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.     

Reduction of chromites in methane-hydrogen mixtures-chromium sesquioxide

Abstract

Chromium sesquioxide can be reduced to chromium metal or carbide by mixtures of hydrogen and methane. The mechanisms and conditions for these reactions have been determined using simulation of the effects of methane cracking by controlled addition of carbon. The work forms a basis for the investigation of reduction of chromite ores by coke-oven or natural gas. This reaction is of economic interest because the oxygen tends to be removed as carbon monoxide, thus retaining the reducing potential of the effluent gases. Kinetic data were collected from temperature programmed experiments to which a model, based upon the shrinking-core concept for gas-solid reactions, was found to be applicable. The solid-solid carbon-chromium oxide reduction is the sum of three chemical reactions and is catalyzed by hydrogen, although carbon monoxide diminishes the effect of this catalysis below 1200°C.

Résumé

Le sesquioxide de chrome peut être réduit à l'état de métal chrome ou de carbure de chrome par les mélanges hydrogène-méthane. Les mécanismes et les conditions de ses réactions ont éte déterminés en utilisant la simulation des effets de «cracking» du méthane par des additions contrôlées de carbone. Ce travail est primordial pour l'étude de la réduction des minerais de chromite pour les gaz des fours à coke ou le gaz naturel. Cette réaction a un intérèt économique parce que l'oxygène tend à être éliminé sous forme monoxyde de carbone, qui conserve le potentiel réducteur des gaz qui s'echappent. Les données cinetiques ont été collectées à partir des expériences avec programmation de la température pour lesquelles un modèle fonde sur l'hypothèse d'une réduction à symétrie sphérique pour les réactions solide-gaz s'est révélé applicable. La réaction solide-solide de réduction de l'oxyde de chrome par le carbone est la somme de trois réactions chimiques et est catalysée par l'hydrogène bien que l'oxyde de carbone diminue son effet catalytique pour des températures inferieures à 1200°C.     

Molybdenum steels for pipelines

Abstract

Stringent property requirements are specified for steels to be used for oil and gas pipelines, especially for application in extremely cold climates. The effect of controlled plate mill processing (including water spray cooling between hot rolling passes), and of simulated strip mill processing on the mechanical properties and microstructure of pipe skelp of varying thickness has been studied in a family of Mn-Mo-Cb steels developed to meet these specifications. By virtue of chemistry and process control, desired minimum levels of yield strength in the range of 60 to 90 ksi (415 to 620 N/mm²) have been achieved, with excellent corresponding toughness values, in strip and plate gauges up to 0.75 in (19 mm). The microstructure of these steels varies, according to chemistry, from ferrite plus pearlite to acicular ferrite.

Résumé

Des propriétés mécaniques particulièrement strictes son t exigées des aciers pour pipe-lines (gaz ou pétrole) situés spécialement dans des régions très froides. Pour une série d'aciers au Mn-Mo-Cb développés pour de telles applications, les auteurs ont étudié la variation des propriétés mécaniques et de la microstructure de tôles a tube d' épaisseur variable en fonction de la procédure de laminage contrôlé des tôles fortes (incluant un refroidissement par aspersion d'eau entre les passes) ou d'une procédure simulée de laminage des feuillards. Du fait de la composition chimique et du contrôlé du laminage, des limites d' élasticité de l'ordre de 60 à 90 ksi (415 à 620 N/mm²) ont été atteintes et sont associées a d'excellen tes valeurs de la résilience des feuillards et des tôles jusqu'à 0.75 in. (19 mm) d' épaisseur. Selon la composition, la microstructure de ces aciers varie de ferritico-perlitique à une ferrite aciculaire.     

