Abstract

Refining grain size is known to enhance mechanical properties also in austenitic stainless steels. To better understand the background of these properties, various reversion-treated structures were created in AISI 301LN (18Cr-7Ni-0.15N) steel and the microstructural features affecting flow behaviour and strength under monotonic and cyclic straining were investigated. Fully and partially reversed microstructures were produced using prior cold rolling thickness reductions in the range of 32–63% and both resistant and induction heating. Some selected reversed structures were also strengthening rolled to 20% reduction. The resultant microstructures were characterised using different research equipment and methods and their mechanical properties determined by microhardness, tensile and fatigue tests. The main interest was focused on the microstructural features of low-temperature reversed structures and the stability of austenite in them.

Effective grain refinement was achieved after 56–63% rolling reduction. Depending on the reduction and annealing conditions, the reversed structures consisted of various amounts of submicron- and medium-sized austenite grains and retained phases. All the reversed structures showed non-homogenous, often bimodal grain size distribution. It was demonstrated that the stability of austenite was much reduced after annealing at temperatures ≤ 850 °C, which was attributed to precipitation occurring at these low temperatures. Fine grain size itself promoted higher stability, but the coarsest retained austenite was stable due to its special orientation. Therefore, medium-sized grains of 3–10 μm, formed mainly from slightly deformed strain-induced martensite, appeared to be most unstable, the fraction being highest after the lowest reduction.

The yield and fatigue strengths of the low-temperature reversion-treated structures were significantly higher than those of commercial 301LN. Fatigue strength corresponded to that of a 20% cold-rolled sheet. Strength was highly enhanced even after the lowest cold rolling reduction of 32%, for the lower strength of the coarser reversed grain structure was balanced by the higher fractions of strong retained austenite and martensite phases.

Tiivistelmä

Austeniitin raekoon hienontamisen tiedetään parantavan merkittävästi ruostumattomien terästen mekaanisia ominaisuuksia. Hienorakeisten reversiorakenteiden muokkauslujittumiseen ja lujuuteen vaikuttavien tekijöiden yksityiskohtaista tutkimista varten tuotettiin AISI 301LN (18Cr-7Ni-0.15N) teräkseen 32–63% kylmävalssausreduktiota ja sen jälkeistä vastus- tai induktiokuumennusta käyttäen täysin sekä osittain reversoituneita mikrorakenteita. Lisäksi osa reversiorakenteista vielä lujitusvalssattiin 10–20% reduktioon saakka. Mikrorakenteiden karakterisointiin käytettiin monipuolisesti eri tutkimuslaitteita ja menetelmiä sekä mekaanisten ominaisuuksien määrittämiseen mikrokovuus-, veto- ja väsytyskokeita. Ensisijaisena tarkoituksena oli tutkia yksityiskohtaisesti matalassa reversiolämpötilassa muodostuneita mikrorakenteita sekä hienorakeisen austeniitin stabiilisuutta monotonisessa ja syklisessä kuormituksessa.

Reversiokäsitellyissä rakenteissa esiintyi vaihteleva määrä hienoja (raekoko alle 1 μm) ja keskisuuria (raekoko 3–10 μm) austeniittirakeita mahdollisien karkeiden jäännösfaasien lisäksi kylmämuokkaustilasta ja lämpökäsittely-parametreista riippuen. Suuri muokkausaste edesauttoi selvästi raerakenteen hienontumista, mutta kaikki rakenteet olivat raekokojakaumaltaan epähomogeenisia. Työssä demonstroitiin kuinka alle 900 °C:ssa hehkutetut reversiorakenteet ovat huomattavasti epästabiilimpia kuin korkeammassa syntyneet verrokkirakenteet, minkä osoitettiin johtuvan krominitridien erkautumisesta. Raekoon hienontuminen itsessään suosii suurempaa stabiilisuutta, mutta karkeimmat muokkautuneet jäännösausteniittirakeet olivat stabiileja niiden orientaation takia. Täten keskisuuret rakeet olivat epästabiileimpia. Keskisuurien rakeiden osoitettiin syntyvän pääasiassa vähän muokkaantuneesta martensiitista, ja niitä esiintyi eniten 32% reduktiolla valssatuissa rakenteissa.

Matalassa lämpötilassa syntyneiden reversiorakenteiden lujuus oli merkittävästi korkeampi kuin kaupallisen teräksen. Väsymislujuus vastasi noin 20% lujitettuvalssattua tuotetta. Hehkutusta edeltänyt kylmämuokkausaste vaikutti vain vähän reversiorakenteiden lujuuteen, sillä vaikka pienin muokkausaste johti karkeimpaan keskimääräiseen raekokoon, siinä lujuutta lisäsivät kovat jäännösfaasit.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Järvenpää, A., Jaskari, M., Man, J., & Karjalainen, L. P. (2017). Austenite stability in reversion-treated structures of a 301LN steel under tensile loading. Materials Characterization, 127, 12–26. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2017.01.040

2. Järvenpää, A., Jaskari, M., & Karjalainen, L. P. (2014). Effect of grain size on fatigue behaviour of Type 301LN stainless steel. International Journal of Fatigue, 65, 93–98. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2013.05.012

3. Järvenpää, A., Jaskari, M., Man, J., & Karjalainen, L. P. (2017). Stability of grain-refined reversed structures in a 301LN austenitic stainless steel under cyclic loading. Materials Science & Engineering A, 703, 280–292. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.07.033

4. Järvenpää, A., Jaskari, M., Juuti, T., & Karjalainen, L. P. (2017). Demonstrating the effect of precipitation on the mechanical stability of fine-grained austenite in reversion-treated 301LN stainless steel. Metals. 7, 344. https://doi.org/10.3390/met7090344

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

5. Järvenpää, A., Jaskari, M., & Karjalainen, L. P. (2018). Reversed microstructures and tensile properties after various cold rolling reductions in AISI 301LN Steel. Metals. 8, 109. https://doi.org/10.3390/met8020109

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

6. Järvenpää, A., Jaskari, M., & Karjalainen, L. P. (2018). Properties of induction reversion-refined microstructures of AISI 301LN under monotonic, cyclic and rolling deformation. Materials Science Forum, 941, 601–607. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.941.601