Strength,damage and failure of iron-carbon alloys subiected to cyclic plasticity

Abstract

The cyclic deformation behaviour, fracture mechanisms and damage accumulation in pure iron and mild steel have been studied in strain control at various temperatures and deformation rates. Explanations are offered for the effects of prior cold working, cyclic deformation rate and temperature, including combinations of these parameters, on the cyclic stress response, dislocation substructure, surface damage and fatigue fracture.

It has been found that steady state cyclic deformation may be achieved by a critical amount of prior monotonic strain and the equivalence of monotonic and cyclic hardening processes is considered and supporting microstructural work is provided.

The influence of cyclic deformation rate on the material behaviour is considered. At room temperature the stress response increases with increasing deformation rate and it is shown that the effective stress component is lower than the equivalent value for monotonic deformation, however, the dislocation velocity exponent is independent of the deformation mode. The substructure is also considered. As the temperature is increased to 370°C changes in the internal stress component occur due to an increase in the rate of dislocation multiplication under dynamic strain aging conditions which enhance inhomogeneous deformation. At higher temperatures, the internal stress component decreases to accelerate thermal recovery.

Studies carried out on pure iron have shown that the fatigue life and the fracture mechanism are influenced by the homogeneity of plastic deformation. The dependence of fatigue life on the degree of dynamic strain aging is shown to be a single valued function of a dynamic strain aging probability element which is discussed. Under such conditions, restricted plasticity retards blunting of the propagating cracks, resulting in a high crack growth rate and a correspondingly decreased life.

On carrying out static strain aging at 125° and 250°C prior to strain cycling, it is observed that the stress response increases with the degree of aging, however, this does not influence the amount of cyclic softening which takes place. As opposed to the effect of dynamic strain aging, it is shown that the fatigue life increases with static strain aging.

Résumé

Les auteurs ont étudié le comportement en déformation cyclique, les mécanismes de rupture et l'accumulation des dommages dans du fer pur et de l'acier doux à différentes températures et taux de déformation. Les expériences ont été conduites en contrôlant la déformation. Ils proposent des explications pour l'influence de l'écrouissage préalable, du taux de déformation cyclique et de la température, ainsi que pour l'effet combiné de ces paramètres, sur la contrainte cyclique, la sous-structure des dislocations, les dégats de surface et la rupture lors de la fatigue.

Ils ont trouvé qu'un état stationnaire de déformation cyclique peut être atteint par une valeur critique de la déformation monotone antérieure. Ils ont étudié l'équivalence éntré les mécanismes de consolidation cyclique et monotone et ils apportent des preuves expérimentales par une analyse de la microstructure.

Ils ont aussi étudié l'influence du taux de déformation cyclique sur le comportement de ces matériaux. A la température ambiante, la contrainte cyclique augmente avec le taux de déformation. Ils montrent que la composante effective de la contrainte est plus basse en déformation cyclique que celle pour des déformations monotones. Cependant l'exposant de l'expression d.e la vitesse des dislocations en fonction de la contrainte est indépendant du mode de déformation. Ils ont aussi étudié la sous-structure. Lorsque la température augmente à 370°C, des changements dans la composante de la contrainte interne ont lieu. La cause en est une augmentation de la vitesse de multiplication des dislocations lorsqu'il y a vieillissement dynamique après écrouissage, ce qui favorise les déformations inhomogènes. A plus hautes températures, la composante de la contrainte interne diminue ce qui accélère la restauration.

Ils montrent que le temps de vie et les mécanismes de rupture dans le fer pur sont influencés par l'homogénéité de la déformation plastique. L'influence du degré de vieillissement dynamique après écrouissage sur le temps de vie en fatigue se caractérise par une fonction monotone de la probabilité de vieillissement dynamique après écrouissage, que les auteurs discutent. Dans de telles conditions, la plasticité roouite rétarde l'émoussement des fissures se propageant, ce qui entraïne une vitesse élevée de propagation ayant pour conséquence une diminution du temps de vie.

Des essais de vieillissement statique à 125° et 250°C avant la déformation cyclique entraïnent une augmentation de la contrainte cyclique qui dépend du degré de vieillissement; cependant, ce vieillissement n'influence pas l'amplitude de l'adoucissement cyclique. A l'opposé de l'effet du vieillissement dynamique après écrouissage, le temps de vie augmente avec Ie vieillissement statiq ue après écrouissage.     

Equilibrium phase relationships during solidification of Fe-O-C-X alloys

Abstract

Analysis of the solidification process of alloys requires that the phase relationships at equilibrium be known. The problem is complex and difficult for commercial ferrous alloys because of the presence of iron, carbon, oxygen, a deoxidizer, manganese, sulphur, etc. This study develops the phase relationships in the iron-rich corner of four component systems and covers the Fe-O-C-Si and Fe-O-C-Al systems specifically. The equilibrium state is treated at 1 atm pressure. The effects of suppression of formation of CO and of segregation of elements between liquid and solid iron are then analyzed.