Nugget formation and growth during resistance spot welding of aluminium alloy 5182

Abstract

Surface interaction at the worksheet/worksheet interface during resistance spot welding of aluminium alloy 5182 with spherical tip electrodes was investigated. Oxide layer cracking and nugget formation were focused. Both experimental work and finite element analysis were employed to explain the contact behaviour at this interface. It was found that sheet separation and thus bending occurred during the squeezing phase of the resistance spot welding process and suggested a profound influence on nugget formation. The sheet separation caused enlarged and aligned cracks in the surface oxide layers which led to a good metal‐to‐metal contact near the periphery of the faying surface. High current densities which occurred at the beginning of the current phase caused significant heat generation in this zone. Consequently, the melting at the faying surface started near the periphery and moved in towards the central zone of the contact region to produce a ‘doughnut shaped’ nugget with a filled‐in but thin central region.

On a étudié l'interaction de la surface à l'interface feuille de travail‐feuille de travail lors du soudage par points par résistance de l'alliage d'aluminium 5182 avec des électrodes à bout sphérique. On s'est concentré sur la fracture de la couche d'oxyde et sur la formation du noyau. On a utilisé tant le travail expérimental que l'analyse par éléments finis pour expliquer le comportement de contact à cette interface. On a trouvé que la séparation de la feuille, et donc le pliage, se produisait lors de la phase de compression du procédé de soudage par points par résistance, suggérant une influence profonde sur la formation du noyau. La séparation de la feuille résultait en fissures agrandies et alignées dans les couches d'oxyde de la surface, ce qui amenait un bon contact de métal à métal près de la périphérie de l'aire de contact. Des densités élevées de courant, qui se produisaient au début de la phase de courant, résultaient en un dégagement important de chaleur dans cette zone. Conséquemment, la fonte de l'aire de contact commençait près de la périphérie et se déplaçait vers la zone centrale de la région de contact, produisant un noyau en forme d'anneau avec une région centrale remplie, mais mince.     

A Perspective of Research and Development in North American Steelmaking

Abstract

A thermomechanical processing technique is used to improve austenitic Hadfield Mn-steel wear properties. ASTM A128 grade C steel billets were sized and multi-pass hot rolled. Rolling has been successfully carried out up to an 80% reduction in thickness on four passes in the temperature range 1200 to 800 °C. The inter-pass time ranged between 9 to 13 seconds. The steel was then solution treated at 900, 1000 and 1100°C for 30 min. at temperature. Austenite grain size was measured and the carbide volume fraction was evaluated. The austenitic grains of the as-cast structure are surrounded by a network of carbides. The carbides have a lamellar structure and are richer in Cr and Mn than the austenitic grains. Austenitizing at 1100 °C was the optimum to dissolve the network of carbides. However, solution treatment at the higher temperature coarsens the austenite grains while decreasing the carbide volume fraction. By contrast, hot rolling creates finer grains and signficantly reduces the carbide content. Furthermore, hot rolling followed by solution treatment further decreases the carbide content and distributes them homogeneously. This process has a positive effect on both the mechanical and wear properties. High reductions by hot rolling of the Hadfield steel creates both deformation bands and a twinned structure. These twinning boundaries are considered as slip obstacles to provide strengthening. A thick sheet martensitic structure is created accompanying twinning. Moreover, solution treatment of the hot deformed steel leads to the formation of a thin martensitic structure.

