanov, D., & Porter, D. (2019). Influence of Microsegregation on the Onset of the Martensitic Transformation. ISIJ International, 59(1), 169–175. https://doi.org/10.2355/isijinternational.isijint-2018-424

   Rinnakkaistallennettu versio

2. Ramesh Babu, S., Jaskari, M., Järvenpää, A., & Porter, D. (2019). The Effect of Hot-Mounting on the Microstructure of an As-Quenched Auto-Tempered Low-Carbon Martensitic Steel. Metals, 9(5), 550. https://doi.org/10.3390/met9050550

   Rinnakkaistallennettu versio

3. Ramesh Babu, S., Nyyssönen, T., Jaskari, M., Järvenpää, A., Davis, T. P., Pallaspuro, S., Kömi, J., & Porter, D. (2019). Observations on the Relationship between Crystal Orientation and the Level of Auto-Tempering in an As-Quenched Martensitic Steel. Metals, 9(12), 1255. https://doi.org/10.3390/met9121255

   Rinnakkaistallennettu versio

4. Ramesh Babu, S., Davis, T. P., Haas, T., Jarvenpää, A., Kömi, J., & Porter, D. (2020). Image Processing Tool Quantifying Auto-Tempered Carbides in As-Quenched Low Carbon Martensitic Steels. Metals, 10(2), 171. https://doi.org/10.3390/met10020171

   Rinnakkaistallennettu versio

5. Ramesh Babu, S., Jaskari, M., Jarvenpää, A., Davis, T. P., Kömi, J., & Porter, D. (2020). Precipitation Versus Partitioning Kinetics during the Quenching of Low-Carbon Martensitic Steels. Metals, 10(7), 850. https://doi.org/10.3390/met10070850

   Rinnakkaistallennettu versio