Résumé

L'analyse du procédé de solidification des alliages requiert que la relation des phases à l'equilibre soit connue. Le problème est complexe et difficile pour les alliages ferreux commerciaux à cause de la présence de fer, de carbone, d'oxygene, d'un désoxydant, de manganèse, de soufre, etc. L'étude présente développe la relation des phases dans la région riche en fer d'un système à quatre composants, en particulier les systèmes Fe-O-C-Si et Fe-O-C-Al. L'équilibre est traité à 1 atm. de pression. Les effets de la suppression de formation de CO et de ségrégation d'éléments entre le fer liquide et solide sont ensuite analysés.     

Design of continuous casting machines based on a heat-flow analysis: state-of-the-art review

Abstract

The design of the mould and spray sections of a continuous casting machine for steel has been examined in detail with the aid of a heat-flow mathematical model. The thermal requirements that the design must meet have been established using Experimental data obtained from commercial continuous-casting machines. For the mould, the requirement is the solidification of a sufficiently thick shell; for the sprays, the requirements are the minimization of surface reheating and the maintenance of a reasonably high solidification rate. Correlations are developed which relate the working mould length, casting speed and shell thickness at the mould exit. Design curves are also presented of spray length, spray heat transfer. coefficient and water flux distributions for two sizes of billets. The method by which the theoretical spray water flux distribution can be related to practical spray parameters — spray pressure, nozzle type and arrangement — is also discussed.

Résumé

On a étudié en detail, à l'aide d'un modèle mathématique de l' écoulement de chaleur, la conception du moule et des sections de refroidissement d'une machine de coulée continue pour l'acier. Les exigences thermiques à rencontrer ont été fixées à l'aide de données expérimentales provenant de machines industrielles. Pour Ie moule, l'exigence est la formation d'une carapace solide suffisamment épaisse alors que pour les jets l'exigence consiste en un réchauffement minimal de la surface et le maintien d'un taux de solidification assez élevé. On a développé des corrélations qui relient la longueur effective du maule, le taux de coulée, et l'epaisseur de la carapace à la sortie du moule. L'article inclut des courbes permettant d' établir la longueur de la zone des jets, leur coefficient de transmission de chaleur et les distributions de débit d'eau pour deux dimensions de billettes. Finalement, on discute de la méthode pour relier la distribution du débit théorique d'eau aux paramètres pratiques des jets (pression d'eau aux jets, type et configuration des gicleurs).     

The Effect of Certain Surfactants on the Cementation of Cobalt From Zinc Sulphate Solutions By Suspended Zinc Particles in the Presence of Copper or Antimony

Abstract

The effect of surfactants nonylphenolpolyethylene glycol with molecular weight 900 (D1), dinaphthylmethane-4,4'-disulphonic acid (D2) and polyethylene glycol with molecular weight 400 (D3) on both cobalt-zinc dust cementation kinetics and the structure of obtained deposits was investigated in the presence of copper or antimony. The reaction of cobalt cementation was found not to follow first-order kinetics due to the hydrogen evolution which takes place along with cementation reaction.Two rate regions were observed. Surfactants D1 and D3 inhibit but D2 has no effect on cobalt cementation rate. Copper increases but antimony decreases cobalt deposition. On the other hand, the presence of antimony substantially increases the inhibition effect of D1 and D3 on cobalt cementation. A higher temperature improves cobalt cementation.

D1 and D3 inhibit antimony cementation.The effect of D1 is substantially higher and contributes to a large decrease of antimony deposition by zinc dust.

The influence of copper and antimony on the structure of obtained deposits is strikingly different. The presence of copper causes the deposition of coarser products containing massive formations of lamellar crystallites. The addition of antimony contributes to the formation of compact uniform layers of deposits with a low porosity on the surface of zinc particles. Surfactants D1 and D3 decrease the crystallite size and deposit porosity and their effect is substantially larger in the presence of antimony. The lowest porosity is found in the presence of both D1 and antimony.

According to the obtained results, the concentration of antimony during the cobalt cementation by zinc dust from the solutions containing surfactants D1 and D3 must be lower than that of copper.

On a étudié l'effet d'agents de surface sur la cinétique de cémentation de la poussière de cobaltzinc et sur la structure des dépôts obtenus, en présence de cuivre ou d'antimoine. Les agents étudiés incluent le glycol nonylphénolpolyéthylénique, avec un poids moléculaire de 900 (D1), l'acide dinaphthylméthane-4,4'-disulfonique (D2) et le polyéthylène-glycol, avec un poids moléculaire de 400 (D3). On a trouvé que la réaction de cémentation du cobalt ne suivait pas une cinétique de premier ordre à cause du dégagement d'hydrogène qui se produit en même temps que la réaction de cémentation. On a observé deux régions avec différents taux. Les agents de surface D1 et D3 inhibent le taux de cémentation du cobalt, mais le D2 n'a aucun effet sur celui-ci. Le cuivre augmente la formation de cobalt mais l'antimoine la réduit. D'un autre côté, la présence d'antimoine augmente substantiellement l'effet d'inhibition du D1 et du D3 sur la cémentation du cobalt. Une température plus élevée améliore la cémentation du cobalt.

