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.     

The structure and properties of warm-rolled steels

Abstract

Microstructure, tensile properties and fracture behaviour were examined in both warm-rolled rods (1150°F, 621°C) and in conventionally hot-rolled rods (1950°F, 1065°C) of four carbon grades (1015, 1038, 1060 and 1090). Both spheroidization of carbides and the development of substructure in the ferrite were produced during warm rolling. The fracture facets were more irregular, indicating an increased amount of plastic tearing, than in the conventionally hot-rolled bars. Compared with hot rolling, the warm rolling caused an increase in yield stress (all grades), in reduction of area (all grades except 1015) and in ratio of yield stress to ultimate tensile stress. The total elongation, with the exception of 1090 steel, was decreased. In the1090-grade rods, the shelf energy for the tear fracture was significantly increased, although the transition temperature was affected very little by warm rolling. In contrast, warm rolling has produced a marked decrease in shelf energy and a 30°C increase in transition temperature for the 1015 material.

Résumé

Les auteurs ont étudié la microstructure, les propriétés mécaniques en traction et la fragilité de barres d'aciers aux carbones 1015, 1038, 1060 et 1090, laminés soit à chaud (1950°F, 1065°C) soit à tiéde (1150°F, 621°C).

Au cours du laminage à tiède, il y a sphéroîdisation des carbures et apparition d'une sous-structure dans la ferrite. D'autre part le faciès de rupture est plus irrégulier, indiquant un accroissement de la ductilité.

Comparé au laminage à chaud, le laminage à tiède produit une augmentation de la limite élastique (pour tous les aciers), du coefficient de striction (pour tous les aciers sauf le 1015) et du rapport limite élastique/résistance à la traction. A l'exception de l'acier 1090, l'allongement à la rupture diminue. Pour l'acier 1090, laminé à tiède, l'énergie de rupture ductile augmente sensiblement, quoique la température de transition varie très peu. Par contre, le laminage à tiéde conduit à une forte diminution de l'énergie de rupture ductile et à une augmentation de 30°C de la température de transition pour l'acier 1015.     

Effect of thermal cycling on the stress orientation and circumferential ductility in Zircaloy-2

Abstract

The radial orientation of hydride in Zircaloy tubing reportedly causes a marked decrease in the circumferential ductility. Zircaloy cladding tubes used in power reactors today are fabricated under conditions controlled so that hydrides in the tube are circumferentially oriented. Applied stress during the precipitation of hydride under cooling affects the orientation in experiments on stress reorientation but the effect of stress has been investigated during only one thermal cycle. In reactor, however, cladding encounters repeated thermal cycles between operating temperature and room temperature. The effects of thermal and stress cycles on the orientation of hydride, simulating reactor operation, were investigated.

After 30 thermal cycles without an applied stress, the hydride orientation did not change, but the length of the hydride platelet depended on the cooling rate. A cooling rate of 80°C/h caused a decrease in hydride size with repeated cycles. The effect of stress was not significant up to 10 kg/mm². Hydride size decreased with increasing number of cycles with an applied stress of 20 kg/mm2 and radially oriented hydrides increased.

The circumferential ductility of Zircaloy-2 tubing subjected to the thermal cycling was measured by flare and flattening tests. Generally, ductility at room temperature was low and increased with increasing temperature. At a high hydrogen concentration of 1000 ppm, ductility at room temperature was zero, whereas at 300°C, the ductility was similar to that of the lowest hydrogen specimen. At a stress of 20 kg/mm², one and five thermal cycles caused a decrease in ductility.

Résumé

L'orientation radiale des hydrures dans les tubes de Zircaloy est la cause d'une diminution marquée de la ductilité circonférentielle. Les tubes de gainage en Zircaloy utilisés dans les réacteurs sont fabriqués dans des conditions telles que les hydrures sont orientes circonférentiellement. L'application d'une contrainte lors de la précipitation des hydrures pendant le refroidissement affecte leur orientation; l'effet d'une telle contrainte n'a cependant été étudié que pendant un cycle thermique. Dans les réacteurs les gaines subissent des cycles thermiques répétes entre l'ambiante et la température de fonctionnement. Les auteurs ont étudié les effets des cycles thermiques et de contrainte sur l'orientation des hydrures en simulant le fonctionnement d'un réacteur.

