University of Oulu

Effect of microstructural characteristics and mechanical properties on the impact-abrasive and abrasive wear resistance of ultra-high strength steels

Saved in:
Author: Haiko, Oskari1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 14.7 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526230122
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2021
Publish Date: 2021-09-03
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 10 September 2021, at 12 noon
Tutor: Professor Jukka Kömi
Professor Mahesh Somani
Professor David Porter
Reviewer: Professor Mikael Olsson
Associate Professor Jens Hardell
Opponent: Associate Professor Jens Hardell
Doctor Marke Kallio
Description:

Abstract

The effect of different microstructural characteristics and mechanical properties on the impact-abrasive and abrasive wear resistance of martensitic and carbide-free bainitic (CFB) steels was investigated. The main objectives were to study the role of retained austenite, tempering, and prior austenite grain size on the wear performance of martensitic steels and to evaluate the wear performance of novel carbide-free bainitic steels.

The role of retained austenite in the wear resistance of martensitic steels was investigated by utilizing a direct quenching and partitioning (DQ&P) processing method to produce martensitic steels with varying retained austenite content. The effect of tempering on the wear resistance was studied by applying tempering to a medium-carbon martensitic steel and comparing the tempered samples with direct/water quenched variants. Prior austenite grain size was altered for a martensitic 500 HB grade wear-resistant steel to understand the influence of grain size on the abrasive wear resistance.

Impact-abrasive wear testing revealed that no clear benefit could be obtained by having retained austenite in the martensitic matrix. Tempering might have a minor decreasing effect on the wear resistance when compared to untempered martensitic steels of similar hardness levels. Prior austenite grain size and morphology also appeared to influence the abrasive wear resistance of martensitic steels: decreasing grain size and more equiaxed grain structure improved the wear performance.

Experimental carbide-free bainitic steels were fabricated via three ausforming routes. The high-stress abrasive wear testing showed that the steels have highly promising wear resistance due to the excellent work-hardening capabilities. Some CFB steels showed better wear resistance than the martensitic reference material despite lower or similar initial hardness levels.

Work-hardening was considered a major factor affecting the wear resistance of steels. The hardness of the deformed wear surfaces showed good correlation with wear performance. Characterization of the wear surfaces with the electron backscatter diffraction (EBSD) method provided information about the severely deformed regions showing very fine grain structure. These features of the wear surfaces have a marked effect on the wear resistance of steels.

see all

Tiivistelmä

Tässä väitöskirjassa on tutkittu martensiittisten ja karbidivapaiden bainiittisten terästen mikrorakenteen ja mekaanisten ominaisuuksien vaikutusta iskuabrasiiviseen sekä abrasiiviseen kulumisenkestoon. Tavoitteena oli ymmärtää jäännösausteniitin, päästön ja perinnäisen austeniitin raekoon vaikutus martensiittisten terästen kulumisenkestoon sekä tutkia karbidivapaiden terästen kulumista.

Jäännösausteniitin merkitystä martensiittisten terästen kulumisominaisuuksiin tutkittiin hyödyntämällä suorasammutusteknologiaa (DQ&P), jossa jäähdytys keskeytetään martensiitin faasimuutoslämpötila-alueella jäännösausteniitin stabiloimiseksi. Päästön vaikutusta kulumisominaisuuksiin tutkittiin päästämällä keskihiilinen teräs ja muokkaamalla parametreja niin, että päästöllä saatiin aikaan suorakarkaistuja, vähähiilisempiä teräksiä vastaavat kovuustasot. Raekoon vaikutusta abrasiiviseen kulumisenkestoon tutkittiin lämpökäsittelemällä martensiittinen 500 HB -kovuusluokan teräs.

Iskuabrasiivisessa kulumisessa jäännösausteniitin ei kuitenkaan havaittu olevan avuksi martensiittisilla teräksillä. Päästön havaittiin hieman heikentävän kulumisominaisuuksia, kun vertailtiin tuloksia saman kovuusluokan päästämättömiin teräksiin. Raerakenteella ja -koolla havaittiin myös yhteys kulumisenkestoon: hienontamalla raerakennetta ja muokkaamalla siitä mahdollisimman tasa-aksiaalinen saatiin paras kulumisenkesto abrasiivisissa olosuhteissa.

Kokeelliset karbidivapaat bainiittiset (CFB) teräkset osoittautuivat erittäin lupaaviksi kulumisominaisuuksiltaan. Hyödyntämällä matalan lämpötilan kuumamuokkausta saatiin aikaiseksi teräksiä, joiden muokkauslujittuminen oli hyvin voimakasta. Osalla CFB-koeteräksistä kovuus jäi martensiittisen verrokkiteräksen tasolle tai jopa alle, mutta niiden massahäviö kulutustesteissä oli siitä huolimatta pienempi.

Muokkauslujittumisella todettiin olevan tärkein rooli terästen kulumisominaisuuksia tarkasteltaessa. Kuluneen pinnan kovuudella ja kulumisenkestolla havaittiin olevan vahva korrelaatio. EBSD-menetelmällä tutkittiin terästen muokkautuneen pinnan ominaisuuksia ja havaittiin erittäin hienoa raerakennetta, joka oli syntynyt kulumisen aikana. Tähän muokkautuneeseen kerrokseen vaikuttavat tekijät määräävät pitkälti teräksen kulumisenkeston.

see all

Osajulkaisut / Original papers

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

  1. Comparison of impact-abrasive wear characteristics and performance of direct quenched (DQ) and direct quenched and partitioned (DQ&P) steels. Wear, 400–401, 21–30. https://doi.org/10.1016/j.wear.2017.12.016

  2. Haiko, O., Valtonen, K., Kaijalainen, A., Uusikallio, S., Hannula, J., Liimatainen, T., & Kömi, J. (2019). Effect of tempering on the impact-abrasive and abrasive wear resistance of ultra-high strength steels. Wear, 440–441, 203098. https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.203098

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  3. Haiko, O., Javaheri, V., Valtonen, K., Kaijalainen, A., Hannula, J. & Kömi, J. (2020). Effect of prior austenite grain size on the abrasive wear resistance of ultra-high strength martensitic steels. Wear, 454–455, 203336. https://doi.org/10.1016/j.wear.2020.203336

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  4. Haiko, O., Kaikkonen, P., Somani, M., Valtonen, K., & Kömi, J. (2020). Characteristics of carbide-free medium-carbon bainitic steels in high-stress abrasive wear conditions. Wear, 456–457, 203386. https://doi.org/10.1016/j.wear.2020.203386

    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: 978-952-62-3012-2
ISBN Print: 978-952-62-3011-5
Issue: 793
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 216 Materials engineering
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2021. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.