University of Oulu

Development of low-cost CrNiMoWMnV ultrahigh-strength steel with high impact toughness for advanced engineering applications

Saved in:
Author: Ali, Mohammed1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology, Mechanical Engineering, Materials and Mechanical Engineering (MME)
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 12.3 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526226729
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2020
Publish Date: 2020-08-18
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 28 August 2020, at 12 noon
Tutor: Professor Jukka Kömi
Professor David Porter
Professor Mamdouh Eissa
Professor Taha Mattar
Reviewer: Professor Pasi Peura
Associate Professor Anders Tilliander
Opponent: Professor Pasi Peura
Professor Lauri Holappa
Description:

Abstract

Increasing carbon dioxide (CO2) emissions from steel plants due to ever-growing steel production make the increased use of scrap-based production routes more attractive. Also, increasing demands for ultrahigh-strength steels (UHSSs) in commercial and military applications have raised interest in finding alternatives to the expensive steels currently used.

This thesis studies the possibilities of using low-cost air induction melting followed by refining using electroslag remelting (ESR) for the production of ultrahigh-strength, tough steel. The influence of ESR on the chemical composition, cleanliness, microstructure, and mechanical properties of novel martensitic and martensitic-bainitic UHSSs is examined to provide a good platform for the future production of tough UHSSs using the above-mentioned route. As a starting point for the studies of the steels concerned, the effect of cooling rate from austenite on phase transformation temperatures and final microstructures, as well as the mechanical properties in the as-cooled, untempered condition, are examined. Also, the evolution of precipitation and microstructure during the thermomechanical processing of austenite is described. Furthermore, the influence of double austenitization and quenching followed by tempering at 200 °C is discussed.

ESR is shown to lead to a high yield of alloying elements, low levels of impurities and non-metallic inclusions (NMIs) and a refinement of the final microstructures due to slight changes in the chemical composition. The effect of ESR on mechanical properties depends on the steel composition.

For the studied steels, the cooling rates leading to the formation of martensite provide a better combination of strength and toughness than a cooling rate that leads to proeutectoid carbides and granular bainite.

It is shown that good combinations of strength and toughness can be obtained through the use of the following process route: low-cost air induction melting, ESR, and temperature-controlled forging and cooling followed by reheating, quenching and tempering at 200 °C. Charpy-V impact toughness can be improved by applying double austenitization and quenching prior to tempering.

see all

Tiivistelmä

Kasvihuonepäästöt (CO2) kasvavat jatkuvasti, koska teräksen valmistus ja kulutus lisääntyvät. Tämä lisää kiinnostusta myös romupohjaiseen teräksenvalmistukseen, koska se mahdollistaa päästöjen vähentämisen. Lisäksi nykyisille ultralujille teräksille, joita voidaan käyttää erilaisissa kaupallisissa sovelluksissa, haetaan valmistusteknisesti edullisempia vaihtoehtoja.

Opinnäytetyössä selvitettiin mahdollisuutta hyödyntää ultralujien teräksen valmistuksessa teknisesti edullisen induktiosulatuksen ja sähkökuona-uudelleensulatuksen (ESR = electroslag remelting) yhdistelmää. ESR:n vaikutusta selvitettiin uusien martensiittisten ja martensiittis-bainiittisten ultralujien terästen kemialliseen koostumukseen, epäpuhtauksiin, mikrorakenteeseen ja mekaanisiin ominaisuuksiin. Tarkoituksena on mahdollistaa ultralujien terästen tehokas tuotanto tällä valmistusteknologialla. Lähtökohtana on jäähdytysnopeuden vaikutus austeniitti-ferriitti faasinmuutoslämpötiloihin sekä niiden vaikutus mikrorakenteisiin ja mekaanisiin ominaisuuksiin, kun teräksiä ei ole päästökäsitelty. Tähän yhdistettiin kaksinkertainen austenointi-, karkaisu- ja 200 °C päästökäsittely. Lisäksi tutkimuksessa selvitettiin myös erkaumien ja mikrorakenteen muodostuminen termomekaanisessa kuumamuokkauksessa.

Tutkimuksessa osoitettiin, että ESR:n tekniikka johtaa erittäin hyvään seosaineiden tuotokseen, niiden pieneen hajontaan, alhaiseen epäpuhtaustasoon ja siten vähäiseen määrään ei-metallisia sulkeumia. Tällöin saadaan lopputuotteen mikrorakenne ja mekaaniset ominaisuuden tarkasti optimoitua ja ominaisuushajonta jää varsin pieneksi.

Tutkituille teräksille jäähdytysnopeudet, jotka aikaansaavat martensiitin muodostumisen, antavat paremman lujuus-sitkeys yhdistelmän kuin jäähdytysnopeus, joka johtaa esieutektoidisen karbidin ja granulaarisen bainiittiin muodostumiseen.

Tutkimuksessa osoitettiin, että erinomaiset lujuuden ja sitkeyden yhdistelmät voidaan saada aikaan käyttämällä prosessireittiä: induktiosulatus, ESR, lämpötilakontrolloitu taonta ja jäähdytys, jota seuraa uudelleenkuumennus, karkaisu ja päästö 200 °C. Lisäksi kylmänkestävyyttä (Charpy-V testi) voidaan parantaa käyttämällä kaksinkertaista austenitointia, karkaisua ja päästöä.

see all

Osajulkaisut / Original papers

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

  1. Ali, M., Eissa, M., Faramawy, H. E., Porter, D., Kömi, J., El-Shahat, M. F., & Mattar, T. (2017). Electroslag Refining of CrNiMoWMnV Ultrahigh-Strength Steel. Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering, 5(6), 385–407. https://doi.org/10.4236/jmmce.2017.56032

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  2. Ali, M., Porter, D. A., Kömi, J. I., Eissa, M., El Faramawy, H., El-Shahat, M. F., & Mattar, T. M. (2018). Effect of Electroslag Refining on Cleanness, Microstructure and Mechanical Properties of a Newly Developed CrNiMoWMnV Ultrahigh-Strength Steel. Key Engineering Materials, 786, 10–22. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/kem.786.10

  3. Ali, M., Porter, D., Kömi, J., Heikkinen, E. P., Eissa, M., El, F., H., & Mattar, T. (2019). The effect of electroslag remelting on the cleanliness of CrNiMoWMnV ultrahigh-strength steels. Journal of Mining and Metallurgy, Section B: Metallurgy, 55(3), 381–395. https://doi.org/10.2298/jmmb190211042a

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  4. Ali, M., Porter, D., Kömi, J., Eissa, M., El Faramawy, H., & Mattar, T. (2020). The Effect of Electroslag Remelting on the Microstructure and Mechanical Properties of CrNiMoWMnV Ultrahigh-Strength Steels. Metals, 10(2), 262. https://doi.org/10.3390/met10020262

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  5. Ali, M., Porter, D., Kömi, J., Eissa, M., El Faramawy, H., & Mattar, T. (2020). Characterization of the Microstructure and Precipitates Formed During the Thermomechanical Processing of a CrNiMoWMnV Ultrahigh-Strength Steel. Steel Research International, 91(6), 1900580. https://doi.org/10.1002/srin.201900580

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  6. Ali, M., Porter, D., Kömi, J., Eissa, M., El Faramawy, H., & Mattar, T. (2019). Effect of cooling rate and composition on microstructure and mechanical properties of ultrahigh-strength steels. Journal of Iron and Steel Research International, 26(12), 1350–1365. https://doi.org/10.1007/s42243-019-00276-0

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  7. Ali, M., Porter, D., Kömi, J., Eissa, M., El Faramawy, H., & Mattar, T. (2019). The effect of double austenitization and quenching on the microstructure and mechanical properties of CrNiMoWMnV ultrahigh-strength steels after low-temperature tempering. Materials Science and Engineering: A, 763, 138-169. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138169

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-2672-9
ISBN Print: 978-952-62-2671-2
Issue: 756
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 216 Materials engineering
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2020. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.