On utilise une technique de traitement thermomécanique pour améliorer les propriétés d'usure de l'acier austénitique au manganèse. On a coupé et laminé à chaud par passes multiples des billettes d'acier ASTM A 128, de grade C. On a effectué le laminage, avec succès, jusqu'à une réduction de 80% de l'épaisseur, avec quatre passes dans la gamme de température de 1200 à 800 °C. La durée entre les passes était de 9 à 13 secondes. On a ensuite effectué un traitement de mise en solution à 900, 1000 et 1100°C, pendant 30 minutes à la température donnée. On a mesuré la taille de grain de l'austénite et l'on a évalué la fraction volumique du carbure. Les grains d'austénite de la structure brute de coulée sont entourés d'un réseau de carbures. Les carbures ont une structure lamellaire et sont plus riches en Cr et en Mn que les grains d'austénite. La température optimale d'austénitisation pour la dissolution du réseau de carbures était de 1100 °C. Cependant, le traitement de mise en solution à cette température plus élevée produit un grossissement des grains d'austénite tout en diminuant la fraction volumique de carbure. En contraste, le laminage à chaud crée des grains plus fins et réduit significativement le contenu en carbure. En outre, le laminage à chaud suivi par le traitement de mise en solution diminue encore plus le contenu de carbures et distribue ceux-ci de façon homogène. Ce traitement a un effet positif tant sur les propriétés mécaniques que sur les propriétés d'usure. Des réductions élevées par laminage à chaud de l'acier austénitique au manganèse créent des bandes de déformations ainsi qu'une structure maclée. Ces joints de grains de macle sont considérés comme des obstacles au glissement, fournissant ainsi un renforcement. Une feuille épaisse à structure martensitique, accompagnant le maclage, est ainsi créée. De plus, le traitement de mise en solution de l'acier chaud déformé mène à la formation d'une structure martensitique mince.     

Mechanical behaviour of thermomechanically produced ultrafine grained dual-phase steels

Dual-phase (DP) steels are an excellent alternative in the production of automotive parts that require high mechanical resistance, high impact strength and elevated elongation. These materials are produced using low alloy steels as a basis, reducing costs and resulting in a combination of martensite and ferrite structures with ultrafine grain size. These characteristics are achieved through strict control of rolling conditions, strain rate, cooling rate and coiling temperature. This work presents the results of tension testing of two types of DP steels, along with microstructural characterisation, in order to understand the effect of the advanced thermomechanical controlled rolling processes on the formation of the microstructure and resulting mechanical properties.

Les aciers biphasés sont une excellente substitution pour la production de composantes automobiles qui requièrent une résistance mécanique élevée, une haute résistance à l’impact et une grande élongation. Ces matériaux sont produits en utilisant des aciers faiblement alliés comme base, réduisant les coûts et engendrant des combinaisons de structures martensitiques et ferritiques à granularité ultrafine. On obtient ces caractéristiques grâce à un contrôle strict des conditions de laminage, de la vitesse de déformation, de la vitesse de refroidissement et de la température d’enroulement. Cet article présente les résultats des essais de traction de deux nuances d’acier biphasé, de même que la caractérisation de la microstructure, afin de comprendre l’effet des procédés avancés de laminage thermomécanique contrôlé sur la formation de la microstructure et les propriétés mécaniques qui en déroulent.     

Fluage intergranulaire de bicristaux symétriques de flexion autour de 〈100〉 dans l'aluminium

Abstract

The present results show that grain boundary sliding in the absence of intragranular strain is very sensitive to factors related to the grain boundary structure, such as the misorientation and the sliding direction in a given boundary. The explanation proposed is based on the existence in the boundaries of linear defects which alter the ideal boundary structure. The structure and certain properties of these defects are studied by a method derived from the method which leads to the ideal structure of grain boundaries.

Résumé

Les résultats expérimentaux montrent que le fluage intergranulaire pur, en l'absence de défonnation intragranulaire, est très sensible à des facteurs liés à la structure des joints de grains, comme la désorientation et la direction du glissement dans un joint donné. La tentative d'interprétation proposée repose sur l'existence de défauts linéaires contenus dans les joints, qui altèrent la structure idéale de ces derniers. La structure et certaines propriétés de ces défauts sont étudiés par une méthode dérivée de celie qui conduit à la structure idéale des joints de grains.     

