Publication: Microstructural design in martensitic stainless steels via quenching and partitioning to improve their mechanical properties
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Publication date
2023-12
Defense date
2024-06-25
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Abstract
Quenching and partitioning (Q&P) treatment has been proven effective in manufacturing advanced high strength steels with high content of retained austenite, showing the improved balance of high strength and sufficient ductility. This method has been very well elaborated for carbon steel processing over the last two decades. Though it can also be potentially applied for processing other steel families, this has been scarcely studied. Recent research, albeit limited, has shown the viability of Q&P treatment for processing martensitic stainless steels showing an improved balance of high strength and sufficient ductility. However, their application-related properties have never been investigated.
This thesis focuses on the effect of chemistry and heat treatment parameters on the microstructure and properties of Q&P-treated martensitic stainless steels. Three different martensitic stainless steels with different contents of alloying elements are subjected to Q&P processing with varying Q&P parameters. It is demonstrated that the Q&P-treated martensitic stainless steels can show a favorable combination of enhanced strength and sufficient tensile ductility. Their uniform elongation increases with the increasing volume fraction of retained austenite, attributed to the transformation induced plasticity (TRIP) effect. The alloy-process-microstructure-property relationship is discussed.
High-cycle fatigue performance and formability of the Q&P-treated martensitic stainless steels is explored. The results reveal satisfactory high-cycle fatigue performance, surpassing that of their traditional counterparts. Fatigue cracks predominantly form and propagate along martensite packet and block boundaries, while prior austenite grain boundaries, MnS inclusions and nanocarbides have minimal influence on fatigue crack formation and growth.
To assess the mechanical behavior of the Q&P-treated martensitic stainless steels during cold forming, a computational approach is developed. The Johnson‐Cook (J‐C) constitutive model and Forming Limit Diagram (FLD) are derived and validated for each alloy using experimental data from tensile and Nakajima tests. From the simulated FLD, a theoretical Forming Limit Stress Diagram (FLSD) is calculated. The latter is used as a fracture criterion for the cold‐forming process. Cold stamping simulations of two automotive parts, the B‐pillar and tunnel, are conducted using the J‐C constitutive model and the FLSD. The study demonstrates successful cold forming of the tunnel using all three studied steels. In contrast, extensive cracking is expected during the cold forming of the B‐pillar for all materials.
The life cycle cost analysis reveals that initial materials acquisition costs dominate total material costs, followed by final heat treatments, casting, and hot rolling. Q&P-treated grades are more cost-effective than traditional austenitic stainless steel, as the latter is comparatively expensive due to its high nickel content. The Q&P process demonstrates low energy intensity and cost, indicating minimal impact on overall manufacturing energy and material costs upon implementation. While the Q&P process has no direct effect on carbon emissions, its adoption may indirectly reduce manufacturing-related emissions by utilizing lower nickel content materials compared to standard austenitic stainless steels.
El tratamiento térmico de “temple y particionado” ha demostrado su eficacia en la fabricación de aceros avanzados de alta resistencia con alto contenido en austenita retenida, logrando un equilibrio mejorado entre alta resistencia y suficiente ductilidad. Aunque ampliamente estudiado en las dos últimas décadas para aceros al carbono, su aplicabilidad a otras familias de aceros apenas ha sido investigada. Estudios recientes confirman la viabilidad de aplicar este tratamiento a aceros inoxidables martensíticos, alcanzando este equilibrio mejorado entre resistencia y ductilidad. Sin embargo, las propiedades industriales aún han de ser investigadas. Esta tesis se centra en el impacto de la composición química y los parámetros del tratamiento térmico sobre la microestructura y las propiedades de los aceros inoxidables martensíticos tratados con temple y particionado. Tres aceros inoxidables martensíticos con diferentes contenidos en sus elementos de aleación fueron tratados mediante temple y particionado, variando sus parámetros de tratamiento. Se demuestra que estos aceros inoxidables martensíticos tratados con temple y particionado alcanzan una resistencia mejorada manteniendo suficiente ductilidad. Su elongación uniforme aumenta con la fracción volumétrica de austenita retenida atribuida al efecto de la transformación inducida por plasticidad (TRIP). Se examina la relación entre aleación, proceso, microestructura y propiedades. El rendimiento a fatiga de alta frecuencia y la formabilidad de los aceros inoxidables martensíticos tratados con temple y particionado son estudiados. Los resultados revelan un rendimiento satisfactorio de estos materiales a fatiga de alta frecuencia, superando a homólogos convencionales. Las grietas de fatiga se forman y propagan predominantemente a lo largo de las fronteras de paquetes y bloques de martensita, mientras que las fronteras de grano de austenita primitiva, las inclusiones MnS y los nanocarburos tienen una influencia mínima en la formación y el crecimiento de las grietas de fatiga. Se desarrolla un enfoque computacional para evaluar el comportamiento mecánico de los aceros inoxidables martensíticos tratados con temple y particionado conformados en frío. El modelo constitutivo de Johnson-Cook (JC) y el diagrama límite de conformado (FLD) se derivan y validan para cada aleación utilizando datos experimentales de tracción uniaxial y ensayos de Nakajima. Del FLD simulado, se calcula un diagrama límite de tensiones de conformado (FLSD) teórico. Este es utilizado como criterio de fractura en el proceso de conformado en frío. El estampado en frío de dos piezas automovilísticas, un pilar B y un túnel, es modelado usando el modelo constitutivo JC y el FLSD. Se demuestra que el túnel puede ser conformado en frío con éxito para las tres aleaciones estudiadas. Por otro lado, se espera un agrietamiento extenso en el conformado en frío de un pilar B para todas las aleaciones. El análisis de los costes del ciclo de vida revela que los costes iniciales de adquisición de las materias primas dominan el coste total, seguido por los tratamientos térmicos finales, la colada y el laminado en caliente. Las aleaciones tratadas por temple y particionado son más económicas que los aceros inoxidables austeníticos, siendo estos últimos más caros debido a su contenido superior de níquel. El proceso de temple y particionado muestra baja intensidad de energía y coste, resultando en un impacto mínimo en los gastos globales de materiales y energía por su implementación. Aunque el proceso de temple y particionado no tenga un efecto directo en las emisiones de carbono, su adopción puede reducir de manera indirecta las emisiones atribuidas a la fabricación al utilizar contenidos inferiores de níquel en comparación con los aceros inoxidables austeníticos estándar.