Le D1 et le D3 inhibent la cémentation de l'antimoine. L'effet du D1 est substantiellement plus élevé, contribuant à une grande diminution de la formation d'antimoine par la poussière de zinc.

L'influence du cuivre et de l'antimoine sur la structure des dépôts obtenus est remarquablement différente. La présence de cuivre entraîne la formation de produits plus grossiers contenant des structures massives de cristallites lamellaires. L'addition d'antimoine contribue à la formation de couches uniformes compactes de dépôts ayant une faible porosité à la surface des particules de zinc. Les agents de surface D1 et D3 diminuent la taille de cristallite et la porosité du dépôt et leur effet est substantiellement plus important en présence d'antimoine. La porosité la plus faible se trouve en présence simultanée du D1 et de l'antimoine.

D'après les résultats obtenus, la concentration de l'antimoine, lors de la cémentation du cobalt par la poussière de zinc à partir de solutions contenant les agents de surface D1 et D3, doit être plus faible que celle de cuivre.     

A mean stress function for fatigue crack propagation

Abstract

A stress function providing for the effect of mean stress is proposed as a con trolling parameter for fatigue crack propagation. The function is defined by the product of maximum stress and stress amplitude, which is a derivative form for the elastic case of a general stress-strain parameter (product of maximum stress and strain amplitude) recently suggested for small smooth specimens. Variable mean stress data for aluminum, titanium and steel are successfully correlated using the proposed function.

Résumé

L'auteur propose, comme paramétre contrôlant la propagation des fissures de fatigue, une fonction de la contrainte inc1uant l'effet de la contrainte moyenne. Cette fonction est le produit de la contrainte maximale et de l'amplitude de la contrainte, et est une forme dérivée du cas élastique où un paramétre général contrainte-déformation (produit de la contrainte maximale par l'amplitude de la déformation) a été récemment proposé pour de petits spécimens lisses. Les résultants expérimentaux obtenus pour l'aluminium, le titane et l'acier vérifient la fonction proposée.     

Diagnosis of froth and emulsion problems in flotation and froth extraction units

Abstract

The occurrence of emulsions and froths in flotation and SX circuits is a hydrometallurgical problem that may reoccur in many plants, resulting in down time and considerable expense. The mechanics of their occurrence is more clearly understood by microscopic study and application of surface chemistry.

Deleterious froths and emulsions may be attributed to a number of causes, the most common of which are colloidally dispersed solids (or hydrosols) that concentrate along interfaces between oil and water. The structure of an emulsion or froth may be studied microscopically to determine the internal and external phases and to identify the emulsifying agent. After establishing the cause, ways of elimination and future prevention can be suggested. Effective ways of prevention may include (1) change in pH, (2) addition of flocculating agent to remove emulsifier, (3) addition of dispersing agent to disperse emulsifying agent, (4) change in plant practice to avoid formation of surface active materials, etc.

Several case histories are described in which early diagnosis of the problem by microscopic examination served to avoid down time, to improve recoveries and to increase the quality and grade of final product.

Résumé

L'apparition d'émulsions et de mousses dans les procédés de flottation et les circuits d'extraction par solvant est un problème d'hydrometallurgie qui peut réapparaître dans de nombreuses usines, et qui résulte en perte de temps et en dépenses considérables. Le mécanisme de ces phénomenes est mieux compris par l'étude microscopique et l'application des principes de la chimie des surfaces.

Des mousses et émulsions pernicieuses peuvent être attribuées à de nombreuses causes, dont les plus communes sont des dispersions solides colloidales (ou hydrosols) qui se concentrent le long d'interfaces entre l'huile et l'eau. La structure d'une émulsion ou d'une mousse peu t être étudiée au microscope afin de déterminer les phases internes et externes et d'identifier l'agent émulsifiant. Après avoir établi la cause, des moyens d'élimination et de prévention futures peuvent être suggeres. Des moyens effectifs peuvent inclure (1) changement de pH, (2)addition d'agents floculants pour enlever l'emulsifiant, (3) l'addition d'agents dispersifs de l'émulsion, (4) des changements dans la pratique pour eviter la formation de matériaux à action superficielle.

Plusieurs histoires de cas sont décrites dans lesquelles un diagnostic microscopique du phénomène a pu servir à éviter des pertes de temps, améliorer la récupération et améliorer la qualité du produit final.     

The Petch relation and grain boundary hardening

Abstract

The effect of the grain size and solute content on the microhardness of iron-tin alloys has been investigated. It was found that the values of the Petch slope as derived from the hardness dependence on grain size, shows an unusual dependence on tin content. A good correlation between the Petch slope and grain boundary hardening was observed; both increased with tin additions. The results are rationalized in terms of Li's model of dislocation generation from grain boundary ledges and also Hart's grain boundary phase transformation model.

