University of Oulu

Microstructures, mechanical stability and strength of low-temperature reversion-treated AISI 301LN stainless steel under monotonic and dynamic loading

Saved in:
Author: Järvenpää, Antti1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology
Format: ebook
Version: published version
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526221700
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2019
Publish Date: 2019-02-05
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 OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 15 February 2019, at 12 noon
Tutor: Professor Jukka Kömi
Professor Pentti Karjalainen
Reviewer: Professor Andrea Di Schino
Doctor Niilo Suutala
Opponent: Professor Horst Biermann
Doctor Niilo Suutala
Description:

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.

see all

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.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-2170-0
ISBN Print: 978-952-62-2169-4
Issue: 695
Subjects: