Austenite decomposition in medium carbon microalloyed steels : mechanism, structure and properties

[A. H. Fadel]

PDF/A (252 lista)

Technical Sciences - Engineering - Metallurgical Engineering – Physical Metallurgy / Техничке науке - металургија

У раду су испитана два средњеугљенична челика микролегирана ванадијумом, који се међусобно разликују по садржају титана, азота и угљеника, V-N (0.256%C, 0.0235%N, 0%Ti) и Ti-V-N (0.309%C, 0.221%N, 0.011%Ti ) челици. Челици су испоручени као топловаљане шипке са кованим крајевима. У првој фази је урађена серија узорака у циљу одређивања величине полазног аустенитног зрна, у опсегу 950-1250°С. У циљу добијања дијаграма изотермалног разлагања урађена је серија узорака који су изотермално третирани на температурама између 350 и 600°С. Сви узорци су прво прогревани на 1100°С. Након изотермалног третмана, узорци су каљени у води, а затим сечени на половине, брушени, полирани и нагрижени по стандардној процедури. Након детаљног посматрања на оптичком микроскопу, изабрани узорци су посматрани на скенинг електронском микроскопу. Узорци који су коришћени за металографска испитивања су искоришћени за мерење тврдоће (једна половина) и за израду узорака за одређивање границе течења тестом притискивањем на уређају за испитивање једноосним затезањем. Утврђено је да је оптимална температура прогревања 1100°С, као и да се након каљења са 1100°С добија потпуно мартензитна структура. Нагли пораст величине зрна у челику без титана је последица одсуства честица TiN који блокирају границе зрна. Зато је за температуру прогревања одабрана 1100°С јер обезбеђује величину зрна од око 50μm која промовише ацикуларни ферит. Такође, у оквиру прелиминарних резултата, одређена је температура почетка мартензитне трансформације на 330 и 320°С, за челик са ванадијумом, односно челик са додатком титана. Различите морфологије добијене у току изотермалног разлагања су приказане на микрофотографијама. Резултати добијени у овој дисертацији указују да у целом температурном подручју 350-600°С разлагање аустенита започиње издвајањем ферита по границама полазних аустенитних зрна. У високотемпературном подручју гранични ферити у потпуности декоришу границе зрна, док се у нискотемпературном подручју viii поред граничних ферита јављају и беинитни снопови нуклеирани на границама зрна. Гранични ферити у високотемпературном настају дифузионим механизмом, пошто су температуре на којима се јављају довољно високе да омогуће дифузију. Њихова је карактеристика да расту дуж граница аустенитног зрна. Са друге стране, гранични ферити нискотемпературном подручју су идентификовани као Видманштетенов ферит, кога услед ниских температура на којима је отежана дифузија карактерише смицајни механизам и карактеристичани облик (облик плочице, иглице или труогласти облик) и које расту са границе ка унутрашњости зрна) и могу се нуклеирати и са већ претходно насталог феритног зрна. Са продужењем времена изотермалног разлагања, ови процеси се завршавају и почиње издвајање интрагрануларно нуклеираног ферита. У питању је ацикуларни ферит чија се морфологија разликује у зависности од тога у ком температурном подручју се јавља: на вишим температурама феритна зрна су игличаста и потпуно произвољно оријентисана, док су у нискотемпературном подручју иглице паралелне и чине снопове. Завршетком издвајања ацикуларног ферита, почиње издвајање перлита у оба челика. Количина перлита је веома мала, па је после 20 минута разлагање аустенита завршено и формиране су финалне микроструктуре. На нижим температурама структура се састојала из Видманштетеновог ферита, беинитних снопова и ацикуларног ферита у облику снопова, док су на вишим температурама присутни гранични алотриоморфи, игличасти ацикуларни ферит и перлит, уз присуство заосталог аустенита. Овако познавање промена на свакој од температура је омогућило конструисање дијаграма изотермалног разлагања. На оба ТТТ (ИР) дијаграма се запажају идентичне области, уз напомену да су криве на дијаграму челика са титаном померене ка дужим временима и на нешто више температуре. Нос криве за челик без титана је на испод 2 секунде на температури између 400 и 450°С, односно на 2 секунде на 450°С у челику са титаном. Резултати мерења тврдоће, границе течења су дати у табелама и приказани на дијаграмима. Испитивање тврдоће свих узорака и границе течења узорака са финалном структуром указује да су највеће тврдоће измерене за тестове са најкраћим временима, док се граница течења снижава од максималне вредности до минималне, а затим поново расте. Овакво понашање је доведено у везу са смањењем количине присустних беинитних ix снопова и видманштетеновог ферита. Са друге стране, на вишим температурама, пошто је присутан феномен недовршене (некомплетне) трансформације, услед каљења стабилисаног аустенита, тврдоћа поново расте. Граница течења показује веома слично понашање. У целом температурном подручју испитивања, челик са титаном има већи границу течења. Овакво понашање је доведено у везу У области од 350 do 450 °C граница течења опада. Добијене високе вредности указују на присуство фаза са великом густином дислокација, која је карактеристична за беинитне структуре. На температурама изнад 450°C у оба челика, долази до пораста границе течења. Ова појава је израженија у челику са титаном, што је доведено у везу са снажнијом стабилизацијом аустенита у челику са већим садржајем легирајућих елемената и повећаним садржајем перлита у структури.

