Investigation of bainitic phase transformation and phase evolution during tempering of high strength medium carbon steels

Tolouei, Ehsan (2026). Investigation of bainitic phase transformation and phase evolution during tempering of high strength medium carbon steels. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

Prévisualisation

PDF Télécharger (15MB) | Prévisualisation

Résumé

In this study, the bainitic phase transformation in a medium-carbon low-alloy steel was investigated, followed by tempering. The focus was on the manufacturing process of large steel blocks from both industrial and scientific perspectives.

The bainitic phase transformation was investigated under both continuous cooling and austempering conditions. For the manufacturing of small steel blocks, continuous cooling followed by double tempering was replaced with the conventional austempering process followed by a single tempering cycle. Experimental results from both laboratory-scale studies and industrial trials demonstrated the success of this new approach. Austempering at temperatures ranging from 380 to 450 °C was investigated, and the resulting microstructures were characterized in terms of phase volume fractions, individual phase characteristics, and both overall and local hardness.

In the continuous cooling bainitic transformation, the effect of prior austenite grain size during slow cooling was investigated. Under these conditions, a multi-stage transformation was observed. In the first stage, both granular and plate-like bainite formed, followed by a second stage involving martensite formation accompanied by auto-tempering and the tempering of bainite. The significant differences in phase volume fraction were attributed to retained austenite, which increased from 10% to 24.6% as the prior austenite grain size increased from 101 to 304 μm.

The effect of temperature non-uniformity during the tempering process was investigated in large steel blocks. Variations in the time required to reach the target tempering temperature resulted in significant differences in both microstructure and hardness. Furthermore, the results indicate a pronounced influence of tempering time on the reduction of low-angle grain boundaries, suggesting that this mechanism plays a primary role during tempering in this class of steels. Additionally, the carbides exhibited notable resistance to coarsening, even after 14 hours of tempering.

The findings of this study highlight the significant influence of austempering temperature on bainitic phase transformations, as well as the effect of prior austenite grain size on the phase transformation during continuous cooling. Additionally, the results underscore the impact of temperature non-uniformity during the tempering of thick sections on the evolution of microstructure.

Titre traduit

Étude de la transformation de la phase bainitique et de l’évolution des phases lors du revenu ultérieur d’aciers à moyenne teneur en carbone à haute résistance

Résumé traduit

Dans cette étude, la transformation de phase bainitique dans un acier faiblement allié à teneur moyenne en carbone a été étudiée, suivie d’un traitement de revenu. L’accent a été mis sur le procédé de fabrication de gros blocs d’acier, tant du point de vue industriel que scientifique.

La transformation bainitique a été examinée à la fois en conditions de refroidissement continu et d’austempering. Pour la fabrication de petits blocs d'acier, le refroidissement continu suivi d'un double revenu a été remplacé par le procédé conventionnel d'austempérage suivi d'un seul cycle de revenu. Les résultats expérimentaux obtenus à la fois à l’échelle du laboratoire et lors d’essais industriels ont démontré le succès de cette nouvelle approche. L’austempering a été étudié dans une plage de températures allant de 380 à 450 °C, et les microstructures obtenues ont été caractérisées en termes de fractions volumiques des phases, de caractéristiques des phases individuelles, ainsi que de dureté globale et locale.

Dans le cas de la transformation bainitique sous refroidissement continu, l’effet de la taille des grains d’austénite initiale lors d’un refroidissement lent a été étudié. Dans ces conditions, une transformation en plusieurs étapes a été observée. Lors de la première étape, une bainite à la fois granulaire et en plaques s’est formée, suivie d’une seconde étape impliquant la formation de martensite accompagnée d’un auto-revenu ainsi que du revenu de la bainite. Les différences significatives de fraction volumique des phases ont été attribuées à l’austénite retenue, dont la fraction a augmenté de 10 % à 24,6 % lorsque la taille des grains d’austénite initiale passait de 100 à 300 μm.

L’influence de l’hétérogénéité thermique au cours du traitement de revenu a été étudiée dans des blocs d’acier de grande épaisseur. Les variations du temps nécessaire pour atteindre la température de revenu cible ont engendré des différences significatives tant au niveau de la microstructure que de la dureté. Par ailleurs, les résultats mettent en évidence une influence marquée du temps de revenu sur la diminution de la fraction de joints de grains à faible désorientation, ce qui suggère que ce mécanisme constitue un processus prépondérant lors du revenu dans cette classe d’aciers. De plus, les carbures ont montré une résistance notable au grossissement, même après 14 heures de revenu.

Les résultats de cette étude mettent en évidence l’influence significative de la température d’austempérage sur les transformations de phase bainitique, ainsi que l’effet de la taille des grains d’austénite initiale sur la transformation de phase lors du refroidissement continu. De plus, ils soulignent l’impact de l’hétérogénéité thermique lors du revenu de sections épaisses sur l’évolution de la microstructure.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based 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 153-171).
Mots-clés libres:	bainite granulaire, bainite en plaques, transformation de phase en plusieurs étapes, austénite retenue, joints à faible désorientation, constituant martensite–austénite
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Jahazi, Mohammad
Codirecteur:	Codirecteur(-trice) de mémoire/thèse Garcia-Mateo, Carlos
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	23 sept. 2026 18:23
Dernière modification:	23 sept. 2026 18:23
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/4097

Gestion Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt