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Identify and quantify the thermodynamics and kinetics aspects of fast tempering in martensite low-alloy medium carbon steel used for aerospace application

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Nazemi, Faranak (2018). Identify and quantify the thermodynamics and kinetics aspects of fast tempering in martensite low-alloy medium carbon steel used for aerospace application. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Induction heating, a fast and popular localized heat treatment process is increasingly used in aerospace industries that require good fatigue and wear resistance. Due to the induction highheat exposure, transformation towards equilibrium state of martensite in over-tempered zone (loss of hardness) happens between the hardened surface layer and the core of the part by a series of thermally activated phenomena. In order to understand over tempering behavior, the kinetics of cementite coarsening in tempered martensite AISI 4340 steel system with initial hardness 460 HV has been investigated. Microstructural investigation and modeling have been undertaken to understand the material response during tempering at 550 °C, 650 °C, and 700 °C. Different methods to reveal precipitates have been tested and compared. A statistical analysis was performed on microstructural measurements such as size, volume fraction, and morphology. On the other hand, the coarsening behavior of this multicomponent alloy system has been investigated using kinetics and thermodynamics thanks to DICTRA software. This computational tool can handle complex alloys and was used to model the precipitation resulting from tempering effect. Modeling results indicate that the coarsening resistance of 4340 alloy system is achieved not only by Cr and Mn partition to cementite at the early stage of tempering but also at later stage of tempering by partitioning element Mo in cementite, and also provided by partitioning of Ni and Si in the matrix at later stage of tempering. These results highlight the remarkable coarsening resistance of AISI 4340 steel even for prolonged tempering. Also due to low temperature 653 K (380 °C) chosen for initial tempering, only C can diffuse at this temperature, resulting a thermodynamics paraequilibrium stability, and any further high temperature exposure (over-tempering) will require to reach a new thermodynamic condition preventing rapid cementite growth. An extension of Björklund model is used to validate DICTRA model results. At the end, based on microstructure parameters strength and hardness of over-tempered zone are measured.

Titre traduit

Identifier et quantifier les aspects thermodynamiques et cinétiques du revenu rapide de l'acier AISI 4340 pour l'application aérospatiale

Résumé traduit

Le chauffage par induction, un procédé localisé rapide et populaire de traitement thermique est de plus en plus employé dans les industries aérospatiales qui exigent des pièces présentant une bonne tenue en fatigue et une bonne résistance à l'usure. En raison de l'exposition à haute température d'induction, la transformation vers l'état d'équilibre de la martensite dans la zone de sur-revenu (perte de dureté) se produit entre la couche durcie de surface et le coeur de la pièce se produit par une série de phénomènes thermiquement activés. Afin de comprendre le comportement de sur-revenu, la cinétique de la coalescence de la cémentite dans la martensite de l’acier AISI 4340 avec dureté initiale 460 HV a été étudiée. Une etude microstructurale et une modélisation ont été réalisées pour comprendre la réponse du matériau pendant le revenu à 550 °C, 650 °C et 700 °C. Différentes méthodes pour reveler les précipités ont été évaluées et comparées. Une analyse statistique a été effectuée sur des mesures microstructurales telles que la taille, la fraction volumique et la morphologie. D'autre part, le comportement de coalescence de ce système multi-composants a été étudié au moyen d'une étude cinétique et thermodynamique grâce au logiciel DICTRA. L'outil de calcul peut traiter les alliages complexes et a été employé pour modéliser la precipitation résultant de l'effet du revenu. Les résultats de la modélisation indiquent que dans un premier temps la résistance à la coalescence du système de l’alliage AISI 4340 est obtenue par la répartition du Cr et du Mn dans la cémentite au début du revenu mais également par la répartition de l'élément Mo dans la cémentite à une étape ultérieure du revenu. Pour des temps encore plus long, cette résistance est aussi contrôlée par la répartition des éléments Ni et le Si dans la matrice. Ces résultats expliquent la remarquable résistance à la coalescence de l’acier AISI 4340, même pour un revenu prolongé. Également en raison de la basse température 653 K (380 °C) choisi pour le revenu initial de la martensite, seul le C diffuse dans la matrice, entrainant une stabilité thermodynamique de type paraéquilibre, et toute exposition à plus haute température (sur-revenu) nécessitera d'atteindre une nouvelle condition thermodynamique, bloquant ainsi la coalescence rapide de la cémentite. Une extension du modèle de Björklund est employée pour valider les résultats du modèle DICTRA. Finalement, les évolutions de la limite élastique et de la dureté de la zone surrevenue ont été mesurées en fonction des paramètres de la microstructure.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctorate of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 171-177).
Mots-clés libres: chauffage par induction, transformation, cinétique, coalescence, mûrissement d’Ostwald, cémentite, acier AISI 4340, dureté
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Bocher, Philippe
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 01 nov. 2018 15:56
Dernière modification: 01 nov. 2018 15:56
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2108

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