Influence of initial microstructure and heating rate on kinetics of phase transformation in medium carbon low alloy steel

Rajakrishnan, Navneeth (2026). Influence of initial microstructure and heating rate on kinetics of phase transformation in medium carbon low alloy steel. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This thesis investigates the critical influence of initial microstructure and heating rate on the kinetics of austenite formation in medium carbon low alloy steels, which are vital materials for various industrial applications such as landing gear and hydraulic turbines. Understanding and precisely controlling these phase transformations are paramount for optimizing thermal processing, achieving desired microstructures, and predicting mechanical properties. Despite their significance, a comprehensive understanding of the kinetics of austenite formation from initial bainite and martensite microstructures, particularly how prior austenite grain size (PAGS) and heating rate interact, presents a significant research challenge.

The research addresses this gap by employing a multi-faceted methodology. High-resolution dilatometry was utilized for continuous heating experiments to quantify transformation kinetics and critical temperatures. Intermittent quenching tests, coupled with advanced microstructural characterization techniques including optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), and electron backscatter diffraction (EBSD), were performed to elucidate the underlying nucleation and growth mechanisms of austenite. Furthermore, the study developed and optimized mathematical models, rooted in diffusion-controlled nucleation and growth theories and refined using a genetic algorithm, to accurately describe the observed kinetic behaviors.

The findings reveal that for an initial martensite microstructure, grain refinement, specifically a reduction in PAGS from 330 μm to 117 μm, significantly accelerates the rate of austenite formation without altering the critical austenite formation temperature (Ac1). Nucleation of austenite in these martensitic samples predominantly occurs at prior austenite grain boundaries. Extending the investigation to an initial bainite microstructure, a clear distinction in critical temperatures and transformation kinetics was observed, with bainite exhibiting slower kinetics compared to martensite. The impact of heating rate was found to be more pronounced on bainite than on martensite, and differences in growth rates between the two initial microstructures are attributed to varying carbon distributions within their respective matrices. This work successfully developed and validated mathematical models capable of predicting the extent of austenite formation as a function of time, heating rate, and initial microstructure (martensite and bainite), providing valuable insights for the precise control of thermomechanical processing in these critical steel alloys.

Titre traduit

Influence de la microstructure initiale et de la vitesse de chauffage sur la cinétique de la transformation de phase dans les aciers à moyen carbone faiblement alliés

Résumé traduit

Cette thèse examine l’influence de la microstructure initiale et de la vitesse de chauffage sur la cinétique de formation de l’austénite dans les aciers faiblement alliés à teneur moyenne en carbone. Cette classe d’aciers représente une catégorie de matériaux essentiels pour diverses applications industrielles telles que les trains d’atterrissage des avions et les turbines hydrauliques. Comprendre et contrôler avec précision ces transformations de phase est primordial pour optimiser le traitement thermique, obtenir les microstructures désirées et prédire les propriétés mécaniques. Malgré leur importance, une compréhension complète de la cinétique de formation de l’austénite à partir de microstructures initiales de bainite et de martensite, en particulier l’interaction entre la taille de grain d’austénite antérieure (TGAA) et la vitesse de chauffage, représente un défi de recherche important.

La recherche comble cette lacune en employant une méthodologie multi-facette. La dilatométrie haute résolution a été utilisée pour des expériences de chauffage continu afin de quantifier la cinétique de transformation et les températures critiques. Des essais de trempe intermittente, associés à des techniques de caractérisations microstructurales avancées comprenant la microscopie optique, la microscopie électronique à balayage (MEB) et la diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD), ont été réalisés pour élucider les mécanismes sous-jacents de germination et de croissance de l’austénite. De plus, l’étude a développé et optimisé des modèles mathématiques, basés sur les théories de germination et de croissance contrôlées par la diffusion et affinés à l’aide d’un algorithme génétique, pour décrire avec précision les comportements cinétiques observés.

Les résultats révèlent que pour une microstructure initiale de martensite, l’affinage du grain, en particulier une réduction de la TGAA de 330 μm à 117 μm, accélère significativement le taux de formation de l’austénite sans modifier la température critique de formation de l’austénite (Ac1). La germination de l’austénite dans ces échantillons martensitiques se produit principalement aux joints de grains d’austénite antérieure. En ayant étandu l’investigation à une microstructure initiale de bainite, une distinction claire des températures critiques et de la cinétique de transformation a été observée, la bainite présentant une cinétique nettement plus lente que la martensite. L’impact de la vitesse de chauffage s’est avéré plus prononcé sur la bainite que sur la martensite, et les différences de taux de croissance entre les deux microstructures initiales sont attribuées à des variations dans la distribution du carbone au sein de leurs matrices respectives.

Ce travail a permis de développer et de valider avec succès des modèles mathématiques capables de prédire le degré de formation de l’austénite en fonction du temps, de la vitesse de chauffage et de la microstructure initiale (martensite et bainite), fournissant ainsi des informations précieuses pour le contrôle précis du traitement thermomécanique dans ces d’acier critiques.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 91-97).
Mots-clés libres:	transformation de phase, cinétique, martensite, bainite, taille de grain d’austénite antérieure, modèle mathématique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Jahazi, Mohammad
Codirecteur:	Codirecteur(-trice) de mémoire/thèse Champliaud, Henri Bhattacharjee, Pinaki
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	14 juill. 2026 13:10
Dernière modification:	14 juill. 2026 13:10
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3944

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