Influence of resistive forces on grain boundary motion

Abstract

Velocity of a grain boundary is determined by a balance between the driving force and the sum of all resistive forces acting on the boundary. In addition to the intrinsic resistive (drag) force, at least four unique extrinsic resistive forces can be identified: a surface pinning force, a surface drag force, an impurity pinning force, and an impurity drag force. Although the impurity drag force has been analyzed extensively, similar attention to other resistive forces thus far has been neglected. It is the purpose of this communication to describe the aforementioned resistive forces and indicate how their presence leads to a dynamic model for grain boundary motion involving both grain boundary pinning and drag. It is suggested that motion is effected by formation of impurity clusters at the boundary, thus permitting breakaway to proceed more easily. Accordingly, resultant properties are affected not only by final grain boundary configuration but also by kinetics of cluster dissolution in the wake of the moving boundary.

Résumé

La vitesse de migration d'un joint de grain est déterminée par l'équilibre qui s'ètablit entre la force motrice et la somme de to utes les forces résistives agissant sur le joint. En plus de la force résistive intrinséque (trainage), au moins quatre autres forces extrinsèques peuvent être identifiées: une force d'épinglage de surface, une force de trainage de surface, une force d'épinglage par les impuretés et une force de traînage due aux impuretés. Alors que cette dernière a été étudiée de façon intensive les autres forces ont été jusqu'a présent négligées. Le but de cette communication est de décrire les forces ci-dessus mentionnées et d'indiquer comment leur présence conduit à un modèle dynamique de la migration des joints incluant le traînage et l'épinglage du joint. L'auteur suggère que la migration est influencée par la formation d'amas d'impuretes au joint, ce qui permet un désépinglage plus aisé. Il s'ensuit que les propriétés de la migration ne sont pas seulement affectées par la configuration finale du joint de grain, mais aussi par la cinétique de dissolution des amas dans le sillage du joint migrant.     

Kinetics of Austenite Transformation During Thermomechanical Processes

Abstract

One of the most important fundamental problems of thermomechanical processing (TMP) of steel is the transformation kinetics of deformed austenite, which has a great influence on the final microstructure and mechanical properties. In the present work, the results of more than 20 year's systematic study of deformation effects on the ferrite-pearlite and bainite transformations conducted by the authors and their colleagues are discussed. The progress of isothermal austenite decomposition was measured by magnetometry, while dilatometry was used to monitor transformation under continuous cooling. From a research base of about 40 steel grades, general conclusions of the characteristic features of austenite transformation kinetics during TMP are formulated and the factors responsible for changes in the kinetics are discussed. The acceleration effects of deformation on the ferrite-pearlite transformation and the much more complicated variations in austenite decomposition rates in the bainite range are considered depending on deformation parameters (temperature (T), strain, postdeformation delays), transformation conditions, and carbon and alloying content of the steels.© 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier ScienceLtd. All rights reserved.

Résumé

L'un des problèmes fondamentaux les plus importants du traitment thermomécanique (TMP) de l'acier est la cinétique de transformation de l'austénite déformée, qui a une grande influence sur la microstructure finale et sur les propriétés mécaniques. Dans le présent travail, on discute des résultats de plus de 20 ans d'études systématiques par les auteurs et leurs collégues, des effets de la déformation sur la transformation en ferrite-perlite et en bainite. On a mesuré, par magnétométrie, le progrés de la décomposition isotherme de l'austénite, alors qu'on a utilisé la dilatométrie pour suivre la transformation en refroidissement continu. A partir d'une base de recherche d'environ 40 types d'acier, on formule des conclusions générales des points caractéristiques de la cinétique de transformation de l'austenite lors de traitement TMP et l'0n discute des facteurs responsables des changements de cinetique. On considére les effets d'accélération de la déformation sur la transformation en ferrite-perlite ainsi que les variations beaucoup plus compliquées destaux de décomposition de l'austénite dans le domaine de la bainite. Ces considérations incluent les paramètres de déformation (temperature (T), déformation, délais d'après-déformation), les conditions de transformation ainsi que le contenu en carbone et en éléments d'alliage des aciers. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Evolution of Microstructures and Product Opportunities in Low Carbon Steel Strip Casting

Abstract

One of the greatest challenges in the direct casting of low carbon steel strip is the production of material with mechanical properties similar to those obtained via conventional strip production routes. A fundamental understanding of the microstructure evolution from solidification through to the final product is of critical importance in this endeavour. Experimental work was carried out using a special apparatus to establish links between heat transfer, nucleation, solidification, strip microstructures and mechanical properties. This information was used in conjunction with the actual microstructures and properties of strip obtained from a full scale development plant to define the breadth of product opportunities possible from the direct casting of low carbon steel strip.

L'un des plus grands défis de la coulée en moule de fonte de feuillard d'acier à faible carbone est la production de matériel ayant des propriétés mécaniques similaires à celles obtenues par l'intermédiaire des routes conventionnelles de production de feuillard. Une compréhension fondamentale de l'évolution de la microstructure depuis la solidification jusqu'au produit final est d'une importance critique dans cet effort. On a entrepris le travail expérimental en utilisant un appareil spécial afin d'établir des liens entre le transfert de chaleur, la nucléation, la solidification, les microstructures du feuillard et les propriétés mécaniques. On a ensuite utilisé cette information en conjonction avec les microstructures et les propriétés actuelles de feuillards obtenus d'une usine de développement à pleine échelle afin de définir l'ampleur des possibilités de produits obtenus à partir de la coulée en moule de fonte de feuillard d'acier à faible carbone.     

The isothermic annealing of bainite

Abstract

Bainitic high carbon steel has been isothermally annealed in the temperature range, 823–973K, in order to follow changes in structure and mechanical properties. The kinetic data for carbide coarsening were found to be in substantial agreement with the Ostwald ripening theory at the higher annealing temperatures. The observed divergence from the theory at the lower temperatures is attributed to the influence of grain boundary diffusion.

The dependence of mechanical properties on structure has been examined in relation to several important models. Good data correlation was found in all cases but agreement with predicted values of slope and intercept constants was found only for the models based on the Orowan theory of hardening.

The responses to annealing of upper and lower bainite are substantially different and result in measurable differences in mechanical properties of the two structures after heat treatment.

Résumé

Les auteurs ont fait des recuits isothermes dans la gamme de température de 823 à 973°K sur un acier bainitique à haute teneur de carbone afin de suivre les changements de structure et de propriétés mécaniques. Aux températures plus élévees, les résultats sur la cinétique de grossissement des carbures sont en accord substantiel avec la théorie d'Ostwald. Aux températures plus basses, la divergence des résultats avec la théorie est attribuée à l'inf1uence de la diffusion intergranulaire.

Les auteurs ont examiné l'influence de la structure sur les propriétés mécaniques en fonction de plusieurs modéles importants. La corrélation des résu1tats est en bon accord dans tous les cas, mais seulement les modéles basés sur la théorie de durcissement d'Orowan prédisent des pentes et des ordonnées á l'origine qui sont en accord avec les résultats.

Les réponses au revenu des bainites supérieure et inférieure sont substantiellement différentes, ce qui se traduit par des différences mesurables dans les propriétés mecaniques des deux structures aprés traitement thermique.     

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.     

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.     

The mechanical properties of directionally solidified aluminum-based eutectic castings

Abstract

The mechanical properties for directionally solidified Al-Al₃Ni, Al-Si, and Al-Al₂Cu eutectic castings have been determined and it is shown that the properties of castings (solidified at approximately 80 cm/hour) compare favourably to those obtained for slowly solidified eutectics (solidified at approximately 2 cm/hour). The strengths of Al-Al₂Cu and Al-Si eutectic castings are higher than those obtained for slowly solidified alloys while the strengths for the Al-Al ₃Ni eutectic castings are somewhat lower than for the slowly solidified alloys. The Al-Al₃Ni and Al-Al₂Cu cast eutectics essentially maintain their yield strength up to 300°C whereas the yield strength of the Al-Si eutectic decreases continuously with increasing temperature. It is concluded that the high strengths reported result from a combination of the fine micro-structure obtained from the relatively rapid solidification rate and by strengthening of the intermetallic phase.

