Abstract

Nanostructured bainite is recognized as a novel structure engineered through innovative processing thus enabling tensile strength as high as 2000 MPa in medium carbon steels. Low martensite start (M_S) temperature of a typical high-carbon steel enables bainitic transformation at relatively lower temperatures, thus facilitating the formation of fine bainite platelets at the nanometre level.

In this study, the target was to understand the physical metallurgy principles governing the operating structural mechanisms leading to the desired ultrafine/nanostructured bainitic microstructures and mechanical properties in medium carbon steels. The results suggest that ausforming applied above M_S not only accelerated the bainite transformation kinetics but also initiated a strain-induced transformation of austenite into bainite/martensite. Ausforming below M_S, however, hindered the onset of bainite transformation but subsequent transformation rates were faster, suggesting strain-induced acceleration of transformation kinetics. The influence of strain-induced phase transformation on flow stress was obvious at slow strain rates 0.01–0.5 s^-1, particularly at temperatures below 400 °C. Ausforming led to significant refinement and uniformity of the bainitic plates with a concomitant increase in Vickers hardness.

Low-temperature ausforming and subsequent isothermal holding and cooling schedules resulted in the decomposition of austenite into bainite of different morphologies. This was alongside the formation of small fractions of high-carbon martensite during cooling, together with the retention of desired fractions of finely divided, carbon-enriched austenite of various morphologies. A novel, multiphase bainite-martensite-austenite microstructure, achieved via low-temperature ausforming and subsequent air-cooling, was beneficial in terms of mechanical properties. The bainitic plates could be refined as fine as 20–50 nm, though with the presence of coalesced plates as wide as 2000 nm. The current research paves a preliminary way for developing medium-carbon nanostructured bainitic steels with outstanding mechanical properties achieved via innovative modification of processing routes, including low-temperature ausforming.

Tiivistelmä

Nanobainiitti tunnetaan matalan lämpötilan isotermisen pidon tuloksena saatavana uudenlaisena mikrorakenteena, joka mahdollistaa jopa 2000 MPa murtolujuuden keskihiilisissä teräksissä. Korkea hiilipitoisuus laskee martensiitin muodostumislämpötilaa, mikä mahdollistaa matalan bainiitin muodostumislämpötilan (M_S), joka puolestaan johtaa hienojen, jopa nanometriluokan bainiittisäleiden muodostumiseen.

Tämän tutkimuksen tavoitteena on ymmärtää fysikaalisen metallurgian mekanismeja, jotka johtavat toivottuun nanobainiittiseen mikrorakenteeseen ja mekaanisiin ominaisuuksiin. Tulokset osoittavat, että vaikka teräksen ausforming-käsittely M_S-lämpötilan alapuolella viivästytti bainiitin muodostumisen alkamista, se kuitenkin kiihdytti bainiitin muodostumisnopeutta, ja sai myös aikaan venymän aiheuttaman faasimuutoksen austeniitista bainiitiksi tai martensiitiksi. Venymän aiheuttama faasimuutos voitiin nähdä muodonmuutoslujuuden huomattavana nousuna erityisesti hitailla muokkausnopeuksilla 0.01–0.5 s^-1 matalissa, alle 400 °C lämpötiloissa. Ausformingin nähtiin pienentävän ja yhdenmukaistavan bainiittisäleitä, sekä nostavan terästen Vickers-kovuutta.

Matalan lämpötilan ausforming, senjälkeinen isoterminen pito ja jäähdytys huoneenlämpötilaan saivat austeniitin hajaantumaan erimuotoisiin bainiitteihin ja martensiittiin, joskin pieni osa austeniitista säilyi rakenteessa jäännösausteniittina. Uudenlainen, matalan lämpötilan ausformingilla ja sopivilla pidolla ja jäähdytyksellä saavutettu bainiitti-martensiitti-austeniitti-rakenne oli mekaanisten ominaisuuksiensa puolesta edullinen mikrorakenne, jossa hienoimmat bainiittisäleet olivat jopa vain 20–50 nanometrin levyisiä. Karkeimmat, yhteenkasvaneet säleet olivat kuitenkin jopa 2000 nanometrin levyisiä. Tämä tutkimus antaa suuntaa erinomaiset mekaaniset ominaisuudet mahdollistavien nanobainiittisten keskihiilisten terästen kehittämiselle innovatiivisten prosessointiratkaisujen kautta.

Osajulkaisut / Original papers

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

1. Kaikkonen, P. M., Somani, M. C., Karjalainen, L. P., & Kömi, J. I. (2021). Flow stress behaviour and static recrystallization characteristics of hot deformed austenite in microalloyed medium-carbon bainitic steels. Metals, 11(1), 138. https://doi.org/10.3390/met11010138

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Kaikkonen, P. M., Somani, M. C., Miettunen, I. H., Porter, D. A., Pallaspuro, S. T., & Kömi, J. I. (2020). Constitutive flow behaviour of austenite at low temperatures and its influence on bainite transformation characteristics of ausformed medium-carbon steel. Materials Science and Engineering: A, 775, 138980. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.138980

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Kaikkonen, P., Ghosh, S., Somani, M., & Kömi, J. (2023). Nanostructured bainite transformation characteristics in medium-carbon steel subjected to ausforming and isothermal holding below martensite start temperature. Journal of Materials Research and Technology, 23, 466–490. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.01.002

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Kaikkonen, P., Somani, M. C., Pohjonen, A., Javaheri, V., & Kömi, J. (2023). Evaluation of a processing route and microstructural characteristics for the development of ultrafine bainite in low-temperature ausformed medium-carbon steels. Journal of Materials Engineering and Performance, 32(17), 7846–7857. https://doi.org/10.1007/s11665-022-07686-4

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version