Après 30 cycles thermiques, sous contrainte nulle, l'orientation des hydrures restait constante mais leur longueur variait avec le taux de refroidissement. Un taux de refroidissement de 80°C/h faisait diminuer la taille des hydrures apres des cycles répétés. Jusqu'à 10 kg/mm² l'effet de la contrainte est négligeable. La taille des hydrures diminue avec un nombre de cycles croissant et une contrainte de 20 kg/mm² et le nombre d'hydrures d'orientation radiale augmente.

La ductilité circonférentielle des tubes de Zircaloy-2 ayant subi des cycles thermiques a éteé mesurée par des essais d'éclatement et d'aplatissement.

D'une façon générale, la ductilité à température ambiante est faible et augmente avec la température. A une teneur élevée en hydrogéne (1000 ppm) la ductilité est nulle à l'ambiante et à 300°C elle est semblable à celie des éprouvettes ayant les plus faibles teneurs en hydrogene. A une contrainte de 20 kg/mm², un et cinq cycles thermiques faisaient diminuer la ductilité.     

Improved Fracture Toughness and Resistance to Fatigue Crack Propagation in ESR Steels

Abstract

Two types of alloy steels (En 24 and En 52 steels) have been electro slag refined and the improvement in their mechanical properties has been assessed. ESR has improved the tensile ductility, plane strain fracture toughness, room temperature CVN energy, fatigue strength and has decreased fatigue crack growth rates. The K _lc values for the ESR steel are nearly twice those estimated in the unrefined steel. Fatigue crack growth rates in region I and region III are found to be decreased considerably in the ESR steel while they are unaffected in region II. The improvement in the mechanical properties has been explained in terms of the removal of large sized nonmetallic inclusions and reduction in sulfur content in the ESR steel.

Résumé

Deux types d'aciers alliés (En 24 et En 52) ont été affinés par refusion sous laitier (ESR) et l'amélioration de leurs propriétés mécaniques a été évaluée. Le procédé ESR a amélioré la ductilité en traction, la ténacité en déformation plane, l' énergie CEV à température ambiante, la résistance à la fatigue et a diminué les taux de croissance des fissures de fatigue. Les valeurs de K_lc des aciers ESR sont presque le double de celles estimees pour les aciers non affinés. Les taux de propagation des fissures de fatigue dans les domaines I et III sont considérablement moins élevés dans les aciers ESR alors qu'ils ne sont pas affectés dans la région II. L'amélioration des propriétés mécaniques a été expliquée en termes de l'enlèvement des inclusions non métalliques de taille importante et de la réduction de la teneur en soufre des aciers ESR.     

Hydride orientation and tensile properties of Zr-2.5 wt% Nb pressure tubing hydrided while internally pressurized

Abstract

An investigation was carried out to determine the orientation and the effect on tensile properties of hydrides precipitated in heat-treated Zr-2.5 wt% Nb tubing during the corrosion hydriding of internally pressurized samples. It was found that as the stress during hydriding was increased the hydrides gradually assumed a characteristic radial orientation nearly perpendicular to the hoop stress. The observed radial hydride orientation was influenced by prior β grain size, residual quenching stresses, cold-work strains and stresses applied while the pressure tube was being hydrided. Hoop stresses in excess of 20,000 psi were required to produce complete radial orientation of the hydrides.

Transverse tensile tests on the hydrided tubes were conducted using a reduced section ring technique. These tests revealed a low ductility at low temperatures with a transition in the range 60°–100°C for material with radially oriented hydrides. Low tensile ductility was observed at significantly higher temperatures when a massive hydride layer was present near the surface of the test samples.

Résumé

Dans des tubes en Zr-2.5 % poids Nb trempé et vieilli et soumis à la corrosion hydrogenante sous pression, une étude a été entreprise pour déterminer l'orientation des hydrures précipités et leurs effets sur les propriétés mecaniques en traction. Les résultants indiquent que lorsque la contrainte augmente pendant léhydrogenation, les hydrures acquièrent graduellement une orientation radiale caractéristique, à peu prés perpendiculaire à la contrainte circonférentielle. Cette orientation radiale des hydrures est influencée par la taille du grain β initial, les contraintes de trempe résiduelles, les déformations à froid et les contraintes appliquées lorsque le tube sous pression est hydrogéné. Des contraintes circonférentielles supérieures à 20,000 psi sont nécessaires pour produire une orientation parfaitement radiale des hydrures.

