Strength versus ductility of precipitation hardening martensitic stainless steels

Abstract

Ausscheidungsgehärtete martensitische rostfreie Stähle haben eine besondere Bedeutung aufgrund ihrer hohen Festigkeiten, Härte, Zähigkeit und guter Korrosionsbeständigkeit. Mit Warmauslagerung kann sehr hohe Festigkeit erzielt werden. Es ist bekannt, dass die Anfälligkeit für Wasserstoffversprödung martensitischer Cr-Stähle mit erhöhter Zugfestigkeit steigt. In dieser Arbeit werden zwei Arten von Ausscheidungsgehärtelein martensitischer rostfreien Stählen untersucht.<br />Das Gefüge dieser Stähle besteht im lösungsgeglühten Zustand aus ausscheidungsfreiem Martensit. Der Martensit besitz eine Latten-Struktur mit einer sehr hohen Versetzungsdichte. Die Festigkeitssteigernden Ausscheidungen unterscheiden sich in beiden Legierungen: 17-4 PH Legierung ist durch kohärente Kupfer prezipitation ausgehärtet während die 15Cr-7Ni Legierung von G-Phase (Ti6Ni16Si7) gehärtet wird. Bei maximler Aushartung erreichen diese Legierung Festigkeiten > 1500MPa bei Bruch dehnungen > 5%. Die Alterung bei höheren Temperaturen bringt ausreichende Erhöhung dern Bruchdehnung durch die Rückbildung von Austenit. Dieser Rückgebildete Austenit ist unter mechanischer Verformung instabil und produziert einen TRIP-Effekt, der in beiden Materialien gefunden wurde. Die Schweißnähte dieser Stähle sind ebenfalls untersucht. Die Wärmeeinflusszone erfährt eine lokalen Alterung durch die Wärme-aus-breitung von der Schweißnaht. Diese lokalisierte Alterung bildet in der Wärmeeinflusszone überalterte als auch Bereiche unteralterte, abhängig vom anfänglichen Alterungszustand der Grundplatte. Die Mikrostruktur in der Wärmeeinflusszone ist anfällig für Wasserstoffversprödung. Die mikrostrukturelle Charakterisierung wird mittels optischer Mikroskopie Rasterelektronenmikroskopie, Reichstrenelektronen Beugung, Röntgenbeugung und Transmissionselektronenmikroskopie durchgeführt. Die mechanische Prufüng erfolgt mittels Härtemessungen und Zugversuchen. Die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion und rissbildung wurde im versuch geprüft. Die Spannungskorrosionsrisse werden mit Röntgen-Radiografie und Fraktographie untersucht.

Precipitations hardening martensitic stainless steels have special importance due to their high strengths, hardness, good toughness and good corrosion resistance. Aging heat treatment processes can further enhance these properties by the formation of hardening precipitates. It is well known fact that susceptibility to hydrogen embrittlement increases with increased tensile strength in martensitic Cr-steels. In this work the ageing response of two types of precipitation hardening martensitic stainless steels have been investigated. The microstructure of these steels in solution-annealed condition comprises largely of precipitation-free martensite. The martensite consists of lath structure with very high density of dislocations. On ageing, precipitation occurs and increases the tensile strength significantly. The hardening phase which is responsible for strengthening is different in both alloys. The 17-4 PH alloy is hardened by coherent copper precipitation while the 15Cr-7Ni alloy is hardened by G-phase (Ti6Ni16Si7). In peak aged conditions achieve > 1500MPa and > 5% elongation at fracture. The ageing at higher temperatures brings sufficient increase in elongation at fracture values due to the formation of reverse austenite. This reverse austenite is found unstable under mechanical deformation and hence produces a TRIP effect when tested mechanically. This TRIP phenomenon is found in both materials. In the overaged condition elongation at fracture > 20% could be reached maintaining strengths >= 1000MPa.<br />The weldments of these steels are also investigated. The heat affected zone is found to have local ageing due to thermal effects of welding.<br />This localized ageing forms regions in heat affected zone varying from over-aged to under aged, depending upon the initial ageing condition of the base plate. The microstructure in the heat affected zone is found susceptible to hydrogen embrittlement.<br />The microstructural characterization is done by optical microscopy, scanning electron microscopy, electron back scattered diffraction technique, X-ray diffraction and transmission electron microscopy. The mechanical characterization is done by hardness measurements and tensile testing. The susceptibility to stress corrosion cracking has been checked by a laboratory test. Crack analysis is performed by radiography and fractography.