Multistage Hot Deformation with Decreasing Temperature of Two Plain Carbon and Two HSLA Steels

Abstract

Various sequences of deformation were applied to two carbon (0.05 and 0.11%C) and two HSLA steels (0.034 and 0.062%Nb) on a computer-controlled torsion tester. The sequences involved both continuous and interrupted straining at decreasing temperatures over the range 1200–600°C. The interrupted tests consisted of equal incremental strains of 0.03, 0.06 or 0.12 separated by holding intervals of 5 or 10s; strain rates were either 0.01 or 0.1 s^?1. A series of tests with relaxation instead of unloading between passes was also carried out. The effects of the three strains and two hold times are contrasted for the four materials, and the flow stresses observed are compared with those determined in previous multistage torsion tests which were conducted isothermally over the same range of temperatures. The shapes of the flow curves are interpreted in terms of both dynamic and static, recovery and recrystallization.

Résumé

Diverses séquences de déformation ont été appliquées à deux aciers au carbone (0.05 et 0.11%C) et à deux aciers micro-allies (0.034 et 0.062%Nb) au moyen d'un appareil de torsion commandé par un miniordinateur. Les séquences étaient constituées de déformations continues ou interrompues à tempérapture décroissarite de 1200 à 600°C. Les essais avec interruption étaient faits d'increments égaux de déformation de 0.03,0.06 ou 0.12, séparés par des intervalles de 5 ou 10s; les vitesses de déformation étaient de 0.01 ou 0.1 s^?1. On a effectué également une série d'essais avec relaxation à la place des déchargements entre les passes. Les effets des trois vitesses de déformation et des deux temps d'attente sont bien distincts pour les quatre aciers. Les contraintes observées sont comparées avec celles déterminées par d'autres essais de torsion qui ont été faits de manière isotherme dans le même domaine de température. Les formes des courbes de contraintes sont interprètées en fonction de la restauration et de la recristallisation, soit dynamique soit statique.     

Deformation Twinning in Iron Alloys Containing Dispersed Particles

Abstract

Acoustic emission has been used to detect the onset of twinning in iron polycrystals containing dispersions of second phase particles. A new explanation of the grain size dependence of the twinning stress is offered based on the grain size dependence of the twinning intensity. The grain size dependence of the initial twinning stress and the 0.2 % offset stress are similar; however, at larger grain sizes the rate of twin formation is higher which leads to anomalously large values for the grain size dependence of the macroscopic twinning stress.

Twinning appears to occur due to the attainment of a large local stress concentration and thus the twinning stress is independent of the dispersion of second phase particles although the density of twins may differ in single phase and two phase materials and large second phase particles may result in twin fragmentation. The results indicate major differences between the influence of second phase particles and deformation by slip and twinning.

Résumé

On a utilisé l'émission acoustique pour détecter le début du mâclage dans des polycristaux de fer contenant une seconde phase sous la forme de particules dispersées. On propose une nouvelle explication de la relation entre la contrainte de mâclage et la taille de grain, explication fondée sur la relation entre la taille de grain et l'intensité du mâclage. La contrainte initiale de mâclage et la contrainte à 0.2 % d'allongement ont, avec la taille de grain, des relations similaires. Cependant, pour des tailles de grain élevées, le taux de formation des mâcles est plus élevé et ceci conduit à des valeurs anormalement élevée pour la relation entre la taille de grain et la contrainte macroscopique de màclage.

Il semble que l'apparition du mâdage est due à l'existence de grandes concentrations de contraintes locales et que la contrainte de mâclage est indépendante de la dispersion des particules d'une seconde phase quoique la densité des mâcles peut être différente dans des matériaux à une phase ou deux phases et que les grandes particules d'une seconde phase peuvent causer la fragmentation des mâcles. Les résultats indiquent qu'il existe des différences majeures entre l'influence de particules d'une seconde phase et la déformation par mâclage et glissement.     

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.     

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.     

The annealing of bainite while being concurrently deformed

Abstract

Annealing with oncurrent deformation has been carried out on a bainitic high-carbon steel in a temperature range just below the lower transformation temperature, i.e. ～850 – 975K.