Des essais de traction en travers des tubes hydrogénés ont été réalisés en utilisant la technique de l'anneau à section réduite. Ces essais ont révélé une faible ductilité à basses températures avec une transition dans le domaine 60°–100°C pour le matériau à hydrures orientés radialement. Une faible ductilité en traction a été observée à des températures beaucoup plus hautes quand une couche massive d'hydrures existait près de la surface des échantillons.     

The partial annealing of low-carbon steel strip

Abstract

Tinplate stock that had been cold reduced 82 % by rolling was partially annealed at temperatures between 460 and 6200 C to produce a variety of mechanical properties corresponding to those which might be obtainable from a continuous annealing line. The properties of this material were compared with those of material that had been cold rolled by various amounts to equivalent strengths.

The ductility of partially annealed material was greatly superior to that of cold-rolled material at virtually all strength levels. The differences in ductility between the two types of material at equal strengths are presented graphically and are related to differences in microstructure. Recovery and recrystallization are responsible for the greatly improved ductility of partially annealed material. The possibility of full-scale plant production of partially annealed steel strip is discussed.

Résumé

Des tôles fines, laminées à froid de 82 %, ant été partiellement recuites à des températures variant de 460°C et 620°C pour obtenir toute une gamme de propriétés mécaniques correspondant à celle produite par recuit en continu. Les propriétés de ce matériau ont été comparées à celles obtenues par différents taux de laminage à froid et ayant alors la même résistance mécanique La ductilité du métal partiellement recuit est largement supérieure à celle de celui n';ayant été que laminé à froid mais ayant à peu pres la même résistance à la traction. La différence de ductilité entre les deux types de traitement, à résistance égale, est portée en graphique et est reliée aux différences de microstructures. L'augmentation de ductilité du matériau partiellement recuit est attribuable à la restauration et à la recristallisation. La possibilité d'implantation d'usine pour des tôles d'acier partiellement recuit est discutée.     

Effects of nitrogen and helium shielding mixtures on semiaustenitic stainless steel welds

Abstract

The effect of nitrogen-helium atmos pheres used as a shielding gas for welding of some semiaustenitic stainless steels was studied. Nitrogen, being a strong austenite stabilizer, has the tendency to suppress the amount of retained delta ferrite in the weldment. The addition of 1.0 per cent nitrogen by volume to the helium shielding gas increased the tensile strength of the weldment approximately 4000 psi to within about 1 per cent of the parent metal, and the ductility approximately 33 per cent to within 95 per cent of the parent metal.

The additions of nitrogen to the shielding gas significantly reduced the a mo unt of retained ferrite. However, increasing the nitrogen in excess of 1 per cent by volume drastically reduced the tensile strength and ductility. It is suggested that this reduction in strength and ductility is the result of pertinent alloying components being used up in the formation of nitrides.

Résumé

Les auteurs ont étudié 1'influence de mélanges d'hélium et d'azote utilisés comme gaz de couverture en soudage d'aciers inoxydables semi austénitiques. Stabilisateur puissant de 1'austénite, l'azote tend à diminuer la teneur en fer delta des soudures. En utilisant un gaz renferment 1% en volume d'azote, la résistance à la traction des éprouvettes accuse une augmentation de 4000 psi, la relevant ainsi jusqu'à un écart aussi petit que 1% de la résistance du métal de base; concomitamment, l'allongement s'améliore de 33% et ainsi s'approche jusqu'à 95% de l'allongement du métal de base. L'influence de l'azote, comme moyen de réduire la teneur en fer delta est significative. Toutefois, dès que la quantité d'azote dépasse 1% en volume, la résistance à la traction et l'allongement fléchissent considérablement. Les auteurs avancent que le fléchissement est le résultat de la fixation d'éléments d'alliage par l'azote.     

