University of Oulu

Non-metallic inclusions in steels and their effect on the toughness and ductility : ultra-high-strength steels and high strength offshore steels

Saved in:
Author: Tervo, Henri1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology, Mechanical Engineering, Materials and Mechanical Engineering (MME)
Format: ebook
Version: published version
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526235493
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2023
Publish Date: 2023-01-06
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Programme Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in Martti Ahtisaari auditorium (L2), Linnanmaa, on 13 January 2023, at 12 noon
Tutor: Professor Jukka Kömi
Professor Mahesh Somani
Doctor Antti Kaijalainen
Reviewer: Professor Claire Davis
Docent Andrey Karasev
Opponent: Professor Roman Kuziak
Professor Claire Davis
Description:

Abstract

Non-metallic inclusions and their effects on the toughness and ductility of ultra-high-strength steels (UHSS) and high strength offshore steels have been investigated in this study. In the case of UHSS, the scope covered the martensitic base material, while in the case of offshore steels, the coarse-grained heat-affected zone (CGHAZ), consisting primarily of various types of bainite, caused by the thermal cycles during the welding were mainly studied. The focus was on the degrading effect of inclusions on the toughness and ductility, but the beneficial effects of certain inclusion types through inducing the acicular ferrite (AF) formation in the CGHAZ of offshore steels were also considered.

In UHSS, it was found that small differences in impurity levels (IL), i.e. sum of S, N and O contents, had a significant impact on the inclusions. The number density of coarse inclusions increased with increasing IL from 0.7 mm-2 to 1.2 mm-2. In the steel with a lower IL, the coarse inclusions were mainly calcium aluminates with a calcium sulphide cell around them, while in the steel with a higher IL, a majority of the coarse inclusions consisted of titanium nitrides (TiN) and elongated manganese sulphides (MnS). The MnSs were found to deteriorate the transverse ductility relative to the rolling direction, while it was suggested that TiNs impaired the impact toughness at –40 °C.

In the offshore steels, CGHAZs were simulated using various cooling rates in order to produce different microstructures and to be able to compare the combined effect of inclusions and microstructures on toughness properties.

Low heat-input welding and a lack of coarse TiNs were found to be important for excellent toughness in the CGHAZ of 500 MPa offshore steels. For high heat-input welding, it might be necessary to lower the carbon content of the steel in order to achieve good toughness in the CGHAZ.

Increasing prior austenite grain size, decreasing cooling rate, and the presence of small MnOTiOx(+MnS) inclusions were found to promote the formation of AF in the CGHAZ of 420 MPa offshore steels. However, AF did not improve the impact toughness. This was concluded to be a result of coarse microstructural features and a large number of coarse inclusions that diminished the beneficial effect of AF. Additionally, the fraction of AF might not have been enough to improve the toughness of the CGHAZ.

see all

Tiivistelmä

Tässä väitöskirjassa on tutkittu epämetallisia sulkeumia ja niiden vaikutusta ultralujien terästen sekä lujien offshore-terästen sitkeysominaisuuksiin. Ultralujien terästen osalta tarkasteltavana oli perusaineen sitkeys, kun taas offshore-terästen osalta keskityttiin hitsauksesta johtuvan karkearakeisen lämpömuutosvyöhykkeen (CGHAZ) sitkeyteen. Pääpaino oli sulkeumien haitallisessa vaikutuksessa sitkeyden kannalta, mutta lisäksi käsiteltiin myös asikulaarisen ferriitin (AF) muodostumista ja sen mahdollisesti sitkeyttä parantavaa vaikutusta offshore-terästen CGHAZ:ssa tietyn tyyppisten sulkeumien avulla.

Ultralujissa teräksissä pienen eron epäpuhtauspitoisuuksissa havaittiin vaikuttavan merkittävästi sulkeumarakenteeseen. Isojen sulkeumien määrä nousi epäpuhtauspitoisuuden noustessa. Pienemmällä epäpuhtauspitoisuudella isot sulkeumat olivat enimmäkseen pyöreitä kalsiumaluminaatteja, kun taas suuremmalla epäpuhtauspitoisuudella isot sulkeumat olivat titaaninitridejä (TiN) sekä valssauksessa venyneitä mangaanisulfideja (MnS). MnS:n todettiin heikentävän teräksen sitkeyttä valssaussuuntaan nähden poikittaisessa suunnassa, kun taas TiN:n havaittiin heikentävän iskusitkeyttä –40 °C:ssa.