The aim of this work was to determine TTT diagrams of two mediumcarbon V microalloyed steels V-N (0.256%C, 0.0235%N, 0%Ti) and Ti-V-N (0.309%C, 0.221%N, 0.011%Ti ). The isothermal treatment was carried out at 350, 400, 450, 500, 550 and 600οC. These treatments were interrupted at different times in order to analyze the evolution of the microstructure. Isothermal decomposition of medium carbon vanadium microalloyed austenite was evaluated by optical and SEM metallography. In the first step, austenite grain size is establish in temperature range 850-1150 °C. Ti bearing steel exibits lower grain size at high temperatures. This effect is attributed to pinning effect of TiN particless. Nevertheless, temperature of 1100°C provided grain size very simillar to 60μm, value suggested as optimal for intragranular nucleation and formation of acicular ferrite. Isothermal treatment enabled plotting the TTT diagrams. In both diagrams, equal transformations are observed. Influence of Ti addition is not very clear; it is assumed that increased level on carbon has covered expected influence on intragranular nucleation. Four curves are found to be relevant for austenite decomposition in medium carbon Vmicroalloyed steels: (1) Grain boundary ferrite is the first phase to be generated at all temepratures. In the lower temperature range the widmanstetten ferrite is formed, while on higher temperatures grain boundary allotriomorphs are produced. This difference is attributed to displacive nature of transformation at lower and diffusional transformation at higher temperatures. (2) Second curve is related to nucleation of Intragranular ferrite (IGF). In the lower temperature range (350–400°C ) acicular ferrite plates are grouped in sheaves; at intermediate temperatures (450–500°C), a more interlocked microstructure of acicular ferrite was clearly observed, while microstructure generated at high temperatures (550–600°C) is characterized by polygonal idiomorphic ferrite. (3) Third curve is related to onset of pearlite. It occurs at temperatures ≥ 500°C, followed by an incomplete reaction phenomenon. vi (4) The transition between an acicular ferrite sheaf morphology and interlocked microstructure is observed to take place at 400/450°C. However the bainitic sheaves are frequently observed when the isothermal transformation time is increased at 400°C and temperature diminishes to 350°C. Finish of transformation was clearly observed at temperatures below 500°C. However at 550 and 600°C, incomplete reaction phenomenon occurs. This behaviour is attributed to carbon enrichment in austenite and decrease of driving force for austenite decomposition. Martensite start temperature is established to be 320°C and 330°C for Ti-V-N and V-N steels respectively. Slightly lower Ms temperature of Ti-V-N steel is attributed to higher content of carbon and Ti, elements that increase hardenability. The lower yield stress for Ti-free steel (V-N) compared with titanium –containig steels (Ti-VN) is attributed to lower carbon content compared with titanium-containing steel. Yield stress decreases from the maximum values for temperatures 350○C – 400○C for both steels investigated. It is assumed that it reflects dislocation strengthening associated with the presence of hard phases such as bainite, since the dislocation density of the ferrite increases with decreasing transformation temperature. at higher temperatures, At temperatures higher than 450°C, in both steel yield strength increases. This behaviour is more pronounced in Ti bearing steel and it is attributed to more effective stabilization of austenite in steel with higher carbon, as well as higher presence of pearlite.

микролегирани челици, Фазне трансформације, ТТТ дијаграм изотермалног разлагања, ацикуларни ферит, беинитни снопови, ферит по границама зрна, Видманштетенов ферит, полигонални ферит, перлит, светлосна и скенирајућа електронска микроскопија

microalloyed steels; phase transformations, TTT diagram, acicular ferrite, bainitic sheaves, grain boundary ferrite, Widmanstatten ferrite, polygonal ferrite, pearlite, optical and SEM microscopy

669.15-194:669.017(043.3)

Mikrolegirani čelici

Tekst