Fabrication Technology And Material Property Requirements For Heavy Wall Pressure Vessels

Abstract

The joining of heavy section steels in the fabrication of large pressure vessels is reviewed. For thicknesses ≥ 100mm, narrow-gap welding processes offer a significant saving in weld metal volume, increased productivity, and acceptable levels of mechanical properties, i.e. notch toughness.

The in-service properties of pressure vessel steels are discussed, with particular emphasis on 2.25 Cr–1 Mo base metal and stainless steel weld overlay. The results of a study of the effect of phosphorus and silicon on temper embrittlement of 2.25 Cr–1 Mo steel and the role of rare earth additions in reducing the susceptibility to temper embrittlement are presented. The presence of hydrogen in stainless steel overlay can lead to (1) a loss in ductility depending on the amount of sigma phase, and (2) disbonding at the overlay/base metal interface.

Résumé

L'assemblage d'aciers prolifés lourds dans la fabrication de gros bacs sous pression est revu. Pour une épaisseur supérieur ou égale à 100mm (≥ 100mm), le soudage avec faible écartement des bords offre une économie importante dans le volume du métal de soudure, une productivité augmentée et des propriétés mécaniques de niveaux acceptables, comme la résistance des encoches.

Les propriétés des aciers pour bacs sous pression sont discutés, en mettant un accent particulier sur le métal commun 2.25 Cr–1 Mo et les recouvrements de soudure en acier inoxydable. Les résultats d'une étude de l'effet du phosphore et du silicium sur l'accroissement de la fragilite à revenu du metal 2.25 Cr–1 Mo et le rôle des rares additions de terre dans la réduction de la susceptibilite a l'accroissement de la fragilité a revenusont présentés. La presence d'hydrogene dans le recouvrement des aciers inoxydables selon le nombre de phase sigma, et (2) au relâchement des liens a l'interface du métal commun et du recouvrement.     

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.     

High modulus steels: new requirement of automotive market. How to take up challenge?

Since the last decade, lightening of automotive structure was mainly achieved by gauge reduction using ultrahigh strength steels such as dual phase and transformation induced plasticity grades. However, gauge reduction can significantly reduce the stiffness. Limits are today reached for some applications such as chassis/suspension part. Development of steel with improved specific stiffness becomes more and more relevant to go further in weight reduction. Development of steel matrix composites (SMCs) with ceramic reinforcements is a promising solution. With an appropriate selection of the ceramic, eutectic solidification can be achieved. This natural production route guarantees a good cohesion of the steel/reinforcement interface and the control of the main parameters, which provide final properties of the product (size, shape, clustering of reinforcement). Significant fraction of ceramic can be obtained (10–25 vol.-%). Eutectic SMC can be produced with conventional industrial process such as continuous casting and hot strip mill which guarantees high productivity and low cost.

Depuis la dernière décennie, l’allègement des structures automobiles a été réalisé en grande partie par la réduction des épaisseurs au travers l’utilisation d’aciers à très haute résistance tels que les aciers DP (biphasés) et TRIP (à plasticité induite par transformation). Cependant, cette réduction des épaisseurs peut entraîner une baisse de rigidité. Aujourd’hui, les limites ont été atteintes pour certaines applications telles que les composantes châssis et suspension. Le développement d’acier à rigidité spécifique améliorée devient une voie de développement de plus en plus pertinente pour progresser dans la réduction de poids. Le développement de composites à matrice d’acier et renfort céramique est une solution prometteuse. Au travers d’une sélection appropriée de la céramique, on peut obtenir une solidification eutectique. Cette route naturelle de production des aciers garantit une bonne cohésion de l’interface acier/renfort ainsi que la maîtrise des principaux paramètres qui contrôlent les propriétés finales du produit (taille, forme, agglomération du renfort). Des fractions significatives de renfort céramique peuvent être atteintes (10–25% en volume). Les composites à matrice métallique (CMM) eutectique peuvent être élaborés par des procédés industriels conventionnels tels que la coulée continue ou le laminage à chaud qui garantissent une productivité élevée et un faible coût.     

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.     

