Characteristics of phase transformations in medium-carbon nanobainitic steel of high hardenability

• Autorzy: Garbarz Bogdan , Marcisz Jarosław , Jelec Marek , Zalecki Władysław , Sozańska-Jędrasik Liwia , Kania-Pifczyk Zofia

Identyfikatory

DOI

10.32730/mswt.2024.68.1.1

Warianty tytułu

PL

Charakterystyka przemian fazowych w średniowęglowej stali nanobainitycznej o dużej hartowności

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents results of phase transformations taking place in steel having a carbon content of 0.55 %, characterised by high hardenability (NBH) and intended for the industrial fabrication of sheets. Phase transformations were examined using the dilatometric method under continuous cooling conditions (CCT) and during isothermal holding (TTT), using results of microstructural observations and those of hardness measurements of dilatometric specimens. The research work involved developing the diagram of phase transformations under continuous cooling conditions, using a cooling rate range of 0.025 °C/s to 50 °C/s and a fragment of a diagram of isothermal phase transformations within the temperature range of 200 °C to 275 °C. The Authors proposed a new type of isothermal diagram of phase transformations developed for a specific cooling rate from austenitisation temperature, equal to v (TTTv), enabling its application in the precise design of industrial isothermal specimens. The analysis of dilatograms as well as that of microstructural observations and dilatometric specimen hardness test results enabled the identification of experimental parameters applied in the heat treatment of specimens made of the NBH steel used in tensile tests. The research-related tests confirmed information contained in scientific reference publications that the presence of retained austenite of blocky morphology did not necessarily resulted in the low plasticity of nanobainitic steel. After the isothermal transformation into nanobainite at a temperature of 225 °C and that of 235 °C, the steel (NBH) contained approximately 20 % of retained austenite, including blocky austenite transformed into martensite during deformation and characterised by favourable plasticity restricted within the range of 13.6 % to 15.5 % of ultimate elongation in relation to a strength of 1.9 GPa.

PL

Artykuł zawiera wyniki badań przemian fazowych zachodzących w stali nanobainitycznej o zawartości węgla 0,55% i jednocześnie o dużej hartowności (NBH), przeznaczonej do przemysłowego wytwarzania blach arkuszowych. Przemiany fazowe badano metodą dylatometryczną w warunkach chłodzenia ciągłego (CTPc) i wygrzewania izotermicznego (CTPi), z wykorzystaniem wyników obserwacji mikrostruktury i pomiarów twardości próbek dylatometrycznych. Dla stali NBH opracowano wykres przemian fazowych w warunkach ciągłego chłodzenia, z zastosowaniem zakresu szybkości chłodzenia 0,025–50°C/s oraz fragment wykresu przemian fazowych izotermicznych w zakresie temperatury 200–275°C. Zaproponowano nowy typ wykresu izotermicznego przemian fazowych, który byłby opracowany dla określonej szybkości chłodzenia z temperatury austenityzowania – CTPiV, co umożliwi jego wykorzystanie do uściślonego projektowania przemysłowych obróbek izotermicznych. Na podstawie analizy dylatogramów oraz wyników badań mikrostruktury i pomiarów twardości próbek dylatometrycznych ustalono eksperymentalne parametry obróbki cieplnej próbek ze stali NBH do testów rozciągania. Wykonane w niniejszej pracy badania potwierdzają doniesienia literaturowe, że obecność austenitu resztkowego o morfologii blokowej nie musi prowadzić do uzyskania niskiej plastyczności stali nanobainitycznej. Stal NBH po przemianie izotermicznej w nanobainit w temperaturach 225°C oraz 235°C zawiera ok. 20% austenitu resztkowego, w tym austenit o morfologii blokowej przemieniający się w trakcie odkształcenia w martenzyt, wykazując jednocześnie dobrą plastyczność w zakresie 13,6–15,5% wydłużenia całkowitego, przy wytrzymałości na poziomie 1,9 GPa.

Słowa kluczowe

EN

medium-carbon steel; nanobainite; dilatometric analysis; microstructure; mechanical properties; isothermal phase transformation; continuous phase transformation

PL

stal średniowęglowa; nanobainit; analiza dylatometryczna; mikrostruktura; właściwości mechaniczne; przemiana fazowa ciągła; przemiana fazowa izotermiczna

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Górnośląski Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Materials Science and Welding Technologies / Technologie Materiałowe i Spawalnicze
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 68, No. 1
• Strony: art. no. 1
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Garbarz Bogdan

• Łukasiewicz Research Network – Upper-Silesian Institute of Technology

• https://orcid.org/0000-0002-8090-2738

autor

Marcisz Jarosław

• Łukasiewicz Research Network – Upper-Silesian Institute of Technology

• https://orcid.org/0000-0002-0001-2197

autor

Jelec Marek

• Łukasiewicz Research Network – Upper-Silesian Institute of Technology

• https://orcid.org/0009-0006-8575-518X

autor

Zalecki Władysław

• Łukasiewicz Research Network – Upper-Silesian Institute of Technology

• https://orcid.org/0000-0003-4551-1886

autor

Sozańska-Jędrasik Liwia

• Łukasiewicz Research Network – Upper-Silesian Institute of Technology

• https://orcid.org/0000-0001-8168-5045

autor

Kania-Pifczyk Zofia

• Łukasiewicz Research Network – Upper-Silesian Institute of Technology

• https://orcid.org/0000-0002-0236-5674

Bibliografia

• [1] Caballero F. G., Bhadeshia H. K. D. H., Mawella K. J. A., Jones D. G., Brown P.: Very strong low temperature bainite. Materials Science and Technology, 2002, vol. 18, pp. 279–284.
• [2] Garcia-Mateo C., Caballero F. G., Bhadeshia H. K. D. H.: Development of Hard Bainite. ISIJ International, 2003, vol. 43, no. 8, pp. 1238–1243.
• [3] Garcia-Mateo C., Caballero F. G., Bhadeshia H. K. D. H.: Acceleration of Low-temperature Bainite. ISIJ International, 2003, vol. 43, no. 8, pp. 1821–1825.
• [4] Caballero F. G., Bhadeshia H. K. D. H.: Very strong bainite. Current Opinion in Solid State & Materials Science, 2004, vol. 8, no. 3–4, pp. 251–257.
• [5] Singh S. B., Bhadeshia H. K. D. H.: Estimation of bainite plate-thickness in low-alloy steels. Materials Science and Engineering A245, 1998, pp. 72–79.
• [6] Garcia-Mateo C., Sourmail T., Caballero F. G., Smanio V., Kuntz M., Ziegler C., Leiro A., Vuorinen E., Elvira R., Teeri T.: Nanostructured steel industrialisation: plausible reality. Materials Science and Technology, 2014, vol. 30, no. 9, 1071–1078.
• [7] Ruiz-Jimenez V., Jimenez J. A., Caballero F. G., Garcia-Mateo C.: Bainitic Ferrite Plate Thickness Evolution in Two Nanostructured Steels. Materials, 2021, vol. 14, no. 15, art. no. 4347. DOI: 10.3390/ma14154347.
• [8] Caballero F. G., Rementeria R., Morales-Rivas L., Benito-Alfonso M., Yang J.-R., de Castro D., Poplawsky J. D., Sourmail T., Garcia-Mateo C.: Understanding Mechanical Properties of Nano Grained Bainitic Steels from Multiscale Structural Analysis. Metals 2019, vol. 9, no. 4, art. no. 426. DOI:10.3390/met9040426.
• [9] Morales-Rivas L., Garcia-Mateo C., Kuntz M., Sourmail T., Caballero F. G.: Induced martensitic transformation during tensile test in nanostructured bainitic steels. Materials Science and Engineering A, 2016, vol. 662, pp. 169–177.
• [10] Morales-Rivas L., Garcia-Mateo C., Sourmail T., Kuntz M., Rementeria R., Caballero F.G.: Ductility of Nanostructured Bainite. Metals, 2016, vol. 6, no. 12, art. no. 302. DOI:10.3390/met6120302
• [11] Sourmail T., Garcia-Mateo C., Caballero F.G., Morales-Rivas L., Rementeria R., Kuntz M.: Tensile Ductility of Nanostructured Bainitic Steels: Influence of Retained Austenite Stability. Metals, 2017, vol. 7, no. 1, art. no. 31. DOI:10.3390/met7010031.
• [12] Garbarz B., Burian W.: Microstructure and Properties of Nanoduplex Bainite-Austenite Steel for Ultra-High-Strength Plates. Steel Research International, 2014, vol. 85, no. 12, pp. 1620–1628.
• [13] Garbarz B., Marcisz J., Burian W.: Technological peculiarities of manufacturing nanobainitic steel plates. Proceedings of the METEC&ESTAD Conference. CD, ISBN: 9783000495427, Düsseldorf, 15–19 June 2015.
• [14] Garbarz B., Marcisz J., Żółkiewski K., Lubowiecki P., Nowak B., Smoleń M., Skurczyński M.: Industrial technology of manufacturing of ultra-strength nanobainitic steel plates. Journal of Metallic Materials, 2020, vol. 72, no. 2, pp. 2–22. DOI: 10.32730/imz.2657-747.20.2.1.
• [15] Marcisz J., Garbarz B., Stępień J., Tomczak T., Starczewski L., Nyc R., Gmitrzuk M., Gołuński M.: Protective effectiveness of armour made of nanobainitic steel. Journal of Metallic Materials, 2020, vol. 72, no. 1, pp. 21–38. DOI: 10.32730/imz.2657-747.20.1.2.