Résumé

L'auteur a étudié les effets de la taille du grain et de la concentration en soluté sur la microdureté d'alliages fer-étain. Les valeurs de la pente de Petch, telles que déduites de l'influence de la taille du grain sur la dureté, révèlent une variation inhabituelle en fonction de la concentration en étain. Une corrélation acceptable entre la pente de Petch et le durcissement des joints de grains est observée, les deux augmentant avec l'addition d'étain. Ces résultats sont interprétés selon le modèle de Li, qui suppose l'émission de dislocations à partir des marches des joints de grains, et aussi selon le modèle de Hart, qui fait appel à une transformation de phase du joint de grain.     

The chlorination of lead + bismuth melts

Abstract

An electrochemical kinetic model is described from which the rate of formation of lead chloride from a melt of lead and bismuth and bubbles of gaseous chlorine is calculated. The basic assumption of the model. is that the reaction rate is controlled by the electronic conductivity of the salt phase. Two periods of bubble history are recognized: (i) an inflation period and (ii) a rise period. The electrochemical rate equation and the mass balance equation are evaluated using published data for the ionic and electronic conductivity of the salt phase and information on bubble hydrodynamics. The calculated rates of formation of lead chloride and chlorine utilization are in broad agreement with laboratory-scale measurements. Agreement between the rate of chlorination as calculated from the model and as determined from industrial-scale studies is less good, probably due to uncertainties in the hydrodynamics of the relatively large bubbles involved.

Résumé

Un modèle électrochimique est proposé à partir duquel on peut calculer le taux de formation du chlorure de plomb en faisant barboter du chlore gazeux dans une solution liquide de Pb-Bi. L'hypothèse de base du modele repose sur le fait que le taux de la réaction serait contrôlé par la conductivité electronique du sel fondue Deux étapes sont à distinguer dans la vie des bulles de chlore: (1) une période d'insufflation et (2) une période de montée. L' équation du taux de reaction et l' équation de conservation de masse sont résolues en utilisant les données disponibles de par ailleurs sur la conductivité ionique et électronique du sel fondu, et sur le comportement hydrodynamique des bulles. Le taux de formation du chlorure de plomb et la consommation de chlore calculés àpartir du modèle, concordent en gros avec les valeurs correspondantes mesurées expérimentalement. La correspondance imparfaite entre les mesures à l' échelle industrielle et les taux calculés provient probablement de l'effet hydrodynamique incertain des plus grosses bulles de chlore.     

Chemical Oxidation Methods for the Treatment of Thiosalt-Containing Mill Effluents

Abstract

The delayed acid generating capacity of milling effluents is caused by the presence of incompletely oxidized sulphur oxyanions, collectively called thiosalts. Wet chemical oxidation processes are among the most reliable and cost effective options available for the treatment of these effluents. Experimental data are presented for the oxidation of thiosalts using hydrogen peroxide, sodium hypochlorite and ozone. Examination of the oxidation reactions under ambient and well-defined conditions provides a better understanding of the fundamental chemistry of thiosalts. As a result, the technical and economic viability of various conceptual process flowsheets can be assessed, and future areas of research can be identified.

Résumé

La capacité des effluents de traitement de produire à retardement des acides est causée par la présence d'oxyanions de soufre dont l'oxydation est incomplète et que l'on appelle collectivement thiosels. Les procédés d'oxydation chimique par voie humide sont parmi les options disponibles les plus fiables et rentables pour le traitement de ces effluents. Dans ce rapport, on présente les donnees expérimentales du procédé d'oxydation des thiosels effectué à l'aide du peroxyde d'hydrogène, de l'hypochlorite de sodium et d'ozone. L'étude des réactions d'oxydation à température ambiante et dans des conditions bien définies fournit une meilleure compréhension de la chimie fondamentale des thiosels. En conséquence, on peut évaluer la viabilité technique et économique de nombreux organigrammes conceptuels d'analyse et identifier les domaines des travaux de recherche futurs.     

A Simple Etching Technique That Reveals Dislocations and Copper Segregation in Aluminum

Abstract

The characteristic features of wrought-zinc alloys are briefly reviewed, with particular reference to their applications as architectural and structural materials. The progress made towards improving the creep resistance of previously used zinc alloys is emphasized, and also the problem of ductile-brittle transition behaviour. Some of the recent developments aimed at improving further the properties and commercial merit of wrought-zinc alloys through new alloy systems and fabrication processes are discussed briefly.

Résumé

L'auteur fait une rétrospective des caractéristiques des alliages ouvrés de zinc, en insistant sur les usages où on fait appel à leurs propriétés de matériaux d'architecture et de structure. L'amélioration de la résistance au fluage d'alliages de zinc déjà en usage et Ie problàme du comportement lors de la transition ductilité-fragilité sont soulignés. L'auteur commente brièvement quellques- uns des résultats des recherches ayant pour but une amélioration des propriétés et des avantages commerciaux des alliages ouvrés de zinc grâce à l'élaboration de nouveaux alliages et a de nouveaux procédés de fabrication.     