Modification of Roll Pass Design of Low Pearlite,Fine-Grained Sheet Steel Using Numerical Modeling and Processing Maps

Abstract

The main objective of this pass design is to achieve fine-grained structure with high strength properties and good ductility for 2.0 mm thickness steel sheet on a six stand finishing mill. Numerical modeling is used to evaluate the different rolling parameters while processing maps are used to determine a workability “window” in which dynamic recrystallization must occur.

The existing rolling parameters would not lead to a dynamically recrystallized structure. The proposed technique retains the sequence of reduction in thickness at the working temperatures, while it diminishes the rotational speed of the first stand and consequently all the other stands. The first stand is proposed to rotate with 25 rpm at 7.2 s-1 rate of deformation. The final rotational roll speed would be 177 rpm at stand no. 6 with 83.4 s-1 rate of deformation at 850 °C. Rolling force and torque needed in the proposed technique are lower than those in the existing ones at most of the passes. The proposed technique saves energy as it reduces the power consumption.

Le principal objectif de cette conception de passe de laminoir est d'obtenir une structure à grain fin avec des propriétés de résistance élevée et une bonne ductilité pour une tôle d'acier d'une épaisseur de 2.0 mm, sur un laminoir finisseur à six cages. On utilise la modélisation numérique pour évaluer les différents paramètres de laminage alors qu'on utilise les plans de formage pour déterminer une "fenêtre” de fabricabilité dans laquelle doit se produire une recristallisation dynamique.Les paramètres actuels de laminage ne peuvent conduire à une structure dynamiquement recristallisée. La technique proposée retient la séquence de réduction en épaisseur aux températures d'opération, tout en diminuant la vitesse de rotation de la première colonne et, par conséquent, de toutes les autres colonnes. On propose que la rotation de la première colonne soit de 25 rpm, avec un taux de déformation de 7.2 s-1. La vitesse du dernier rouleau serait de 177 rpm à la colonne no. 6, avec un taux de déformation de 83.4 s-1, à 850 °C. La force de laminage et le moment de torsion nécessaires pour la technique proposée sont plus bas que ceux qui existent déjà pour la plupart des passes. La technique proposée conserve l'énergie puisqu'elle réduit la consommation de pouvoir.     

Intercritical Deformation of Low Carbon Steel

Abstract

Improving the strength of steel sheets by increasing the carbon content decreases the formability and highly impairs the weldability. Thermomechanical processing (TMP) is one of the most important mechanisms that simultaneously enhances the strength and ductility while keeping the excellent weldability of low carbon steel. The influence of TMP in the (α + γ) region on the microstructure and mechanical properties of low carbon steel (LC) is investigated. The TMP was carried out by rolling at 760, 810 and 860 C with different amounts of reductions followed by water quenching. Rolling was maintained at 5 m/min rolling speed. The results showed that high strength with good elongation was obtained using intercritical deformation at both 810 °C and 70% total rolling reduction.

L’amélioration de la résistance mécanique des feuilles d’acier par augmentation du contenu en carbone diminue la formabilité et affecte beaucoup la soudabilité. Le traitement thermomécanique (TMP) est l’un des mécanismes les plus importants qui augmentent simultanément la résistance mécanique et la ductilité tout en conservant une excellente soudabilité de l’acier à faible teneur en carbone. On étudie l’influence du TMP dans la région (α + γ) sur la microstructure et les propriétés mécaniques de l’acier à faible teneur en carbone (LC). On a effectué le TMP par laminage à 760, 810 et 860 °C, avec différentes quantités de réduction, suivi par la trempe à l’eau. On a maintenu la vitesse de laminage à 5 m/min. Les résultats ont montré qu’on obtenait une résistance mécanique élevée avec une bonne élongation en utilisant la déformation intercritique à 810 °C et 70% de réduction totale par laminage.     

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.     

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.     

On failure mode of resistance spot welded DP980 advanced high strength steel

Abstract

This paper aims at investigating the correlation between metallurgical and mechanical characteristics of DP980 dual phase steel resistance spot welds with attention focused on the transition in failure mode from interfacial to pullout mode during the tensile shear test. It was studied whether the conventional/industrial weld size criteria can produce pullout failure modes for DP980 spot welds. Based on theoretical analysis and experimental results, there is a minimum fusion zone size which beyond that the interfacial failure mode is avoided. Results showed that by increasing welding current, pullout failure mode was promoted due to increasing the fusion zone size and encouraging martensite tempering in subcritical heat affected zone (HAZ). Fusion zone size was proved to be key factor controlling mechanical properties of DP980 welds in terms of peak load, ductility and failure energy.