Réesumé

Les auteurs ont déterminé les propriétés mécaniques d'alliages eutectiques Al-Al₃Ni, Al-Si et Al-Al₂;Cu solidifiésdirec-tionnellement. Ils montrent que les propriétés des coulées (solidi-fiées à environ 80 cm/h) se comparent favorablement à celles d'eutectiques solidifiés lentement (à environ 2 cm/h). Les résistances mécaniques des coulées eutectiques de Al-Al ₂Cu et Al-Si sont plus élevées que celles obtenues pour des alliages solidifiés lentement tandis que les résistances mécaniques des coulées eutectiques Al-Al₃Ni sont légèrement plus basses que celles des alliages solidifiés lentement. Les limites d'élasticité des alliages eutectiques coulés d'Al-Al₃Ni et Al-Al₂;Cu demeurent élevées jusqu 'à des tempéraptures de 300°C, tandis que lalimite d'élasticité de l'alliage eutec tique Al-Si diminue continuellement quand la température croft. Les auteurs conc1uent que les bonnes propriété s mécaniques obtenues ré sultent de la combinaison de l'effet de la microstructure fine produite par le taux de solidification relativement élevéet de l'effet de fibres produit par la phase intermétallique.     

Microstructure–strength models for heat treatment of Al–Si–Mg casting alloys I: microstructure evolution and precipitation kinetics

A comprehensive microstructure–strength mathematical model for the heat treatment of Al–Si–Mg casting alloys is presented. As part of the model development, the evolution of microstructure and mechanical properties during heat treatment of an industrially cast A356 aluminium alloy was studied in an extensive experimental investigation. For the solution treatment process, the changes in dendritic composition and eutectic morphology in the temperature range 773–833 K (500–560°C) were quantified using microprobe and image analysis techniques. For natural and artificial ageing, the kinetics of precipitation/clustering was determined using an isothermal calorimetry technique in conjunction with hardness and mechanical property measurements. Two other Al–Si–Mg model alloy compositions were used to study the effects of alloy chemistry on microstructure response during heat treatment. The overall aim of the experimental work presented here is to facilitate the development of a comprehensive microstructure–strength model for the heat treatment of Al–Si–Mg casting alloys that will be presented in part II of this paper.

On présente un modèle mathématique détaillé de la microstructure-résistance du traitement thermique des alliages de moulage d'Al–Si–Mg. Faisant partie du développement du modèle, on a étudié l'évolution de la microstructure et des propriétés mécaniques lors du traitement thermique d'un alliage d'aluminium A356 moulé industriellement lors d'un examen expérimental de grande envergure. Pour le traitement de mise en solution, on a quantifié les changements de la composition dendritique et la morphologie de l'eutectique dans la gamme de température de 773 à 833 K (500 à 560 °C) en utilisant les techniques de la microsonde et de l'analyse d'image. Pour le vieillissement naturel et artificiel, on a déterminé la cinétique de précipitation/agrégation en utilisant une technique de calorimétrie isotherme en conjonction avec les mesures de dureté et de propriétés mécaniques. On a utilisé deux autres compositions de l'alliage modèle d'Al–Si–Mg pour étudier les effets de la chimie de l'alliage sur la réponse de la microstructure lors du traitement thermique. Le but global du travail expérimental présenté ici est de faciliter le développement d'un modèle détaillé de microstructure-résistance du traitement thermique des alliages de moulage d'Al–Si–Mg qui sera présenté dans la seconde partie de cet article.     