Some Observations on the Pitting Corrosion of Type 302 Stainless Steel in Dilute Oxygenated Halide Solutions

Abstract

Some of the less frequently considered factors that may affect the pitting corrosion of stainless steel are critically reviewed, including the epitaxial relationship between oxide and substrate (assuming that the corrosion resistance of stainless steel is due to a protective surface oxide film), the size of the halide ion, the effect of applied stress and the growth mechanism of the oxide. Some experimental results are presented on the corrosion of Type 302 stainless steel in oxygenated potassium halide solutions at 90°C. It is demonstrated that the progress of pitting may readily be followed by means of potential-time plots, and that pitting is more severe in chloride than in bromide solutions under the experimental conditions used. The frequency of pit initiation, and the rate of attack after corrosion has begun, depend upon solution concentration. Pitting attack appears to require the prior formation of a protective surface film; air-oxidized surfaces behave identically to those oxidized in aqueous solution.

Résumé

On passe en revue avec commentaires quelques uns des facteurs les moins souvent considérés, pouvant affecter la corrosion en piquage de l'acier inoxydable, y compris la relation epitaxiale entre l'oxyde et le substratum (en supposant que la résistance à la cortosion de l'acier inoxydable est due à un film d'oxyde superficiellement protecteur), la dimension de l'ion d'halogenure, l'effet, de la contrainte appliquee, et le mécanisme de croissance de l'oxyde. Quelques résultats expérimentaux sont presentés sur la corrosion de l'acier inoxydable du type 302 dans des solutions d'halogénure de potassium oxygéné à 90°C. On démontre qu'on peut suivre facilement le progrès du piquage au moyen de graphiques potentieltemps, et que le piquage est plus grave dans des solutions de chlorure que dans celles de bromure dans les conditions expérimentales utilisées. La fréquence du début de piqûe, et la vitesse d'attaque après que la corrosion a commencé, dépendent de la concentration de la solution. L'attaque en piquage semble nécessiter la formation prealable d'un film superficiel ptotecteur; les surface oxydées à l'air se comportent de maniére identique à celles oxydées en solution aqueuse.     

Grain boundaries in recrystallization

Abstract

In this brief survey, the theoretical models for nucleation of new grains in annealed cold-worked metals are reviewed in the light of recent researches in the author's laboratory. The importance of strain-induced boundary migration is gradually emerging. The role of vacancies in enhancing the mobility of grain boundaries is reviewed, and this leads on to a survey of the influence of pores in particular, and precipitates more generally, on the motion of grain boundaries. Areas of ignorance which call for further experiments are pointed out.

The influence of dissolved impurities on grain-boundary motion is excluded from this survey.

Résumé

Dans cette brève synthèse, l'auteur passe en revue, à la lumière de récents travaux effectués dans son laboratoire, les modèles théoriques de germination des grains dans les métaux déformés à froid et recuits. L'importance d'une migration des joints induite par la déformation émerge graduellement. Le rôle des lacunes, qui favorisent la mo bilite des joints de grains, est passé en revue et ceci conduit à une étude de l'influence des pores en particulier, et de précipités plus généralement, sur la migration des joints de grains. L'auteur souligne les domaines, où notre ignorance nécessite d'autres expériences. Est exclue de cette synthèse l'influence des impuretés dissoutes sur la migration des joints de grains.     

Microstructures and mechanical properties in a turbine disc fabricated from astroloy powder

Abstract

Powder metallurgy processing of nickel-base superalloy turbine discs is described. The discs were prepared from hotisostatically pressed Astroloy powder preforms by a single-stage forging operation, followed by machining. The forgeability, machinability, tensile and stress rupture properties of the powder fabricated material were better than, or equivalent to, those of cast material. The fatigue lifetimes obtained in laboratory push-pull tests and the lifetime obtained in a disc exposed to engine testing and ambient temperature spin-rig testing were also good. However the lifetimes obtained from crack detection to final failure were short, indicating either poor resistance to fatigue crack propagation or poor fracture toughness. This problem is examined in terms of the microstructures and minor phase contents of the discs. The microstructures showed incomplete recrystallization in the bore, carbide laden powder particle boundaries both in the bore and the recrystallized rim, and platelets of a brittle M₂ (SC) phase. Modified processing of powder fabricated discs is suggested to circumvent these deficiencies.

Résumé

Dans cet article, les auteurs décrivent la production, par métallurgie des poudres, de disques de turbine en superalliage au nickel. Les disques sont obtenus en une seule operation par forgeage d'ébauches de poudres d'Astroloy prealablement comprimées à chaud et ils sont ensuite usinés.