The enhancement of carbide coarsening was measured during hot torsion under conditions of (a) constant strain rate and (b) constant experiment duration. The carbide coarsening rates are compared with results obtained from earlier experiments employing isothermal annealing without deformation, and the enhancement of coarsening due to concurrent deformation is quantitatively assessed from measurements of the mean particle radius and mean free ferrite path.

From kinetic data, the rate limiting step in coarsening during concurrent deformation is identified as the self-diffusion of iron and two dominant mechanisms are proposed which result in a discontinuity of coarsening rate at critical strain levels. The effective diffusion coefficient for coarsening is shown to be a linear function of strain rate and the strain rate coefficient is evaluated from the present data for bainitic 1070 steel.

Résumé

Un traitement de revenu associé à une déformation simultanée a été appliqué à un acier bainitique à haut carbone dans une gamme de températures juste inférieures à la température de transformation (850–975K).

L'accélération de la coalescence des carbures pendant la torsion à chaud a été mesurée soit àvitesse de déformation constante, soit à temps d'expérience constant.

Les lois de coalescence des carbures sont comparées àcelles obtenues au cours d'un traitement isotherme sans déformation et l'accélération de la croissance due àune déformation simultanée est évaluée quantitativement grâce aux mesures du rayon moyen des particules et de la longueur moyenne de ferrite libre.

A partir des résultats de cinétique, le facteur limitant la coalescence sous déformation est identifie comme étant l'auto-diffusion du fer et les auteurs proposent deux mécanismes prédominants qui conduisent à une discontinuité de la vitesse de coalescence pour des niveaux critiques de la déformation. Le coefficient effectif de diffusion pour la coalescence est une fonction linéaire de la vitesse de déformation et le coefficient de vitesse de déformation est évalué à partir de ces résultats expérimentaux pour un acier bainitique 1070.     

Creep forging of an aluminum bronze

Abstract

Compression tests on a commercial three-phase aluminum bronze showed significant softening above the β transformation. This was not observed in either beryllium-copper or α/β brass above their transformation temperatures. Isothermal compression tests on the aluminum bronze showed some rate sensitivity and there was no significant change in either mechanical properties or microstructure after large strains at the elevated temperature. These characteristics are typical of superplastic alloys.

Closed-die forging experiments in which a thin tapered lip was backward extruded on a cylindrical billet have shown that the material forges adequately at low pressures at temperatures above the transformation. It was concluded that creep forging of this aluminum bronze gives good die filling and surface finish.

Résumé

On a observé un adoucissement significatif d'un bronze à l'aluminium commercial (contenant trois phases) lorsque déformé en compression au-dessus de la transformation β. Le phénomène n'a pas été observe dans le cuivre au beryllium et le laiton α+β déformés au-dessus de leur temperature de transformation. Des essais de compression isotherme sur le bronze à l'aluminium ont permis d'observer une certaine sensibilité au taux de déformation; après de grandes déformations à la température élevée, les propriétés mécaniques et la microstructure n'ont pas été modifiées appréciablement. Ce comportement est typique des alliages superplastiques.

Des essais de forgeage en matrice ferme, au cours desquels une mince lèvre effilée a été extrudée, d'une manière inverse, sur une billette cylindrique, ont montré que de faibles pressions sont suffisantes pour forger le matériau adéquatement lorsqu'on opère à des températures au-dessus du point de transformation. Les auteurs ont conclu que le forgeage de fluage permet de bien remplir la cavite et d'obtenir un bon fini de surface.     

Mechanical behaviour and substructure of strain-cycled iron

Abstract

Annealed and 25% cold-worked polycrystalline iron subjected to plastic strain ranges varying between 0.003 and 0.048 showed hardening and softening, respectively, to common saturation stress levels which were directly related to the strain range. On saturation, subgrains of a definite size were formed and the size was found to be inversely proportional to the saturation stress. The relation between the cell size (L) and the plastic strain range ?ε_ρ maybe expressed by L = β (?ε_ρ/2)^?n where β is a constant and n the cyclic strain hardening exponent. The hardening rates were found to increase with plastic strain range whereas the softening rates decreased. The number of cycles for saturation (n _s) increased with plastic strain range for both hardening and softening according to the relation Ns = R exp (?m √?ε_ρ), where R and m are constants. The hardening and softening curves may be normalized, resulting in saturation occurring at a constant value of the function (√?ε + 0.13 log n) where n is number of cycles.