Offshore-terästen CGHAZ:t simuloitiin käyttäen useita jäähtymisnopeuksia. Näin saatiin tuotettua erilaisia mikrorakenteita, jolloin voitiin vertailla mikrorakenteen ja sulkeumien yhteisvaikutusta sitkeysominaisuuksiin.

500 MPa offshore-teräksissä matalan lämmöntuonnin hitsausmenetelmillä voidaan saavuttaa erinomainen CGHAZ:n isku- ja murtumissitkeys, kun teräksessä ei ole isoja titaaninitridejä. Käytettäessä korkean lämmöntuonnin hitsausmenetelmiä riittävän hyvän sitkeyden saavuttamiseen vaadittaneen teräksen hiilipitoisuuden laskemista.

Riittävän karkean perinnäisen austeniitin raekoon sekä pienien MnO-TiOx(+MnS) sulkeumien havaittiin edesauttavan AF:n muodostumista 420 MPa offshore-terästen CGHAZ:ssa. Lisäksi AF:n osuus mikrorakenteessa kasvoi jäähtymisnopeuden laskiessa. Toisin kuin oletettiin, AF ei parantanutkaan CGHAZ:n iskusitkeyttä. Tämän todettiin johtuvan mikrorakenteellisten tekijöiden karkeudesta sekä sitkeydelle haitallisten sulkeumien suuresta määrästä, jotka heikensivät sitkeyttä enemmän kuin AF paransi sitä. Lisäksi saavutettu AF:n osuus mikrorakenteessa ei välttämättä ollut tarpeeksi korkea, jotta sillä olisi CGHAZ:n sitkeyttä parantavaa vaikutusta.

see all

Osajulkaisut / Original papers

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

  1. Tervo, H., Kaijalainen, A., Pikkarainen, T., Mehtonen, S., & Porter, D. (2017). Effect of impurity level and inclusions on the ductility and toughness of an ultra-high-strength steel. Materials Science and Engineering: A, 697, 184–193. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.05.013

  2. Tervo, H., Kaijalainen, A., Pallaspuro, S., Anttila, S., Mehtonen, S., Porter, D., & Kömi, J. (2020). Low-temperature toughness properties of 500 MPa offshore steels and their simulated coarse-grained heat-affected zones. Materials Science and Engineering: A, 773, 138719. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138719

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  3. Tervo, H., Kaijalainen, A., Javaheri, V., Kolli, S., Alatarvas, T., Anttila, S., & Kömi, J. (2020). Characterization of coarse-grained heat-affected zones in Al and Ti-deoxidized offshore steels. Metals, 10(8), 1096. https://doi.org/10.3390/met10081096

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  4. Tervo, H., Kaijalainen, A., Javaheri, V., Ali, M., Alatarvas, T., Mehtonen, M., Anttila, S., & Kömi, J. (2021). Comparison of impact toughness in simulated coarse-grained heat-affected zone of Al-deoxidized and Ti-deoxidized offshore steels. Metals, 11(11), 1783. https://doi.org/10.3390/met11111783

    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: 978-952-62-3549-3
ISBN Print: 978-952-62-3548-6
Issue: 864
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 216 Materials engineering
Subjects:
Funding: The research work for this dissertation started already in 2014 at the erstwhile Materials Engineering research group at the University of Oulu, as a part of the Finnish Metals and Engineering Competence Cluster (FIMECC Ltd.), later Digital, Internet, Materials & Engineering Co-Creation (DIMECC Ltd.) research program System Integrated Metals Processing (SIMP, 2014-2017) funded by Business Finland. In the following years, the research work has been linked to other Business Finland funded projects such as Flexible and adaptive operations in metal production (FLEX, 2017-2019) and Intelligent Steel Applications (ISA, 2019-2022). Additional funding has been received from the Riitta and Jorma Takanen foundation (2017), the Tauno Tönning foundation (2019) and the Jenny and Antti Wihuri foundation (2019 and 2020). The University of Oulu Graduate School (UniOGS) also funded a conference journey related to this research work in 2018. The six months research visit to the University of Miskolc, Hungary in 2017 was funded by the European Union’s Erasmus scholarship.