Effect of ausforming on the microstructure and transformation kinetics of a medium carbon carbide-free bainitic steel

Zorgani, Muftah (2021). Effect of ausforming on the microstructure and transformation kinetics of a medium carbon carbide-free bainitic steel. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

High-strength steels, characterized by an excellent combination of mechanical properties, such as ductility and formability, with satisfactory weldability and cost, are in continuous demand in most industries, especially the automotive industry, where reducing vehicle weight is an important means of improving both fuel efficiency and passenger safety. A new generation of nanostructured bainitic steels with high carbon-silicon content, known as carbide-free bainitic ferrite (CFB), has been developed to meet the above demand. However, high-C nanostructured CFB steel needs to be heat-treated, sometimes for several days, to attain the required microscopic structural features. Furthermore, the drawbacks of high carbon content are weldability problems, where cracks can be developed in the heat-affected zones due to the formation of untempered martensite. In this context, low- or medium-C nanostructured CFB steel could be an excellent alternative as it overcomes the shortcomings of high-C nanostructured CFB steels. However, obtaining nanostructured CFB in low- and medium-C steel can be challenging because reducing the steel’s carbon content increases the martensite start temperature and diminishes the difference between bainite and martensite start temperatures, ultimately resulting in losing the benefits of performing bainite transformation at a low temperature.

Among the prominent parameters that control the bainitic ferrite plate thickness is the strength of the austenite from where the bainite grows and the driving force of the transformation. Therefore, thermomechanical treatments such as ausforming can be a possible solution to overcome the limitations of using high carbon steel. The work hardening of supercooled austenite, owing to deformation prior to bainite transformation, resists the thickening growth of bainitic ferrite plates. Besides, the kinetics of bainite transformation, microstructure morphology, and retained austenite stability can be affected. Therefore, in order to achieve the above objectives, a more fundamental understanding of the mechanisms involved in the evolution of the microstructure as a result of the ausforming process in medium-C high Si steels is required. In particular, the impact of ausforming on bainitic transformation and the characteristics of bainitic laths needs to be understood and related to the ausforming parameters.

The present Ph.D. project aims to address the above question with the view to ultimately determine optimum ausforming conditions in order to obtain nanosized bainitic plates in a medium carbon high Si steel. To this end, three major objectives were identified: The first part of the study provides the details of how the stability of deformed retained austenite was modified according to the amount of deformation at 600 oC prior to isothermal bainitic transformation at 325 to 400 oC. The analysis showed that the main factor contributing to retained austenite's stability was bainitic isothermal temperature regardless of percent deformation. For the studied steel, bainitic transformation above Ms and below 350 oC was the threshold temperature above which the retained austenite within the CFB matrix decomposed dramatically to martensite as percent deformation increased. CFB microstructure obtained at 325 oC had the highest retained austenite thermal stability among other bainite transformation temperatures.

In the second part of the study, the anisotropy in the morphology of CFB is correlated to the transformation plasticity strain (TP) as a function of ausforming temperature (above or below bainite start temperature, (Bs). The microstructural change observed by SEM and EBDS analysis were compared with TP strains evolution calculated by axial and radial strains during bainite transformation at 325 oC after deforming supercooled austenite at 600, 400, and 325 oC. Ausforming at 600 oC had a limited effect on microstructural changes and TP strains and comparable with the pure isothermal condition. An alignment in bainitic ferrite plates was observed when a compressive plastic deformation was applied below Bs. The TP strain intensified with severe alignment in the microstructure when the ausforming was applied at the isothermal transformation temperature (325 oC). Moreover, nanostructured morphology with ~100 nm bainitic ferrite plate thickness was obtained, and the hardness reached a level similar to that of a martensitic state (~550 HV).

Finally, the response of the CFB microstructure to tempering process, obtained via pure isothermal transformation (P-bainite), i.e., no deformation applied prior to bainitic transformation, and ausforming followed by isothermal transformation (A-bainite), was investigated. The aim of this study was done in order to determine the underlying mechanisms of observed dilatometric and microstructural changes during isothermal tempering at 400 and 500 oC. The outcome of this investigation showed that the P-bainite condition had minimal dilatometric changes for all examined tempering temperatures. In addition, no microstructural changes, such as cementite precipitation, revealed either by metallography or XRD examination, expect a mild increase in bainitic ferrite plats by about 20%. Consequently, the hardness level before and after tempering has not changed much (6% decrease). Likewise, ausformed sample (A-bainite) showed minimum dilatometric and microstructural change during tempering at 400 oC.