Résumé

Du fer polycristallin, recuit puis √?εcroui de 25%, déformé plastiquement de fa? on cyclique dans des intervalles variant de 0.003 à 0.048 a montré respectivement un durcissement et un adoucissement à des niveaux commtuns de contrainte de saturation, niveaux directement reliés au domaine de déformation. A la saturation, des sous grains de taille delmie sont formés et celle taille est inversement proportionnelle à la contrainte de saturation. La relation entre la taille L des cellules et le domaine de déformation plastique ?ε_p est L = β (?ε_ρ/2)^?n β étant une constante et n l'exposant detmissant l'écrouissage cyclique. Les taux d'écrouissage augmentent avec le domaine de déformation plastique. Le nombre N_s de cycles pour la saturation augmente avec le domaine de déformation plastique, pour Ie durcissement ou l'adoucissement suivant la relation N_s = R .exp (?m√?ε_p) R et m étant des constantes. Les courbes de durcissement ou d'adoucissement peuvent être normalisées ce qui montre que la saturation se produit à une valeur constan te de la fonction (√?+0.13 ln/n) n étant le nombre de cycles.     

The hardness view of the tempering mechanism of an aluminum bronze martensite

Abstract

The monotonic tensile and fatigue properties of 7075-T6 aluminum alloy were investigated with respect to grain size. A range of grain sizes was obtained by subjecting the fully annealed material to varying degrees of cold deformation prior to recrystallization and subsequent heat treatment. Monotonic tensile properties of 7075-T6 aluminum alloy were not affected by grain size variation. The fatigue properties were also unaffected by grain size. Debonding of the large incoherent second-phase particles (1 μm to 20 μm max) and groups of these particles (～ 25 μm to ～ 60 μm) initiated fatigue cracks of the same size when sheet specimens were subjected to pulsating tensile loads of relatively low amplitude resulting in lives of 10⁴ to 10⁷ cycles. It is shown that within this life range, the cyclic properties are strongly influenced by debonding occurring within the largest groups of particles lying close to the surface of the specilnen. Such cracks grow faster than others which result from debonding and eventually cause failure.

Résumé

Les auteurs ont étudié les propriétés de l'alliag d'aluminium 7075-T6 en traction et en fatigue en fonction de la taille de grains. Les différentes tailles du grain ont été obtenues à partir de l'alliage complétement recuit par différents taux d' écrouissage suivis d'une recristallisation et de traitements thermiques. Ni les propriétés en traction, ni les propriétés en fatigue de l'alliage 7075-T6 ne varient avec la taille des grains. La décohésion à l'interface de la matrice d'une seconde phase incohérente (particules dont les dimensions varient de 1 à 20μ) et d'amas de ces particules (de 25 à 60μ environ) était à l'origine des fissures de fatigue d'une taille analogue; les échantillons plats étaient alors sujets à des tractions cycliques de faible amplitude, donnant une endurance de 10⁴ à 10⁷ cycles. Dans ce domaine d'endurance, les propriétés en fatigue sont fortement influencées par la décohésion des plus gros amas de particules prés de la surface. De telles fissures se propagent plus rapidement et produisent éventuellement la rupture finale.     

Application of fracture mechanics to high-temperature creep rupture

Abstract

This paper reviews the crack opening displacement approach to fracture testing of materials at ambient temperature and considers extension of the work to higher temperatures, as one phase of an approach aimed at bringing various cracking behaviours within the same over-all fracture mechanics treatment.

Testing procedure uses BS 15 mild steel as l-inch plate at 350°C, with loading times up to 1000 hours. A rectangular specimen about 18 × 6 inches is slit for three quarters of its length along the centre of width, and the notched region is immersed at high temperature. The split ends protruding from the furnace are strained apart, and a transducer is projected into the furnace to provide a continuous measurement of crack opening displacement. CaDs produced are in reasonable agreement with values predicted by the general yielding theory. Intergranular crack extensions occurred at CODs of 14 to 17 × 10^?3 inches, were of the ‘pop-in’ type.