La forgeabilité, l'usinabilite et les propriétés mécaniques en traction et en fluage de tels disques sont meilleures que celles des disques obtenus par fonderie. La limite de fatigue déterminée en laboratoire par traction-compression et celle obtenue sur un disq ue soumis aux conditions de service de la turbine et à l'essai «spin-rig» à température ambiante se révèlent etre bonnes. Par contre, les limites de fatigues mesurées a partir de la détection d'une fissure jusqu'à la rupture finale sont faibles, suggérant soit une faible résistance à la propagation des fissures soit une faible résilience.

Ce problème a été etudie par examen de la microstructure et des phases secondaires présentes. Ces études révèlent que la recristallisation est incomplète au centre du disque, que des carbures sont présents aux joints entre les particules de poudres autant au centre du disque que dans l'anneau extérieur recristallisé et que des plaquettes d'une phase fragile M₂ (SC) sont présentes. Des modifications au procédé de fabrication de ces disques sont suggérées afin d'éliminer ces déficiences.     

Modeling of Casting Solidification Stochastic or Deterministic?

Abstract

Solidification modeling has had a phenomenal impact on metalcasting in the last decade. Following its initial success in predicting the occurrence of porosity defects, it has grown to be an essential casting engineering tool. As more complex models have been developed (in response to the realization that simple heat flow models were not adequate to solve the shrinkage problem), they are being used to design more efficient gating and risering systems, which minimize the amount of metal poured to produce a good casting. Models today include predictions of fluid flow during mold filling, casting distortion, mold-metal interface reactions and cast structure.

Until a few years ago solidification simulation was based only on deterministic models. As prediction of microstructural evolution became a contemporary problem, the limitation of deterministic models in predicting such features as dendrite coherency, columnar-to-equiaxed transition, dendrite fragmentation

and movement of dendrites by the liquid, became evident. Recently developed stochastic models for solidification are capable of simulating and displaying the growth of columnar and equiaxed grains. However, the physics of dendritic growth is rather approximate. The growth of dendrite arms and their branching are ignored, and only a bulk representation of the grain growth is provided.

A micro-scale approach for more accurate dendritic growth simulation in casting processes is presented in this paper. The model couples stochastic modeling at a length scale of 10^?6 m, with deterministic modeling at a length scale of 10^?4 m. A deterministic tip-velocity model is used to calculate the advance of the dendrite tip. Arm thickening is also calculated with a deterministic law derived from the dendrite tip velocity law and crystallographic considerations in combination with a deterministic coarsening model. However, the overall growth of dendrite arms is derived from probabilistic calculations. Branching of dendrites arm is allowed to occur based on morphologic instability. Thus the dendrite morphology, rather than the gain structure can be simulated.

A discussion on the advantages and limitations of contemporary deterministic and stochastic models is also included. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

La modélisation de la solidification a eu un impact phénomenal sur le coulage des metaux au cours de la derniere decennie. A la suite de son succes initial a predire l'occurrence de porosite, la modelisation est devenue un outil d'ingenierie essentiel pour lecoulage. Puisque des modeles plus complexes ont été développes (suite à la réalisation que de simples modéles d'écoulement de chaleur n'étaient pas adequats pour la resolution du probleme de retrait), ceux-ci sont utilises pour concevoir des systemes plus efficaces d'attaqué de coulée et de disposition de masselottés. Ces systemés minimisént ainsi la quantité de metal versée pour la production d'un bon coulage. Les modéles d'aujourd'hui peuvent prediré l'écoulement de fluide lors du remplissage du moulè, la distorsion des coulages, les réactions à l'interface moule-metal et la structure du coulage.

Jusqu'à il y a quelques années, la simulation de la solidification était basée uniquement sur des modèles déterministes. Puisque la prediction de l'évolution de la microstructure est devenue un probleme contemporain, la limitation des modéles déterministes à prédire des caracteristiques telles que la coherence des dendrites, la transition basaltique-à-équiaxe, la fragmentation et le mouvement des dendrites par le liquide, est devenue evidente. Les modeles stochastiques de solidification, développes recemment, sont capables de simuler et d'exposer la croissance de grains basaltiques et équiaxes. Cependant, la physique de la croissance des dendrités est plutot approximative. La croissance des dendrites et de leurs embranchements est ignorée et seulement une representation en vrac de la croissance de grain est fournie.

Dans ce document, on présente une approche à l'échelle microscopique afin de fournir une simulation plus exacte de la croissance de dendrite, dans les procedes de coulage. Le modele associé la modélisation stochastique, à une echelle de longueur de 10⁶ m, avec la modelisation deterministe, à une échelle de longueur de 10⁴m. Un modele deterministe de velocite a l'éxtremite est utilise pour calculer l'avance de l'extremite du dendrite. L'épaississement du bras est aussi calcule avec une loi deterministe derivée de la loi de velocité a l'extremité du dendrite et de considerations cristallographiques en combinaison avec un modéle de grossissement deterministe. Cependant, la croissance generale des dendrites est derivée de calculs probabilistes. L'embranchement des dendrites est permis en se basant sur l'instabilite morphologiqué. Ainsi, on peut simuler la morphologie de dendrite, plutot que la structure de grain.