• [16] Marcisz J., Garbarz B., Janik A., Zalecki W.: Controlling the Content and Morphology of Phase Constituents in Nanobainitic Steel Containing 0.6 % C to Obtain the Required Ratio of Strength to Plasticity. Metals, 2021, vol. 11, no. 4, art. no. 658. DOI: 10.3390/met11040658.
• [17] Long X. Y., Kang J., Lu B., Zhang F. C.: Carbide-free bainite in medium carbon steel. Materials and Design, 2014, vol. 64, pp. 237–245.
• [18] Garcia-Mateo C., Caballero F. G.: The role of Retained Austenite on Tensile Properties of Steels. Mater Trans JIM., 2005, vol. 46, no. 8, pp. 1839–1846.
• [19] Garcia-Mateo C., Caballero F. G., Miller M. K., Jimenez J. A.: On measurement of carbon content in retained austenite in a nanostructured bainitic steel. Journal of Materials Science, 2012, vol. 47, no. 2, pp. 1004–1010.
• [20] Caballero F. G., Garcia-Mateo C., Miller M. K.: Design of Novel Bainitic Steels: Moving from UltraFine to Nanoscale Structures. JOM, 2014, vol. 66, no. 5, pp. 747–755. DOI: 10.1007/s11837-014-0908-0.
• [21] Stahl-Eisen-Prüfblatt. 1681: Guidelines for preparation, execution and evaluation of dilatometric transformation test on iron alloys. STAHL-EISEN-Prüfblätter (SEP) des Vereins Deutscher Eisenhüttenleute, 2nd edition, 1998.
• [22] Standard Practice for Quantitative Measurement and Reporting of Hypoeutectoid Carbon and Low-Alloy Steel Phase Transformations. ASTM Committee A01 on Steel, Stainless Steel and Related Alloys, Published March 2004.
• [23] Procedura 2-BT: Badania dylatometryczne przemian fazowych materiałów metalicznych. Instytut Metalurgii Żelaza, vol. III, January 2005.
• [24] PKN-ISO/IEC Guide 98-1:2021-06. Niepewność pomiaru – Część 1: Wprowadzenie do wyrażania niepewności pomiaru; PKN-ISO/IEC Guide 98-3:2021-05. Niepewność pomiaru – Część 3: Przewodnik wyrażania niepewności pomiaru (GUM:1995).
• [25] Santajuana M. A., Eres-Castellanos A., Ruiz-Jimenez V., Allain S., Geandier G., Caballero F. G., Garcia-Mateo C.: Quantitative Assessment of the Time to End Bainitic Transformation. Metals 2019, vol. 9, no. 9, art. no. 925. DOI:10.3390/met9090925.
• [26] ASTM A1033-18(2023) – Standard Practice for Quantitative Measurement and Reporting of Hypoeutectoid Carbon and Low-Alloy Steel Phase Transformations.
• [27] Bagliani E. P., Santofimia M. J., Zhao L., Sietsma J., Anelli E.: Microstructure, tensile and toughness properties after quenching and partitioning treatments of a medium-carbon steel. Materials Science & Engineering A, 2013, vol. 559, pp. 486–495.
• [28] Suzuki T., Ono Y., Miyamoto G., Furuhara T.: Effects of Si and Cr on Bainite Microstructure of Medium Carbon Steels. ISIJ International, 2010, vol. 50, no. 10, pp. 1476–1482.
• [29] Kim D. H., Speer J. G., Kim H. S., De Cooman B. C.: Observation of an Isothermal Transformation during Quenching and Partitioning Processing. Metallurgical and Materials Transactions A, September 2009, vol. 40, no. 9, pp. 2048–2060.
• [30] Long X. Y., Yang R., Sun D., Liu W., Zhang Y., Zhang F., Yang Z., Li Y.: Roles of cooling rate of undercooled austenite on isothermal transformation kinetics, microstructure, and impact toughness of bainitic steel. Materials Science and Engineering: A 12 April 2023, vol. 870, art. no. 14482.
• [31] Garcia-Mateo C., Paul G., Somani M. C., Porter D. A., Bracke L., Latz A., De Andres C. G., Caballero F. G.: Transferring Nanoscale Bainite Concept to Lower C Contents: A Perspective. Metals 2017, vol. 7, no. 5, art. no. 159. DOI:10.3390/met7050159.
• [32] Kaikkonen P., Ghosh S., Somani M., Komi J.: Nanostructured bainite transformation characteristics in medium-carbon steel subjected to ausforming and isothermal holding below martensite start temperature. Journal of Materials Research and Technology, March – April 2023, vol. 23, pp. 466–490.
• [33] Kumar A., Blessto B., Singh A.: Development of a low-carbon carbide-free nanostructured bainitic steel with extremely high strength and toughness. Materials Science and Engineering: A 22 June 2023, vol. 877, art. no. 145186.
• [34] Garcia-Mateo C., Caballero F. G., Chao J., Capdevila C., Garcia de Andres C.: Mechanical stability of retained austenite during plastic deformation of super high strength carbide free bainitic steels. Journal of Materials Science, 2009, vol. 44, pp. 4617–4624. DOI: 10.1007/s10853-009-3704-4.