Abstract

Over the last ten years, global demand for high-strength steels has grown significantly. Stricter environmental criteria and more demanding applications have accelerated the development of high-strength steels and improved the properties of these steels. The chemical composition, as well as the microalloying, of direct quenched steels, together with the manufacturing process, substantially affect the properties of the resulting steel. The use of various more special alloying elements has become more common, especially in steels made for the most demanding applications. Used correctly, these alloying elements can clearly improve the mechanical properties of steel.

The aim of the dissertation was to study the effects of certain alloying elements on the microstructure and mechanical properties of direct quenched ultra-high-strength steels, and to optimize their use for maximum benefit. The compositions of the steels in the study were based on existing commercial steel grades and therefore, the achieved results can be used in the development of new steel grades.

The results of the dissertation showed that phase transformations in steel can be influenced by microalloying, and especially the use of molybdenum can strongly promote the formation of lower temperature phases such as bainite and martensite. With molybdenum alloying, together with the correct process parameters, it is possible to obtain excellent mechanical properties in direct quenched steel. The results also showed that molybdenum increased tempering resistance without actual precipitation strengthening. The greatest advantage of niobium alloying with direct quenched steels was seen to be in slowing down the recrystallization process, which led to the formation of a finer martensite structure, increasing the strength as well as improving the toughness. The effect of niobium was also significant in tempering resistance, where the strong precipitation strengthening clearly increased the yield strength compared to steels without niobium alloying. Also the boron-free variant of Nb alloyed steel showed significantly improved impact toughness compared to B-alloyed variant, which was a result of finer and more homogeneous martensitic microstructure.

Tiivistelmä

Viimeisen kymmenen vuoden aikana lujien terästen kysyntä on kasvanut maailmalla merkittävästi. Tiukentuneet ympäristökriteerit sekä yhä vaativammat käyttökohteet ovat nopeuttaneet lujien terästen kehitystyötä sekä parantaneet näiden terästen ominaisuuksia. Suorasammutettujen terästen kemiallinen koostumus sekä käytettävät mikroseosaineet yhdessä valmistuspraktiikan kanssa vaikuttavat olennaisesti syntyvän teräksen ominaisuuksiin. Erilaisten seosaineiden käyttö on lisääntynyt varsinkin vaativimpien käyttökohteiden teräksissä. Näillä seosaineilla voidaan oikein käytettynä parantaa selvästi teräksen mekaanisia ominaisuuksia.

Väitöstyön tavoitteena oli tutkia tiettyjen seosaineiden vaikutusta ultralujien terästen mikrorakenteeseen ja mekaanisiin ominaisuuksiin, sekä optimoida niiden käyttö maksimaalisen hyödyn aikaansaamiseksi. Tutkittavien terästen koostumukset pohjautuivat jo olemassa oleviin kaupallisiin teräksiin, joten saatuja tuloksia on mahdollista hyödyntää uusien teräslajien kehityksessä.

Väitöstyön tulokset osoittivat, että mikroseostuksessa voidaan vaikuttaa teräksen faasimuutoksiin ja etenkin molybdeenin käytöllä voidaan voimakkaasti edesauttaa alempien lämpötilojen faasien, kuten bainiitin ja martensiitin muodostumista. Molybdeeniseostuksella, yhdessä oikeiden prosessiparametrien kanssa, on mahdollista saada erinomaiset mekaaniset ominaisuudet suorasammutetulle teräkselle. Tulosten perusteella nähtiin myös, että molybdeeni lisäsi päästönkestävyyttä ilman suoranaista erkautuslujittamista. Niobiseostuksen suurin etu suorasammutetuilla teräksillä nähtiin olevan rekristallisaatioprosessin hidastamisessa, mikä johti hienomman martensiittirakenteen syntyyn nostaen lujuutta sekä parantaen sitkeyttä. Niobin vaikutus oli merkittävä myös päästönkestävyydessä, missä voimakas erkautuslujittaminen nosti myötölujuutta selvästi verrattaessa ilman niobia olleisiin teräksiin. Boorivapaa niobiseostettu teräs omasi erittäin hyvät iskusitkeysominaisuudet johtuen teräksen hienommasta ja tasaisemmasta raerakenteesta verrattuna vastaavaan booriseostettuun teräkseen.

Osajulkaisut / Original papers

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

1. Hannula, J., Kömi, J., Porter, D. A., Somani, M. C., Kaijalainen, A., Suikkanen, P., Yang, J.-R., & Tsai, S.-P. (2017). Effect of boron on the strength and toughness of direct-quenched low-carbon niobium bearing ultra-high-strength martensitic steel. Metallurgical and Materials Transactions A, 48(11), 5344–5356. https://doi.org/10.1007/s11661-017-4295-3

2. Hannula, J., Porter, D. A., Kaijalainen, A., & Kömi, J. (2019). Evaluation of mechanical properties and microstructures of molybdenum and niobium microalloyed thermomechanically rolled high-strength press hardening steel. JOM, 71(7), 2405–2412. https://doi.org/10.1007/s11837-019-03478-9

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Hannula, J., Porter, D., Kaijalainen, A., Somani, M., & Kömi, J. (2019). Mechanical properties of direct-quenched ultra-high-strength steel alloyed with molybdenum and niobium. Metals, 9(3), 350. https://doi.org/10.3390/met9030350

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Hannula, J., Porter, D., Kaijalainen, A., Somani, M., & Kömi, J. (2020). Optimization of niobium content in direct quenched high-strength steels. Metals, 10(6), 807. https://doi.org/10.3390/met10060807

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

5. Hannula, J., Kaijalainen, A., Porter, D. A., Somani, M. C., & Kömi, J. (2021). Evaluation of mechanical properties and microstructures of direct‐quenched and direct‐quenched and tempered microalloyed ultrahigh‐strength steels. Steel Research International, 92(3), 2000451. https://doi.org/10.1002/srin.202000451

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version