One specimen was cooled to 0°C after test so that the crack could be extended by cleavage. The COD at initiation was 5 × 10^?3 inches, indicating that the material had been substantially embrittled by hot straining.

Résumé

Après avoir revu l'ouverture et le déplacement des fissures pour des essais de rupture à température ambiante, les auteurs considèrent l'élargissement de ces conclusions a haute température comme approche pour examiner divers comportements des fissures dans un mécanisme global de la rupture.

Pour les essais, une tôle d'un pouce d'épaisseur d'acier doux BS?15 a été utilisée a 350°C, le temps maximal de mise en charge étant de 1000 heures. L'éprouvette rectangulaire déenviron 18 po. × 6 po. est entaillée en son centre sur les trois quarts de sa longueur; la région entaillée est maintenue à haute température. Les extrémités fendues de la tôle sont écartées l'une de l'autre hors du four et un palpeur dans le four donne en continu la propagation de la fissure. La propagation des fissures est en bon accord avec les valeurs données par la théorie de l'écoulement. L'extension de fissure intergranulaire se produit pour des valeurs de la propagation des fissures de 14 à 17 × 10^?3 pouces et sont réentrantes. Une éprouvette fut refroidie à 0°C aprés l'essai de fa?on à pouvoir faire avancer la fissure par clivage. La propagation de la fis sure était de 5 × 10^?3 pouces indiquant une fragilisation du métal par deformation à chaud.     

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.     

Primary recrystallization during the creep of alumina

Abstract

Polycrystalline alumina prepared by cold isostatic compaction and sintering has been deformed in compression in the temperature range 1600 – 1700°C and at a stress of 3000 p.s.i. The strain-time curves indicated that under these conditions recrystallization may be initiated at strains as low as 1/4-1/2%. Metallographic examination of the deformed specimens revealed directly the initial stages of recrystallization. Preferential nucleation occurred at, or near, grain boundaries and the tips of microcracks. A mechanism involving the polygonization of dislocations in highly deformed regions of the crystals is proposed as a likely nucleation process.

Résumé

De l'alumine polycristalline préparée par compaction isostatique à froid et frittage a été déformée en compression sous une contrainte de 3000 psi dans un intervalle de température de 1600° à 1700°c. Les courbes déformation-temps indiquent que dans ces conditions la recristallisation peut débuter à des déformations aussi faibles que 1/4-1/2 %. Un examen métallographiq ue des échantillons déformés révèle directement les premiers stades de la recristallisation. Une germination préférentielle se produit aux (ou près des) joints de grains ainsi qu'à la pointe des microfissures. Comme interprétation possible de cette germination, les auteurs proposent un mécanisme faisant appel à la polygonisation des dislocations dans les régions des grains fortement déformées.     

A Review of the Mechanisms of Fatigue

Abstract

Relationships between structure and fatigue properties are briefly reviewed for metals and alloys of the facecentred cubic structure. The effects are considered of stressor strain amplitude, temperature, stacking fault energy, strain ageing, degree of order, precipitation and dispersion hardening, and fibre strengthening, upon crack initiation and propagation.

Résumé

L'auteur traite brièvement des rapports entre la structure et la résistance à la fatigue des métaux et alliages cubiques à faces centrées. II passe en revue L'influence de l'intensité de la contrainte, de l'amplitude de la ,déformation, de la temperature, de l' énergie de faute d'empilement, du vieillissement après déformation, de la nature de l'ordre, du durcissement par précipitation et dispersion, et du renforcement à l'aide de fibres, sur la formation et.la propagation des fissures.     