El tratamiento térmico de “temple y particionado” ha demostrado su eficacia en la fabricación de aceros avanzados de alta resistencia con alto contenido en austenita retenida, logrando un equilibrio mejorado entre alta resistencia y suficiente ductilidad. Aunque ampliamente estudiado en las dos últimas décadas para aceros al carbono, su aplicabilidad a otras familias de aceros apenas ha sido investigada. Estudios recientes confirman la viabilidad de aplicar este tratamiento a aceros inoxidables martensíticos, alcanzando este equilibrio mejorado entre resistencia y ductilidad. Sin embargo, las propiedades industriales aún han de ser investigadas. Esta tesis se centra en el impacto de la composición química y los parámetros del tratamiento térmico sobre la microestructura y las propiedades de los aceros inoxidables martensíticos tratados con temple y particionado. Tres aceros inoxidables martensíticos con diferentes contenidos en sus elementos de aleación fueron tratados mediante temple y particionado, variando sus parámetros de tratamiento. Se demuestra que estos aceros inoxidables martensíticos tratados con temple y particionado alcanzan una resistencia mejorada manteniendo suficiente ductilidad. Su elongación uniforme aumenta con la fracción volumétrica de austenita retenida atribuida al efecto de la transformación inducida por plasticidad (TRIP). Se examina la relación entre aleación, proceso, microestructura y propiedades. El rendimiento a fatiga de alta frecuencia y la formabilidad de los aceros inoxidables martensíticos tratados con temple y particionado son estudiados. Los resultados revelan un rendimiento satisfactorio de estos materiales a fatiga de alta frecuencia, superando a homólogos convencionales. Las grietas de fatiga se forman y propagan predominantemente a lo largo de las fronteras de paquetes y bloques de martensita, mientras que las fronteras de grano de austenita primitiva, las inclusiones MnS y los nanocarburos tienen una influencia mínima en la formación y el crecimiento de las grietas de fatiga. Se desarrolla un enfoque computacional para evaluar el comportamiento mecánico de los aceros inoxidables martensíticos tratados con temple y particionado conformados en frío. El modelo constitutivo de Johnson-Cook (JC) y el diagrama límite de conformado (FLD) se derivan y validan para cada aleación utilizando datos experimentales de tracción uniaxial y ensayos de Nakajima. Del FLD simulado, se calcula un diagrama límite de tensiones de conformado (FLSD) teórico. Este es utilizado como criterio de fractura en el proceso de conformado en frío. El estampado en frío de dos piezas automovilísticas, un pilar B y un túnel, es modelado usando el modelo constitutivo JC y el FLSD. Se demuestra que el túnel puede ser conformado en frío con éxito para las tres aleaciones estudiadas. Por otro lado, se espera un agrietamiento extenso en el conformado en frío de un pilar B para todas las aleaciones. El análisis de los costes del ciclo de vida revela que los costes iniciales de adquisición de las materias primas dominan el coste total, seguido por los tratamientos térmicos finales, la colada y el laminado en caliente. Las aleaciones tratadas por temple y particionado son más económicas que los aceros inoxidables austeníticos, siendo estos últimos más caros debido a su contenido superior de níquel. El proceso de temple y particionado muestra baja intensidad de energía y coste, resultando en un impacto mínimo en los gastos globales de materiales y energía por su implementación. Aunque el proceso de temple y particionado no tenga un efecto directo en las emisiones de carbono, su adopción puede reducir de manera indirecta las emisiones atribuidas a la fabricación al utilizar contenidos inferiores de níquel en comparación con los aceros inoxidables austeníticos estándar.
Description
Mención Internacional en el título de doctor
Keywords
Stainless steels, Quenching and partitioning, Tensile properties, Fatigue limit, Mechanical behavior, Forming limit stress diagram