Martensitic Transformation in High Carbon Steels - Martensite Tetragonality and Impact of Cooling Rate

Abstract

Sätthärdad kugghjul är en viktig del av vår vardag för kraftöverföring i fordon. Den ökande användningen av lågtrycksuppkolning (LPC) för sätthärdning i kombination med högtrycksgassläckning (HPGQ) för kylning öppnar nya möjligheter vid design av värmebehandlingar för att uppnå förbättrad utmattningsprestanda. Användningen av lägre kylningshastigheter genom det martensitiska omvandlingsområdet, gällande för det sätthärdade ytskiktet på kugghjul, har visat sig resultera i betydande förbättringar av utmattningsprestanda på upp till 20 %. Målet med detta arbete är att förstå den underliggande mekanismen för denna förbättring. Arbetet är uppdelat i undersökningar av den martensitiska omvandlingen i Fe-C stål med en homogen kolhalt och i industriell skala av utmattningsprestanda hos LPC och HPGQ sätthärdade kugghjul.

Effekten av tre kylningshastigheter, 15, 5 och 0,5 ºC/s, och martensitens starttemperatur (Ms) på utvecklingen av tetragonalitet hos martensit och fraktion av martensit under kylning studeras med in-situ högenergiröntgendiffraktion (HEXRD) och elektron backscatter diffraktion (EBSD). Två högkolhaltiga stål, 0,54 wt% C och 0,74 wt% C, har studerats för att bättre förstå omvandlingen i olika delar av det sätthärdade skiktet. Martensitens tetragonalitet uppvisar en heterogen fördelning i alla prover med en lägre tetragonalitet för lägre kylninghastighet och högre Ms temperatur, vilket indikerar att självanlöpning inträffar under kylning.

Korrelationen mella tetragonaliteten hos martensit bestämd med EBSD och kolhalten i atomsondstomografi (APT) undersöks för stålet med 0,74 wt% C för att klargöra om eventuell självanlöpning skett under kylning. En ny metod används för valet av var i mikrostrukturen APT-spetsarna ska tas ut baserat på EBSD-kartor som visar hur martensitens tetragonalitet varierar i mikrostrukturen mellan låga och höga värden. Den genomsnittliga kolhalten i bulken i regioner med både låg och hög tetragonalitet överensstämmer med den nominella sammansättningen, men det finns tydliga skillnader i fördelningen av kol. Regionerna med låg tetragonalitet har en mer utpräglad heterogen fördelning av kol med homogent fördelade volymer anrikade eller utarmade på kol, medan regioner med hög tetragonalitet visar en mer homogen fördelning med några få långsträckta volymer med tydlig agglomerering av kol. Resultaten visar en klar korrelation mellan den lokala tetragonaliteten hos martensiten och den lokala kolfördelningen, vilket visar självanlöpning sker under kylning.

Undersökningen i industriell skala av två stålsorter, 20MnCr5 och 17NiCrMo6-4, uppvisade också den positiva effekten av lägre kylningshastighet under HPGQ på utmattningsprestandan. Ythårdhet, sätthärdningsdjup och variantpar i martensit kan uteslutas som förklaringar för utmattningsförbättringen baserat på karakteriseringsresultaten och endast små skillnader observeras för kärnhårdheten, bibehållen austenithalt och storleksfördelningen av martensitenheter. Restspänningsprofilen ger inte heller någon konsekvent förklaring till förbättringen eftersom en tydlig förändring endast observeras för 20MnCr5, medan 17NiCrMo6-4 inte visar någon förändring. Den möjliga effekten av olika grader av självanlöpning för långsam och snabb kylning på kinetiken för utskiljning av karbider som skulle kunna resultera i en förbättring av utmattningsegenskaperna diskuteras utifrån resultaten från Fe-C stål och litteraturen.

Slutligen studeras de tidiga stadierna av den martenstitiska omvandlingen i 0,74 wt% C-proverna för att undersöka en två stegsprocess i omvandlingkinetiken som observerats. En isoterm värmebehandling i slutet av det första steget något under Ms temperature utför för att uppnå en blandad mikrostruktur bestående av anlöpta martensit bildad före det isotermiska hållningen och färsk martensit bildad efter. De anlöpt martensitenheterna bestäms utifrån deras tetragonalitet i EBSD och en god överensstämmelse med konventionella ljusoptiskt mikroskopi (LOM) observeras. Användningen av EBSD öppnar nya möjligheter för djupgående statistisk

analys. De tidigt bildade martensitenheterna växer främst längs tidigare austenitkorngränser (PAGB) och de stora martensitenheterna bildas huvudsakligen under det första omvandlingssteget och uppvisar en tydlig kristallografisk karaktär av linsmartensit.

Sammantaget studerar denna avhandling den martensitiska omvandlingen i stål med hög kolhalt med fokus på martensitens tetragonalitet och påverkan av kylningshastigheten under HPGQ. Tydlig påverkan av kylningshastigheten på tetragonaliteten och utmattningsprestandan observeras. Dessutom presenteras nya experimentella tillvägagångssätt för att korrelera den lokala tetragonalitet och kolhalt samt för bestämning av anlöpt martensit i en blandad mikrostruktur.

Nyckelord: Högkolstål, Martensitisk omvandling, Tetragonalitet, Utmattningsprestanda

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-321432