Deformation of Zr-N alloys

Abstract

The effect of nitrogen in interstitial solid solution on the tensile properties of cph zirconium polycrystals has been measured. The results have been analyzed with the aid of the theory of thermally activated deformation. Between 77 and 635°K, nitrogen has a profound strengthening effect, increasing the tensile flow stress at 295°K by 45 kg/mm² per at % N; activation volumes decrease with increasing effective stress to ～ 15 b³ in an alloy containing 1 at % nitrogen, and the activation enthalpy rises to 1.4 eV at zero effective stress. The results indicate that isolated nitrogen atoms are effective barriers below 635°K. The resistance to deformation may be due to interference with atomic motions at the core of gliding dislocations. Above 635°K, strengthening is less marked; there is an athermal region up to about 750°K, and above this temperature the flow stress drops rapidly as a yet-unidentified mechanism becomes operative.

Résumé

Les auteurs ont évalué l'effet de l'azote en solution solide d'insertion sur les propriétés mécaniques de zirconium h.c. polycristallin. La théorie de la déformation thermjquement activée a permis l'analyse des résultats. Entre 77 et 635°K l'azote a un effet de durcissement important: la contrainte d'écoulement en traction augmente de 45 kg/mm² par pourcentage atomique d'azote a 295°K; le volume d'activation diminue jusqu'à ～15b₃ dans un alliage a 1% at. N quand la contrainte effective augmente et l'enthalpie d'activation atteint 1.4 à une contrainte effective nulle. Ces résultats montrent l'efficacité, sous 635°K, des barriers formées d'atomes d'azote isolés et il est proposé que la resistance à la déformation est causée par des interactions entre les deplacements d'atomes au coeur des dislocations en mouvement. Au dessus de 635°K le durcissement est moins prononcé; jusqu'à 750°K existe une région athermique et au dessus la tension d'écoulement chute rapidement alors qu'un mécanisme non identifié entre alors en jeu.     

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.     

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.     

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.     

Stress Corrosion Crack Propagation in Annealed and Cold Worked 310 and 316 Austenitic Stainless Steels in Boiling (154°C) Aqueous MgCl2 Solution

Abstract

The crack propagation velocity, v, was determined as a function of the opening mode stress intensity factorK_I , for stress corrosion cracking (SCC) of annealed and cold-worked 310 and 316 austenitic stainless steels exposed to hot (154°C) solutions of aqueous McCl₂. A specimen geometry and experimental procedure was employed to minimize macro-crack branching. The log υ vs K_I curves were of the three-stage type, with υ independent of K_I in stage II. All curves belonged to a single family in which stage I approached a limiting value of stress intensity, K _ISCC? 9 MN·m^?3/2, below which crack propagation was less than 10^?9 or 10^?10 m s^?1. Cold work increased stage II crack velocities in 316, but did not influence stage II velocities in 310. A fractographic study was carried out by scanning electron microscopy which showed that the fine details of opposite, matching fracture surfaces interlocked. Also, evidence was obtained for corrosion slotting effects.

Résumé

On présentera ici la variation de la vitesse de propagation des fissures υ en fonction du facteur d'intensité de contraintes K_I ; ceci pour la fissuration par corrosion sous tension des aciers inoxydables 310 et 316 soumis à l'action d'une solution aqueuse de MgCl₂ portée à son point d'ébulition (154°C). Nous avons utilisé une géométrie d'éprouvette et une procédure expérimentale qui réduisent la ramification des fissures.

Les courbes de log υ en fonction de K_I présentent trois stades, υ étant indépendant de K_I au stade II. Toutes les courbes appartiennent à une même famille pour laquelle on atteint au stade I une valeur limite du facteur d'intensité de contrainte (K _ISCC = 9 MN.m^?3/2) en dessous de laquelle la propagation devient inférieure à 10^?9 ou 10^?10ms^?l. Le laminage à froid a augmenté la valeur de la vitesse de fissuration à laquelle se produit le stade II pour l'acier 316 mais n'a pas influencé cette vitesse pour l'acier 310.

A l'aide du microscope électronique à balayage nous avons mene une etude fractographique et celle-ci montre bien que de fins détails des surfaces opposées s'emboitent. Nous avons également pu observer la présence de fentes d'orientations cristallographiques produites par la corrosion.     

