University of Oulu

On the factors affecting the ductile-brittle transition in as-quenched fully and partially martensitic low-carbon steels

Saved in:
Author: Pallaspuro, Sakari1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology
Format: ebook
Version: published version
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526218977
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2018
Publish Date: 2018-05-08
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented, with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu, for public defence in the Oulun Puhelin auditorium (L5), Linnanmaa, on 18 May 2018, at 12 noon
Tutor: Professor David Porter
Professor Zhiliang Zhang
Reviewer: Doctor Jacques Besson
Professor Kim Verbeken
Opponent: Professor Bevis Hutchinson
Professor Kim Verbeken
Description:

Abstract

From the largest discontinuities to the smallest of the elements, various factors can threaten structural integrity. Susceptibility to these factors elevates with higher yield strengths. As-quenched low-carbon steels with a martensitic or martensitic-bainitic microstructure are modern ultra-high-strength structural steels. They can possess sufficient toughness, formability, and weldability, and are typically used in weight-critical and high-performance structures. Common problems with as-quenched steels with a yield strength of 900 MPa or more are that they do not obey the conventional correlation between the fracture toughness reference temperature T0 and the impact toughness transition temperature T28J used in many standards and structural integrity assessment procedures, and a lack of design rules in general.

This thesis studies the relationship between the T0 and T28J to provide additional knowledge for future standardisation, the microstructural features governing the toughness at these temperatures on both global and local scale, and whether hydrogen embrittlement is present at subzero temperatures. It uses steels produced via laboratory rolling and quenching as well as from pilot-scale and full-scale industrial production, studying them with standardised toughness tests, microstructural characterisation, fractography, and cohesive zone modelling.

As-quenched steels have a distinct correlation between T0 and T28J. An improved general T0 – T28J correlation applies to a wide range of steels. T28J correlates closely with a dynamic reference toughness, which can be used together with the fraction of detrimental {100} cleavage planes near the main fracture plain to effectively estimate the transition temperatures. On a local scale, centreline segregation decreases the effective coarse grain size, which more than compensates for the harmful effects associated with the higher hardness and inclusion content of the centreline, resulting in increased fracture toughness. Hydrogen embrittlement causes a decrease in fracture toughness and local deformability, thereby increasing T0 while leaving T28J unaffected. Overall, the results show that high toughness demands good control of effective coarse grain size and hydrogen content.

see all

Tiivistelmä

Tekijät suurimmista epäjatkuvuuskohdista aina pienimpään alkuaineeseen voivat uhata rakenteellista eheyttä, minkä lisäksi alttius näille kasvaa materiaalin myötölujuuden kasvaessa. Modernit karkaistun tilan ultralujat matalahiiliset rakenneteräkset voivat silti omata riittävän sitkeyden, muovattavuuden ja hitsattavuuden. Tyypillisiä käyttökohteita näille ovat painon suhteen kriittiset ja korkean suorituskyvyn rakenteet. Yleinen ongelma myötölujuudeltaan noin ja yli 900 MPa karkaistun tilan teräksillä on se, että ne eivät noudata perinteistä murtumissitkeyden referenssilämpötilan T0 ja iskusitkeyden transitiolämpötilan T28J välistä korrelaatiota, jota käytetään useissa standardeissa ja suunnitteluohjeissa, jotka eivät myöskään vielä salli näin lujien terästen käyttöä.

Tämä väitöstyö tutkii transitiolämpötilojen T0 ja T28J välistä suhdetta edistääkseen näiden terästen sisällyttämistä standardeihin, haurasmurtuma-sitkeyteen vaikuttavia mikrorakenteellisia tekijöitä sekä yleisellä että paikallisella tasolla, ja vetyhaurautta matalissa lämpötiloissa. Koeteräkset ovat laboratoriovalmisteisia, tuotantokokeita ja tuotantolaatuja. Niitä tutkitaan standardisoiduilla sitkeyskokeilla, mikrorakenteen karakterisoinnilla, fraktografialla ja koheesiovyöhykettä hyödyntävällä mallinnuksella.

Tulokset osoittavat karkaistun tilan terästen omaavan erityisen korrelaation T0 ja T28J välillä. Muokattu, ultralujat teräkset huomioiva yleinen T0 – T28J -korrelaatio soveltuu laajalti eri terästyypeille. T28J korreloi läheisesti dynaamisen referenssisitkeyden kanssa, jonka avulla yhdessä haitallisten {100} lohkomurtumatasojen osuuden kanssa voidaan estimoida joukko transitiolämpötiloja. Paikallisella tasolla keskilinjasuotauma pienentää efektiivistä karkeiden rakeiden kokoa, mikä suotauman suurista sulkeumista ja kovuudesta huolimatta parantaa murtumissitkeyttä. Vetyhauraus taas huonontaa sitkeyttä ja paikallista muodonmuutoskykyä myös matalissa lämpötiloissa nostaen T0 lämpötiloja. Kokonaisuutena erinomainen transitiolämpötilasitkeys vaatii efektiivisen karkearaekoon ja vetypitoisuuden minimointia.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-1897-7
ISBN Print: 978-952-62-1896-0
Issue: 655
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2018. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.