Ce document vise à examiner la corrélation entre les caractéristiques métallurgiques et mécaniques de soudures par points par résistance de l’acier biphasé DP980, en mettant l’accent sur la transition du mode de défaillance de mode d’interface à mode par arrachement lors de l’essai de traction-cisaillement. On voulait savoir si les critères conventionnels ou industriels de taille de la soudure pouvaient produire des modes de défaillance par arrachement des soudures par points de DP980. L’analyse théorique et les résultats expérimentaux indiquent qu’il y a une taille minimale de la zone de fusion au-delà de laquelle on évite le mode de défaillance d’interface. Les résultats ont montré qu’en augmentant le courant de soudage, le mode de défaillance par arrachement était favorisé, à cause de l’augmentation de la taille de la zone de fusion et de l’encouragement du revenu de la martensite dans la HAZ sous critique. On a démontré que la taille de la zone de fusion constituait une composante clé contrôlant les propriétés mécaniques des soudures de DP980 en ce qui a trait à la charge de pointe, à la ductilité et à l’énergie de défaillance.     

Wear resistance of coke-crushing hammers

Abstract

This work investigated several methods for improving the wear resistance of the 42CrMo4 tool steel used for coke-crushing hammers. The methods embraced heat treatment for obtaining different combinations of strength and ductility of the bulk steel, and surface-engineering processes comprising TiN thin-film deposition using magnetron-sputtering, nitriding and WC/Ni weld deposit surfaced by gas metal arc (GMA) method. The wear-resistance was tested under industrial conditions. Oil quenching and tempering significantly increased the wear resistance in comparison to the as-received condition. Conversely, nitriding and TiN-hard coating did not show any significant improvement. WC/Ni weld deposit provided the best protection against wear, which was caused predominantly by hard abrasive particles present in the coke.

Ce travail a examiné quelques méthodes d’amélioration de la résistance à l’usure de l’acier à outils 42CrMo4, utilisé pour les marteaux de broyage de coke. Les méthodes incluaient le traitement thermique pour l’obtention de combinaisons diverses de résistance et de ductilité de l’acier en vrac, ainsi que les procédés d’ingénierie des surfaces comprenant le dépôt de couche mince de TiN par pulvérisation au magnétron, la nitruration ainsi que le surfaçage par dépôt de soudure de WC/Ni par la méthode de soudure à l’arc sous gaz (GMA). On a évalué la résistance à l’usure en conditions industrielles. La trempe à l’huile avec revenu augmentait significativement la résistance à l’usure par rapport au métal brut d’usinage. Inversement, la nitruration, et le revêtement dur de TiN n’ont pas montré d’amélioration importante. Le dépôt de soudure de WC/Ni fournissait la meilleure protection contre l’usure, qui était principalement causée par les particules abrasives dures présentes dans le coke.     

Development of high strength zirconium alloys

Abstract

Assessment of the effects of various alloying elements and strengthening methods in zirconium alloys has indicated that alloys with adequate strengtl1 for use as pressure tube material at temperatures above 400°C can be developed. Ternary, quaternary and quinary alloys based on zirconium have been prepared and subjected to various thermal and deformation treatments. Their age-hardening behaviour and tensile properties are described and some information on their corrosion resistance and response to fast neutron irradiation at 300° and 450°C is presented. The target of UTS in the range 90–120 kpsi at 450°C can be achieved in alloys having an acceptable thermal neutron capture cross section. Adequate strength combined with the ductility necessary for pressure tube fabrication can be obtained by air cooling selected alloys from temperatures high in the (α + β) range.

Résumé

L'evaluation des effets de divers éléments d'alliage et des méthodes dc durcissement permet de croire que des alliagcs ayant une résistance adéquate peuvent être développés pour des tubes de force utilisés à des températures supérieures à 400°C. Des alliages ternaires, quaternaires et quénaires à base de zirconium ont été préparés et soumis à divers cycles thermiques et cycles de déformation. L'étude a porté sur leur vieillissement et leurs propriétés en traction; quelques observations sur leur tenue en corrosion et en irradiation par des neutrons rapides à 300° et 450°C sont présentées. Il est possible d'atteindre des résistances à la traction de 90 à 120 kpsi a 450°C pour des alliages ayant une faible section de capture des neutrons. Une résistance suffisante jointe à la ductilité nécessaire pour la fabrication des tubes peut être obtenue par refroidissement à l'air de certains alliages à partir d'une température élevée dans le domaine α + β.     

Effect of oxygen and fabrication variables on the mechanical properties of Zircaloy tubing

Abstract

The effects of oxygen concentration and fabrication variables on the mechanical properties of Zircaloy-2 tubing were investigated.

The strength can be adjusted with a sma11loss of ductility by controlling oxygen concentration. Cold reduction in the range of this study has a large effect on recrystallization and ductility but little on texture. The Q value, the ratio of the wall thickness reduction to the diameter reduction during fabrication, has a significant effect on texture, hydride orientation and deformation behaviour.

Tubes produced with a high Q value possess a superior combination of strength and ductility than tubes produced with a low Q value.

In burst testing, axial contraction contributes greatly to the circumferential elongation due to the difficulty of thickness reduction in high- Q tubes. In low- Q tubes, both thickness reduction and axial contraction, which is smaller than that in high-Q tubes, contribute to the circumferential elongation.

In practice, the optimum fabrication conditions for each fuel design must be determined.

Résumé

Les effets de la teneur en oxygène et du mode de fabrication sur les propriétés mécaniques de tubes en Zircaloy-2 ont été étudiés.

En controlant la teneur en oxygène, la résistance de ce matériau peut être ajustée avec une faible diminution de la ductilité. Dans le domaine de cette étude, l'écrouissage a une forte influence sur la recristallisation et la ductilité mais trés peu sur la texture. La valeur de Q (rapport entre la réduction de l'épaisseur des parois du tube et la réduction du diamétre) joue un rôle significatif sur la texture, sur l'orientation des hydrures et sur le comportement à la déformation.

Les tubes fabriqués avec une forte valeur de Q ont une meilleure combinaison de résistance et de ductilité.

Lors d'essais d'ec1atement, la contraction axiale contribue beaucoup a l'allongement circonférentiel pour les valeurs élevées de Q, car l'épaisseur des parois peut difficilement être réduite. Pour les faibles valeurs de Q la réduction de l'épaisseur et la contraction axialc, inférieure dans un cas précédent, contribuent simultanément à l'allongement circonférentie1.

En pratique il est nécessaire, pour tous les cas, de déterminer les conditions optimales de fabrication.     

Superplasticity in a commercial copper dispersion alloy

Abstract

The high-temperature ductility of a fine-grained commercial copper dispersion alloy (CDA 638 - Cu - 2.8% Al - 1.8% Si - 0.4%. Co) has been investigated in the temperature range 400°–800°C at strain rates of 10-2 to 1 min-I. Ductility was markedly temperature and strain rate dependent with a maximum of 320 % at 550°C and 3.9 × 10^?2 min^?1. The strain rate sensitivity of the flow stress was about 0.5 under these conditions and the behaviour can be termed ‘superplastic’. Extensive intergranular cavitation was observed which restricts the ductility; to optimize ductility in this alloy the factors of both cavitation and strain rate sensitivity must be evaluated.

Résumé

La ductilite d'un alliage commercial de cuivre à particules dispersées (CDA 638 – Cu: 2.8% Al, 1.8% Si, 0.4% Co) a été étudiée dans l'intervalle de température 400–800°C pour des vitesses de déformation entre 10^?2 et 1 min^?1. La ductilityé dépendant fortement de la température et de la vitesse de déformation avec une valeur maximale de 320% à 500°C pour une vitesse de 3.9 × 10^?2 min^?1. Ce comportement est considéré comme superplastique dans le mesure où l'exposant reliant la contrainte et la vitesse de déformation a une valeur de ～0.5 dans ces conditions. La ductilité est limitée par une cavitation intergranulaire importante et pour l'augmenter il faut tenir compte de ce facteur aussi.