Experimental and theoretical analysis of isothermal austenite decomposition in ultra-low and low carbon steels

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit ist, den Mechanismus der Umwandlung von Austenit in Ferrit für kohlenstoffärmste bis -arme Stähle zu untersuchen. Dafür wurden industrielle Qualitätsstähle einerseits zu Hohlzylindern und andererseits zu massiven zylindrischen Proben verarbeitet und thermisch in einem High-Speed-Quenching Dilatometer behandelt. Die Austenitisierungstemperatur für die Hohlzylinder war 950°C, während 950 und 1100°C für die massiven Proben gewählt wurde. Die IT-Temperaturen waren zwischen 890 und 660°C. Die Proben wurden bei 950°C für 300s und bei 1100°C für 600s gehalten. Die Kühlrate für die Hohlproben betrug bis zu 3400K/s, die massiven Zylinder wurden mit 40K/s gekühlt.<br />Dilatometer-Daten aller Proben, von kohlenstoffärmsten zu kohlenstoffarmen Stählen, werden in I-TTT-Diagrammen dargestellt.<br />Simulationen zum Erstellen dieser I-TTT-Diagramme wurden mit den Softwarepaketen MatCalc und DICTRA durchgeführt, verglichen und dienten des weiteren zum besseren Verständnis der wirksamen Mechanismen hinter dem Austenit-Zerfall.<br />Als entscheidende Mechanismen konnten für die Hohlzylinder mit niedrigsten Kohlenstoffgehalten grenzflächen-kontrollierte und eventuell eine zweistufige Transformationskinetik erkannt werden. Die nieder- bis mittellegierten kohlenstoffarmen Hohl- und Massivproben, austenitisiert bei 950°C, zeigten diffusionskontrollierte zweistufige Umwandlungskinetik. Bei den Vollzylindern (massive Proben) dieser Legierung, austenitisiert bei 1100°C, konnten keine grenzflächen-kontrollierte Umwandlungen unmittelbar erkannt werden. Im Vergleich dazu zeigten die Stähle mit dem höchsten C-Gehalt nur diffusionskontrollierte Umwandlungskinetik, unabhängig von der Abkühlgeschwindigkeit oder der Art der Probe.<br />

The aim of the present work is to investigate the mechanism of the austenite to ferrite transformation in ultra-low to low carbon steels. In this regard, industrial quality steels were machined into standard hollow and solid cylindrical samples and thermally treated in a high-speed quenching dilatometer. The austenitization temperature for hollow samples was 950°C, whereas it was 950 and 1100°C for solid samples. The IT temperatures are chosen between 890 and 660°C. Samples were soaked at 950°C for 300s and at 1100°C for 600s. For hollow samples, cooling rates were up to 3400K/s, whereas for solid samples it was 40K/s. Dilatation data of all samples of ultra-low to low carbon steel were used to sketch the I-TTT diagrams. Thermo-kinetic simulations with the software MatCalc and DICTRA were carried out to construct the I-TTP diagrams for comparison purpose and to understand the mechanism responsible for austenite decomposition. From the mechanism point of view, hollow samples of ultra-low carbon steel were showing interface-controlled and, eventually, two-stage transformation characteristics. Solid samples of this alloy were showing diffusion-controlled, interface-controlled and two-stage transformation kinetics. The hollow and solid samples of low carbon steel austenitized at 950°C with lower and intermediate alloying contents were showing diffusion-controlled, two-stage and massive transformation mechanisms, whereas solid samples, which were austenitized at 1100°C were not showing any entirely interface-controlled massive transformation mechanism. In comparison, the low carbon alloy with highest C-content was showing only diffusion-controlled transformation kinetics irrespective of the cooling rate or type of sample.<br />