On inclut également une discussion des avantages et des limites des modéles deterministes et stochastiques contemporains. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

A Qualitative Study on the Retention of Mercury From SO2-Containing Process Gases on Copper Smelter Dusts

Abstract

Mercury present in process gases can to some extent be removed in dust filters such as textile bag house filters. The removal efficiency in such filters is dependent on gas composition, gas temperature and properties of dust particles collected in the filter. In the present study, laboratory scale experiments were conducted to study qualitatively the influence of different types of dusts on the retention of mercury in SO₂-containing gases. A gas mixture composed of N₂, SO₂, O₂ and Hg was passed through a textile filter covered with dust. Two different types of dust were used in the experiments: one dust containing mainly Cu- and Fe-sulphides and Fe-oxides and one containing mainly Cu-, Fe, and Zn-oxides and -sulphates. The dusts were studied using microprobe equipment after exposure to the mercury-containing gas. Thermodynamic calculations were carried out for comparison with the experimental results. The study shows that mercury is mainly associated with partially roasted chalcopyrite particles.

Le mercure présent dans les gaz du procédé peut, jusqu'à un certain degré, être enlevé parles filtres à poussière tels que les filtres textiles de l'unité de filtration. L'efficacité d'enlèvement de ces filtres dépend, par exemple, de la composition et de la température du gaz ainsi que des propriétés des particules de poussière recueillies par le filtre. Dans l'étude présente, on a exécuté des expériences à l'échelle du laboratoire afin d'étudier qualitativement l'influence de différents types de poussière sur la rétention du mercure de gaz contenant du SO₂. On a passé un mélange de gaz composé de N₂, de SO₂, d'O₂ et de Hg à travers un filtre textile couvert de poussière. Dans les expériences, on a utilisé deux types différents de poussière; un type de poussière contenait principalement des sulfures de Cu et de Fe ainsi que des oxydes de Fe alors que l'autre type contenait principalement des oxydes et des sulfates de Cu, de Fe et de Zn. On a étudié les poussières à l'aide d'une microsonde après l'exposition au gaz contenant du mercure. On a comparé les calculs thermodynamiques avec les résultats expérimentaux. L'étude montre que le mercure est associé principalement avec des particules de chalcopyrite partiellement grillées.     

Selective segregation at grain boundaries

Abstract

Experimental observations provide support for two different types of solute enhancement at interfaces, namely equilibrium and non-equilibrium segregation. It is shown that these segregation processes are dependent upon the structures of different large-angle grain boundaries. Experimental data clearly indicate that this selective grain boundary segregation influences the mobility and energy of grain boundaries.

A fundamental relationship is found to exist between the energy of coincidence boundaries and the density of shared atom sites (or the size of the periodic unit) in the boundary. The energy and mobility results provide strong support for the boundary coincidence and “relaxed” coincidence models of grain boundary structure.

A selective solute segregation to grain boundaries can lead to the formation of preferred orientations in annealed materials and enhanced corrosion at grain boundaries.

Résumé

Les études expérimentales apportent des arguments aux deux types differents d'enrichissement en soluté aux interfaces, c'est-à-dire la ségrégation d'équilibre et la ségrégation de non-équilibre. Ces deux modes de ségrégation dépendent de la structure des différents joints de grains à forte désorientation. Les résultats expérimentaux indiquent clairement que cette ségrégation sélective aux joints de grains influence la mobilité et l'énergie des joints de grains.

Une relation fondamentale existe entre L'energie des joints en coincidence et la densité des sites atomiques partagés (ou la taille des unités périodiques) dans le joint. Les résultats relatifs à l'énergie et à la mobilité amènent de fortes preuves au modèle de joints de grains basé sur la coincidence ou la coincidence «relaxée».

Une ségrégation sélective du soluté aux joints de grains peut conduire à la formation d'orientations préférentielles dans les matériaux recuits et favoriser la corrosion aux joints de grains.     

A Pilot-Scale Rolling Mill for Process and Material Development

Abstract

This paper describes the modernization of the pilot-scale rolling facilities for state-of-the-art research and development of rolling processes and rolled materials at the Physical Metallurgy Research Laboratories, CANMET. The overall modernization comprises systems for automatic acquisition of rolling mill performance data and automatic control of mill operation, and ancillary facilities for controlled reheating prior to rolling and controlled cooling and phase-transformation monitoring during or following completion of rolling.

Extensive application of the pilot-scale mill in process and material development, and in fundamental studies of rolling mechanics and deformation, is outlined. The major effort focusses on research of thermomechanical processing of steel for use in the structural, energy, marine and transportation fields.

Résumé

Cet article décrit la modernisation d'installations de laminage à l'échelle pilote afin d'effectuer des recherches courantes, de développer des procédés de laminage et des produits laminés dans les Laboratoires de recherche en métallurgie physique du CANMET. La modernisation globale comprend des systèmes pour l'acquisition automatique de données sur la performance des laminoirs, et le contrôle automatique de ses opérations. Il y a aussi des installations accessoires pour le rechauffage contrôle précédant le laminage, le refroidissement contrôle, de même que l'inspection des phases de transformation au cours du laminage, ou après son achèvement.