On the other hand, a large contraction in dilatometric signal was observed in the ausformed bainitic microstructure that tempered at 500 oC. The change in dilatation started at the early stage of the heating step at around 400 oC. The observed contraction was linked to cementite precipitation due to either decomposition of bainitic ferrite and/or film-like retained austenite. The cementite precipitates could be revealed by SEM and XRD techniques with an amount of about 6%. The presence of these precipitates prevents the large coarsening of bainite ferrite, thereby producing hardness levels similar to that of non-tempered conditions (14% decrease). Moreover, the calculation of carbon content in bainitic ferrite showed a remarkable decrease, from 0.19 to 0.08 wt.% after tempering at 500 oC, compared with other investigated conditions. This can be related to altering the supersaturated bainitic ferrite crystal (BCT) to itsequilibrium state (BCC). The significant effect of tempering in the A-bainite sample is due to the enhancement of carbon diffusion through the existence of high dislocation density.

Titre traduit

Effet de l'ausformation sur la microstructure et la cinétique de transformation d'un acier bainitique sans carbure

Résumé traduit

Les aciers à haute résistance, caractérisés par une excellente combinaison de propriétés Les aciers à haute résistance, caractérisés par une excellente combinaison de propriétés mécaniques, telles que la ductilité et la formabilité, avec une soudabilité et un coût satisfaisant sont en demande continue dans la plupart des industries, en particulier l'industrie automobile, où la réduction du poids des véhicules est un moyen important d'améliorer à la fois la consommation du carburant ainsi que l'efficacité et la sécurité des passagers. Une nouvelle génération d'aciers bainitiques nanostructurés à haute teneur en carbone-silicium, connue sous le nom d’aciers bainitique sans carbure (CFB), a été développée pour répondre à la demande ci-dessus. Cependant, l'acier CFB nanostructuré à haute teneur en carbone doit être traité thermiquement, parfois pendant plusieurs jours, pour atteindre les caractéristiques structurelles microscopiques requises. En outre, les inconvénients d'une teneur élevée en carbone sont des problèmes de soudabilité, où des fissures peuvent se développer dans les zones affectées par la chaleur en raison de la formation de martensite non trempée. Dans ce contexte, l'acier CFB nanostructuré à faible ou moyen carbone pourrait être une excellente alternative car il pallie les lacunes des aciers CFB nanostructurés à haut carbone. Cependant, l'obtention de CFB nanostructurés dans de l'acier à faible et moyen carbone peut être difficile car la réduction de la teneur en carbone de l'acier augmente la température de démarrage de la martensite et diminue la différence entre les températures de démarrage de la bainite et de la martensite, ce qui entraîne finalement la perte des avantages de la transformation de la bainite préformée à basse température.

Parmi les paramètres importants qui contrôlent l'épaisseur des lamelles de la ferrite bainitique, il y a la résistance de l'austénite à partir de laquelle la bainite se développe et la force motrice de la transformation austénite-bainite. Par conséquent, les traitements thermomécaniques tels que l'ausformage peuvent être une solution possible pour surmonter les limitations de l'utilisation d'un acier à haute teneur en carbone. L'écrouissage de l'austénite, dû à la déformation avant la transformation bainitique, résiste à l’épaississement des lamelles de ferrite bainitique. En outre, la cinétique de transformation bainitique, la morphologie de la microstructure et la stabilité de l'austénite résiduelle peuvent être affectées. Par conséquent, afin d'atteindre les objectifs ci-dessus, une compréhension plus fondamentale des mécanismes impliqués dans l'évolution de la microstructure résultant du processus d'ausformage dans les aciers à teneur moyenne en carbone élevé est nécessaire. En particulier, l'impact de l'ausformage sur la transformation bainitique et les caractéristiques des lattes bainitiques doivent être compris et liés aux paramètres d'ausformage.

