Προσομοίωση των μετασχηματισμών φάσης και της εξέλιξης της μικροδομής σε υποευτηκτοειδείς χάλυβες κατά τη διάρκεια ραγδαίων θερμικών κατεργασιών

Abstract

The present Ph.D. thesis investigates the effect of heating rate and short soaking time in hypoeutectoid steel grades. The present thesis focuses on the effect of heating rate on austenitization of the ferrite to austenite transformation and carbide dissolution in order to shed light in the mechanism that lead to mixed microstructures characterized with co – existence of martensite, bainite and retained austenite under certain conditions. For this purpose a conventional heating rate (10oC/s) was examined for comparison purpose to high heating rates (100 – 300oC/s). For both the reheating followed a peak stay at an austenization temperature, Tpeak, ranging between 900 – 1080oC. The soaking time at the selected peak austenitization temperature varies from 2 – 300s. Lab scale rapid thermal cycles were applied via dilatometry. For the lab scale experiments two steel grades were selected, which are widely used in the automotive industry. The hypoeutectoid steel grades are a low alloyed CrMo and a C45 steel. These steels contain ~ 0.4% wt. carbon content while the CrMo steel contains targeted Cr and Mo additions leading to increase in strength via precipitation of complex chromium molybdenum carbides. The C45 steel represents a typical carbon – manganese steel, which has been selected for comparison. The effect of heating rate and short soaking were studied extensively theoreticaly via kinetic simulation of the ferrite-to-austenite transformation and the carbide dissolution and were experimentaly validated. Using thermodynamic simulation techniques the kinetics of phase transformations during heating and short austenitization were studied, while a further investigation regarding the initial simulation of the subsequent during quenching martensitic transformation has been conducted with the aid of phase field modelling. The evaluation and validation of the simulation results were conducted with metallographic analysis of the microstructure using optical microscopy (OM) and electronic microscopy (SEM, EBSD and TEM – EDS) techniques, while preliminary estimation of the strength has been conducted using microhardness measurements. The results of the study revealed that heating rate increase retards carbide dissolution and austenite formation since the required time for C diffusion is greater compared to the available time during heating with rates >100oC/s. In addition, Cr decreases the interfacial movement velocity of cementite/austenite (θ/γ) due to «solute – drag» effect. The increase of Cr addition, as observed in M7C3 carbides, retards even more carbide dissolution and austenite formation. Similar effect with Cr is observed in substitutional alloying elements niobium (Nb) and molybdenum (Mo). The study on coarse carbide dissolution proves that their dissolution and the austenite formation are both impeded as the required distance for C diffusion increases and a greater duration is required for C diffusion. The undissolved carbides impede austenite grain growth and induce chemical heterogeneity in austenite, which may lead to fraction of retained austenite after quenching as estimated using the Koistinen – Marburger equation. Simulation results agree with experimental examination of the microstructure in optical (OM) and scanning electron microscopy (SEM, EBSD, TEM – EDS).

Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά την επίδραση ραγδαίων θερμικών κατεργασιών σε υποευτηκτοειδείς χάλυβες. Εστιάζει στην επίδραση του (ραγδαίου) ρυθμού αναθέρμανσης και της σύντομης παραμονής στην θερμοκρασία ωστενιτοποίησης στον μετασχηματισμό φερρίτη σε ωστενίτη και στην διαλυτοποίηση των καρβιδίων προκειμένου να εξηγηθεί ο μηχανισμός, που οδηγεί στην ύπαρξη μεικτών μικροδομών με συνύπαρξη μαρτενσίτη, μπαινίτη και υπολειπόμενου ωστενίτη (υπό προϋποθέσεις). Γι αυτό τον σκοπό εξετάσθηκαν συμβατικοί ρυθμοί θέρμανσης (10οC/s) σε αντιδιαστολή με τάχιστους ρυθμούς θέρμανσης (100–300oC/s), ενώ οι θερμοκρασίες ωστενιτοποίησης, που χρησιμοποιήθηκαν κυμαίνονταν μεταξύ 900–1080οC. Η παραμονή στην επιλεγμένη θερμοκρασία ωστενιτοποίησης κυμαίνεται μεταξύ 2-300s. Οι τάχιστοι (ραγδαίοι) θερμικοί κύκλοι εφαρμόστηκαν σε εργαστηριακή κλίμακα με χρήση διαστολομετρίας. Για την διερεύνηση χρησιμοποιήθηκαν δύο ευρέως χρησιμοποιούμενοι στην αυτοκινητοβιομηχανία υποευτηκτοειδείς χάλυβες χαμηλής κραμάτωσης, οι CrMo και C45. Οι δύο αυτοί χάλυβες περιέχουν περίπου 0.4% κ.β. C (άνθρακα), ενώ ο ένας εξ αυτών, ο CrMo, διαθέτει στοχευμένη κραμάτωση χρωμίου και μολυβδαινίου, η οποία ευνοεί την αύξηση της αντοχής μέσω της κατακρήμνισης σύνθετων καρβιδίων χρωμίου (Cr) (με παρουσία μολυβδαινίου - Mo). Ο C45 είναι κλασικός ανθρακομαγγανιούχος χάλυβας και έχει επιλεγεί για λόγους σύγκρισης. Η επίδραση του ρυθμού θέρμανσης και της παραμονής στην θερμοκρασία ωστενιτοποίησης στους μετασχηματισμούς φάσης μελετήθηκε ενδελεχώς θεωρητικά με χρήση προσομοίωσης και επιβεβαιώθηκε μέσω των εργαστηριακών αναλύσεων. Με τη βοήθεια θερμοδυναμικής προσομοίωσης μελετήθηκε η κινητική των μετασχηματισμών φάσης κατά τη διάρκεια της αναθέρμανσης και σύντομης ωστενιτοποίησης, ενώ έγινε περαιτέρω και αρχική προσομοίωση του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού με την εφαρμογή μοντέλου «phase – field». H αξιολογηση των αποτελεσμάτων και επικύρωση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης πραγματοποιήθηκε μέσω του χαρακτηρισμού της μικροδομής με τεχνικές οπτικής (ΟΜ) και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας (SEM, EBSD, TEM), ενώ μετρήθηκε προκαταρκτικά και η αντοχή με τη χρήση μικροσκληρομετρήσεων. Τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν ότι η αύξηση του ρυθμού θέρμανσης καθυστερεί τη διαλυτοποίηση των καρβιδίων και τον σχηματισμό ωστενίτη, καθώς ο χρόνος που απαιτείται για τη διάχυση του C είναι μεγαλύτερος σε σχέση με τον διαθέσιμο χρόνο κατά τη διάρκεια αναθέρμανσης με ρυθμό >100οC/s. Παράλληλα, το Cr μειώνει την ταχύτητα μετακίνησης της διεπιφάνειας σεμεντίτη/ ωστενίτη (θ/γ) λόγω του φαινομένου «solute drag». Η αύξηση του Cr, όπως παρατηρήθηκε στο σύστημα Μ7C3/α, επιβραδύνει ακόμα περισσότερο τη διαλυτοποίηση των καρβιδίων και τον σχηματισμό ωστενίτη. Αντίστοιχη συμπεριφορά με το Cr παρουσιάζουν και τα στοιχεία αντικατάστασης νιόβιο (Nb) και Μο. Η μέλετη διαλυτοποίησης χονδρομερών καρβιδίων έδειξε ότι καθυστερεί περισσότερο η διαλυτοποίησή τους, όπως και ο σχηματισμός ωστενίτη, καθώς αυξάνεται η απαιτούμενη για τη διάχυση του C απόσταση, άρα, και ο απαιτούμενος για τη διάχυση χρόνος . Η ύπαρξη αδιάλυτων καρβιδίων εμποδίζει τη μεγέθυνση κόκκων του ωστενίτη και προκαλεί χημική ετερογένεια, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε υπολειπόμενο ωστενίτη στο τέλος της βαφής, όπως προβλέπεται και από την εξίσωση Koistinen – Marburger. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης είναι σε συμφωνία με τα αποτελέσματα της ανάλυσης των μικροδομής όπως προκύπτει και από τις αναλύσεις σε οπτική (ΟΜ) και ηλεκτρονική μικροσκοπία (SEM, EBSD και TEM-EDS).