On décrit les vastes applications du laminoir à l'échelle pilote en traitement et en développement de produits lamines. L'effort principal est centré sur la recherche en traitement thermomécanique de l'acier pour en faire usage dans les domaines structural, énergétiq ue, marin et de transport.     

Effect of Thiourea on Nodulation During Copper Electrorefining Using Scaled Industrial Cells

Abstract

Experiments were conducted using scaled industrial and laboratory cells to evaluate the effects of ratios and concentrations of various additives on nodulation during copper electrorefining. This paper focusses on the effect of Thiourea (TU) on the binary (TU-Cl-) and on the ternary Thiourea-Gelatin-Cl- (TU-G-Cl-) systems. In the pilot plant, temperature was maintained at 65 °C; Cl- concentration was at 40 mg L^-1 and TU ranged from 20 to 150 g t^-1 and G from 50 to 150 g t^-1. TU influences the polarization curves, the deposit morphology (roughness and nodule formation), the crystal shape (round or sharp) and the grain type (elongated or field oriented). TU can have a polarizing or a depolarizing effect depending on conditions tested. The polarizing effect related to a specific TU concentration leads to nodule formation. Optical metallography and SEM micrographs show that nodules, porosities and dendrites are largely avoided in a ternary system as compared to a binary one.

Des expériences ont été conduites en utilisant des cellules industrielles réduites et des cellules de laboratoire afin d'évaluer l'effet de différents ratios et concentrations d'additifs sur la nodulation durant l'électroraffinage du cuivre. Cet article se concentre sur l'effet de la Thiourée (TU) dans le système binaire (TU-Cl-) et dans le système ternaire Thiourée-Gelatin-Cl-. Dans le montage pilote, la température est maintenue à 65 °C, la concentration en Cl- à 40 mg L-1, celle de TU varie de 20 à 150 g t^-1 et celle de G de 50 à 150 g t^-1. La thiourée a une influence sur les courbes de polarisation, la morphologie du dépôt (rugosité et formation de nodules), la forme des cristaux (arrondis ou saillants) et le type de grain (allongés ou orientés). TU peut avoir un effet polarisant ou dépolarisant en fonction des conditions testées. L'effet polarisant conduisant à la formation de nodules provient d'une certaine concentration en thiourée. Les métallographies optiques et les micrographies au MEB montrent que l'utilisation d'un système ternaire par rapport à un système binaire permet d'éviter grandement la formation de porosité, de nodules et de dendrites.     

A new insight into grain growth kinetics in terms of polygonized sub-structure development

Abstract

Multi- and double-annealing techniques have been used to study modifications in grain growth kinetics due to thermal cycling in aluminum, lead and tin of different purities.

The results indicate that thermal cycling brings about polygonization in high purity aluminum, lead and tin. The evolution of this substructure depends on the nature and amount of impurities as well as on the parameters of the annealing treatment.

The observed changes in the growth kinetics are a direct result of the development of the polygonized substructure which interacts with the grain boundaries and leads to modification of their topography, as revealed by the liquid gallium grain boundary separation technique.

A physical model based on the gradual evolution of this substructure and its interaction with the grain boundaries has been put forward to explain qualitatively the observed modifications in the grain growth kinetics.

Résumé

Dans l'aluminium, le plomb et l'étain de différentes puretés, les auteurs ont utilisé les techniques de recuits double et multiple pour étudier les modifications dans la cinétique de croissance du grain, dues au cyclage thermique.

Les résultats expérimentaux révèlent que le cyclage thermique induit une polygonisation dans l'aluminium, le plomb et l'étain de haute pureté. L'évolution de cette sous-structure dépend de la nature et du niveau d'impuretés, ainsi que des paramètres du traitement de recuits.

Les modifications observées dans la cinétique de croissance sont des effets directs du développement de la sous-structure polygonisée, qui interagit avec les join ts de grains et conduit à une modification de leur topographie, comme le révèle la technique de décohesion intergranulaire au gallium liquide.

Un modèle physique faisant appel à l'évolution graduelle de cette sous-structure et à son interaction avec les joints de grains est proposé par les auteurs pour expliquer qualitativement les modifications observées dans la cinétique de croissance du grain.     

Effect of heat treatment and reducing agent on remanence and coercivity of reduced hematite ores

Abstract

The application of metallographic techniques to the study of grain boundary structure is reviewed with special emphasis on the use of the field-ion and electron microscopes. The principles of these techniques are illustrated by reference to the study of the order in high angle grain boundaries.

Résumé

L'application des techniques métallographiques à l'étude de la structure des joints de grains est passée en revue par l'auteur, qui porte une attention particulière à la microscopie électronique par transmission et à la microscopie par émission ionique. Les principes de ces techniques sont mis en evidence dans le cas de l'etude de l'ordre des joints à grande désorientation.