Principles of metal oxidation

Abstract

The principles governing formation of superficial oxides on metal surfaces are surveyed. Oxide crystals grow on a metal surface by rearrangement and place exchange within metal-oxygen substructures arising from the accumulation of oxygen by adsorption processes. The rate-controlling steps for growth of films are discussed by means of film models describing ion and electron migration under the influence of electrical potential gradients. These condiderations give rise to inverse logarithmic, direct logarithmic, cubic and parabolic time equations for film growth. The most rigorously tested theoretical basis in metal oxidation is that for the parabolic growth of scales based upon ambipolar diffusion of the reactants by point defects in oxides such as interstitials and vacancies. In several instances low resistance diffusion paths in oxides, such as grain boundaries and dislocations, cause leakage paths in films and short-circuit paths in scales. Several cases are discussed, where oxidation is controlled to linear kinetics by phase boundary reaction steps.

Résumé

Les auteurs passent en revue les principes régissant la formation d'oxydes superficiels sur des surfaces métalliques. Les cristaux d'oxyde croissent sur une surface métallique par un réarrangement et un changement de site à l'interieur de la sous-structure métal-oxygène provenant de l'accumulation d'oxygène par adsorption. Ces étapes controllant le taux de croissance des films sont discutées en fonction de modèles decrivant la migration des ions et des électrons sous l'effet de gradients de potentiel électrique. Ces considérations donnent des équations de temps de fonne logarithmique, inverse ou direct, cubique et parabolique pour la croissance des films. La base théorique la plus rigoureuse pour l'oxydation d'un métal est la croissance parabolique de l'oxyde basée sur la diffusion ambipolaire des réactifs par défauts ponctuels dans l'oxyde, interstitiels et lacunes. Dans plusieurs cas, des chemins de diffusion facHes dans les oxydes, joints de grain ou dislocations, fonnent des chemins de fuite dans les films et des courts-circuits dans la calamine. Plusieurs cas pour lesquels l'oxydation est controllée par des réactions en joints de phases amenant une cinétique linéaire sont étudiés.     

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.     

Heat flow in blast furnace hearths

Abstract

Heat flow and temperature distribution in iron blast furnace hearths has been investigated using a digital computer implemented simulation. Furnace hearths, with and without underhearth cooling, have been simulated to provide dynamic thermal response characteristics and to explore refractory material requirements for improved hearth design.

A digital computer program utilizing numerical approximations to the heat flow equations in three dimensions (two dimensions with radial symmetry in the third) was used to calculate unsteady state heat transfer characteristics. Stave cooling, carbon and ceramic refractories, refractory thermal property variations, salamander formation, underhearth cooling systems, and other design and operating parameters were considered in evaluating the steady and unsteady state temperature distributions in blast furnace hearths.

Résumé

On fait l' étude du flux de chaleur et de la distribution de température dans le creuset d'un haut fourneau par une simulation à l'aide d'un ordinateur. Nous considérons le creuset sans ou avec refroidissemen t afin d'obtenir l' évolution des proprietes thermiques et de sonder les besoins en matériaux réfractaire pour ameliorer le design du creuset.

Un programme d'ordinateur basé sur la méthode d'approximations numeriques aux équations tridimentionnelles de transfert de chaleur (deux dimensions rectilignes avec symétrie radiale dans la troisième direction) a été employé dans le calcul du comportement de transfert de chaleur en régime transitoire. Nous avons considéré le refroidissement des douves, l'u tilisation des réfractaires à carbone et à ceramique, la variation des propriétés thermiques des réfractaires, la formation d'un loup ferreux, d'autres designs et les paramètres d' opération dans cette évaluation des distributions des températures en régime transitoire et en régime permanent des creusets des hauts-fourneaux.     