Le présent projet de thèse vise à répondre à la question ci-dessus en vue de déterminer à terme les conditions d'ausformage optimales afin d'obtenir des plaques bainitiques de taille nanométrique dans un acier à teneur moyenne en carbone et à haute teneur en Si. À cette fin, trois objectifs majeurs ont été identifiés : La première partie de l'étude détaille comment la stabilité de l'austénite résiduelle déformée est modifiée en fonction de l'importance de la déformation à 600°C avant la transformation bainitique isotherme à 325 à 400°C. L'analyse a montré que le principal facteur contribuant à la stabilité de l'austénite conservée était la choix de la température isotherme bainitique, quel que soit le pourcentage de déformation. Pour l'acier étudié, la transformation bainitique au-dessus de Ms et en dessous de 350°C était la température seuil au-dessus de laquelle l'austénite résiduellee dans la matrice CFB se décomposait en martensite de façon importante à mesure que le pourcentage de déformation augmentait. La microstructure CFB obtenue à 325°C avait la stabilité thermique d'austénite conservée la plus élevée parmi les autres températures de transformation bainitique.

Dans la deuxième partie de l'étude, l'anisotropie dans la morphologie de la CFB est corrélée à la déformation de plasticité de transformation (TP) en fonction de la température d'ausforming (au-dessus ou en dessous de la température de début de bainite, (Bs). Le changement microstructural observé par SEM et l'analyse EBDS a été comparé à l'évolution des déformations TP calculées par les déformations axiales et radiales pendant la transformation bainitique à 325°C après déformation de l'austénite à 600, 400 et 325°C. L'ausforming à 600°C a eu un effet limité sur les changements microstructuraux et les déformations TP et comparable l'état isotherme pur. Un alignement dans les plaques de ferrite bainitique a été observé lorsqu'une déformation plastique compressive a été appliquée en dessous de Bs. La déformation TP s'est intensifiée avec un alignement sévère dans la microstructure lorsque l'ausforming a été appliqué à la température de transformation isothérmique (325°C). morphologie avec ~100 nm d'épaisseur de plaques de ferrite bainiitc a été obtenue et la dureté a atteint un niveau similaire à celui d'un état martensitique (~550 HV).

Enfin, la réponse de la microstructure CFB au processus de revenu, obtenue via des conditions non ausformées et ausformées, a été étudiée. Cela a été fait afin de déterminer les mécanismes sous-jacents des changements dilatométriques et microstructuraux observés pour le revenu non isotherme à 600°C, et revenu isotherme à 400 et 500°C pendant 1 heure. La microstructure avec une morphologie plus épaisse, qui a été produite par une transformation isotherme pure, c'est-à-dire sans ausformage préalable, a montré des changements dilatométriques minimes pour toutes les températures de revenu examinées. De plus, l'examen MEB a révélé un épaississement dans les lamelles de ferrite bainitique qui a conduit à une réduction de la dureté. D'autre part, une contraction du signal dilatométrique a été observée dans la microstructure bainitique ausformée au début de l'étape de chauffage de la trempe isotherme à environ 400°C. Cette contraction était associée au début des précipitation de la cémentite. Après que la température de revenu ait atteint 500°C, la contraction était plus perceptible et était liée à la formation de précipités de cémentite résultant de la décomposition de la ferrite bainitique et/ou de l'austénite conservée sous forme de film qui pourraient être révélés par des examens MEB et XRD. La présence de ces précipités empêche le grossissement de la ferrite bainitique, produisant ainsi des niveaux de dureté similaires à ceux de l'état non revenu.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 161-183).
Mots-clés libres:	bainite sans carbure, ferrite bainitique nanostructurée, austénite résiduelle, martensite, dilatomètrie, changement relatif de longueur, plasticité de transformation, alignement microstructural, revenu, dislocations, diffusion
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Jahazi, Mohammad
Codirecteur:	Codirecteur Garcia-Meteo, Carlos
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	25 janv. 2022 15:39
Dernière modification:	25 janv. 2022 15:39
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2854

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