Mechanical properties and structure of as-received,heat-treated and hydrided Zr-1.5 wt% Cr-0.1 wt% Fe alloy tubing

Abstract

The mechanical properties or both unhydrided and hydrided Zr-Cr-Fe alloy tubing have been evaluated using ring tensile, tube burst and Charpy impact tests over a range of temperatures from room up to 400°C. Aspects of the recovery and recrystallization or two batches or tubing were studied. Stress relieving cold-worked tubing between 450° and 575°C gave stronger, less ductile material compared with recrystallized tubing but the actual tensile values depended critically on the stress-relieving temperature. Beta quenching and ageing thin-walled tubing resulted in poor ductility, variabk strength and structure with some massive grain coarsening. The tensile duct iii ty or Zr-Cr-Fe tubing was lowered by circumferentially aligned hydride although the drop was not serious at least up to 400 ppm hydrogen. Hydride had little effect on tensik stength up to 300 ppm hydrogen but there was an increase in strength at higher hydrogcn levels.

Résumé

Les propriétés mécaniques du Zr-Cr- Fe, hydruré ct non-hydruré, ont été évaluées en utilisant des essais de traction sur anneaux, d'eclatement de tubes et l'essai Charpy dans une gamme de température variant de l'ambiante a 400°C. Des aspects de la restauration ct la recristallisation de deux séries de tubes ont été étudiés. Un recuit entre 450° et 575°C pour éliminer les contraintes résiduelles a donné un matériau plus résistant et moins ductile en comparaison aux tubes recristallisés, mais les valeurs obtenues en traction dépendaient fortement de la température de ce recuit. Dans les tubes à paroi mince, une trempe de la phase β (suivie d'un vieillissement a diminué la ductilité et donné une résistance mécanique variable et une structure contenant des régions à trés gros grains. Des hydrures alignés circumférentiellement ont réduit la ductilité en traction des tubes de Zr-Cr-Fe, mais cette réduction était mineure, du moins jusqu'à 400 ppm d'hydrogène. Jusqu'è 300 ppm d'hydrogène, les hydrures ont peu intluencé la résistance en traction, mais ont causé une augmentation de la résistance mécanique à des teneurs plus élevées.     

Experimental problems in measuring the thermal conductivity of liquid oxide

Abstract

Conventional methods for measuring thermal conductivity are not applicable for liquid oxides containing high concentrations of iron in the range of 1200 to 1600°C. The principal problem is attack of container materials, measuring probes, etc. by the liquid. To avoid this problem, an experimental method was sought which permitted measurements for short times on very small specimens. In the method chosen, the temperature of one side of the specimen is made to oscillate at a selected frequency and amplitude. The oscillation passes through the specimen with decreasing amplitude and a phase shift, the phase shift being dependent on the frequency of oscillation, thickness, and thermal diffusivity of the specimen. With appropriate conditions for the experiment, the phase shift is simple to measure and record.

The experimental method and apparatus are discussed. Difficulties with the choice of materials and details of the experimental design are outlined. Complications arising from radiative transport and the limitations placed on the apparatus to avoid interference from the effect are described. Some results of the measurement are discussed briefly.

Résumé

Les méthodes conventionnelles de mesure de la conductibilité thermique ne sont pas applicables aux oxides liquids contenant une forte concentration de fer, entre 1200 et 1600°C. Le principal problème est une attaque par le liquide du contenant, dessondes, etc. Pour pallier cette difficulté, nous avons développé une methode permettant d'effectuer des measures pendant des tempstrés courts et sur de tout petits échantillons. Pour la méthode utilisée, la température de l'une des faces de l'échantillon oscille à une fréquence et une amplitude choisies; cette oscillation traverse l'échantillon ce qui entraïne une diminution de l'amplitude et un décalage de phase, décalage fonction de la fréquence utilisée, de l'épaisseur de l' échantillon et de son coefficient de diffusion thermique. Le décalage de phase se mesure facilement et est enregistré dans des conditions expérimentales correctes.

Dans cet article nous décrivons la méthode expérimentale et l'appareillage utilisés, ainsi que les difficultés rencontrées pour le choix des matéiaux et la mise au point du montage. Il est fait part en outre des complications survenues à cause du transfert par radiation et des limites imposées au montage pour les éviter. Brièvement, nous discutons de quelques résultats obtenus.     

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).