Texture and anisotropy of zirconium in relation to plastic deformation

Abstract

Possible modes of plastic deformation of tubular materials are analyzed generally. Based on symmetry considerations applied to known textures of zirconium wire and strip, textures of zirconium tubes are predicted as resulting from a wide range of deformation modes. This is made possible by focusing on the main feature of texture, Le., the orientation distribution of basal poles. A relation between texture and the mechanical anisotropy of zirconium is developed, and rules are suggested for softening and hardening caused by texture change. Experimentally, Zircaloy tubes were deformed by various techniques. The resulting textures were determined by X-ray diffraction and the mechanical anisotropy by Knoop-hardness measurement. Each determination is condensed into two representative figures, one describing the type of texture or anisotropy and the other describing the sharpness of texture or the degree of deviation from isotropy.

The experiments verify the predicted relation between type of texture and mechanical anisotropy, and also indicate how degree of anisotropy depends on sharpness of texture. Changes in texture are investigated in relation to plastic deformation, and further refined rules are derived for the direction and rate of these changes. The initially predicted textures are concluded to be stable, i.e., they are reached only after a certain degree of deformation. Zircaloy tubes of three different textures were subjected to tensile testing, closed-end burst testing and open-end burst testing. The observed texture-softening phenomenon corroborates the rules suggested and is considered to commonly occur, as opposed to texture hardening, which requires special combinations of texture and testing method.

Résumé

Les différents modes de déformation plastique possibles dans les tubes ont été analysés d'une façon générale. En se basant sur des considérations de symétrie appliquées aux textures connues pour le zirconium en fil et en bandes, la texture des tubes de zirconium resultant de divers modes de déformation a été prédite. Ceci est possible si l'on tient surtout compte des principes de la texture, c'est à dire, la distribution des orientations des poles de base. Une relation entre la texture et l'anisotropie du zirconium est développée, et des règles sont suggérées pour l'adoucissement et la consolidation dûs à un changement de texture. Dans les expériences, les tubes de zirconium ont été déformés par plusieurs modes. Les textures résultantes ont été déterminées par la diffraction des rayons-X. et l'anisotropie par des mesures de dureté Knoop. Chacune de ces déterminations est représentée dans deux figures, l'une décrivant le genre de texture ou anisotropie, l'autre décrivant la netteté de la texture ou l'écart du caractère isotrope. Les expériences vérifient la relation prévue entre la texture et l'anisotropie. Les changements de texture sont examinés en fonction de la déformation plastique, et d'autres règles plus rigoureuses sont dérivées pour la direction et la vitesse de ces changements. On conc1ut que les textures prévues initialement sont stables, c'est à dire qu'elles ont lieu apres une certaine déformation. Des tubes de Zircalloy de trois textures différentes ont été soumis à des essais detraction, des essais d'éc1atement à extrémités ouvertes ou fermées.

Le phénomène d'adoucissement observé, causé par la texture, est en accord avec les règles suggérées et est généralement présent, ce qui n'est pas le cas du durcissement causé par la texture, durcissement nécessitant des combinaisons spéciales de texture et de méthodes d'essai.     

Pneumatic Steelmaking

Abstract

A brief historical review of pneumatic steelmaking is presented with emphasis on top and bottom blown oxygen processes. Modern steelmaking methods are described, including bottom injection techniques. The fundamentals of gas jet behavior are outlined, including the importance of the physics and mechanics of the jet and the interrelationship with process chemistry. Refining mechanisms involving metal, slag and gases are detailed for current and proposed pneumatic steelmaking processes.

Résumé

Un bref historique de l' élaboration de l'acier par souffiage est présenté en insistant plus particulièrement sur les convertisseurs d'oxygène à souffiage par le haut et par le bas. Les méthodes modernes d' élaboration de l'acier incluant les techniques d'injection par le fond, sont décrits. Le comportement fondamental du jet gazeux est abordé, ainsi que l'importance de la physique, de la mécanique du jet et des interactions avec la chimie du procédé. Enfin les mécanismes d'affinage faisant intervenir le métal, le laitier et les gazs sont détaillés pour les procédés d' élaboration de l'acier par souffiage.