New materials are always being developed to get the best properties possible where needed. The way to create these materials and test them is also developing. When it comes to high-strength steels, a martensitic microstructure is a common choice. Martensite is a diffusionless phase transformation that generates the brittle martensitic microstructure. Tempering is a process where the brittle martensite is heat treated to make it more ductile and tough while simultaneously precipitating secondary phase particles that could help to strengthen the material. This study focuses on a novel dual-hardening martensitic steel that combines two different precipitates: carbides and intermetallics. The investigations are performed using simulations with the Thermo-Calc module TC-PRISMA to analyse the precipitation. The precipitation modelling is also compared to experimental data from the literature to evaluate the accuracy of the modelling. Out of the six alloys in this study, five were supposed to have NiAl precipitates. What was found was that two alloys, Alloy B and Alloy E, had NiAl precipitates that showed in PRISMA. In the three alloys that did not show NiAl precipitates, two of them did not have the phase stable at respective ageing temperatures. In the last alloy, that only had carbides, both of the precipitates showed up in PRISMA. More work needs to be done on co-precipitation, with comparison between simulations and experiments to confirm that the databases are reliable enough to be used to develop the materials of the future. / Nya material utvecklas hela tiden för att få de bästa möjliga egenskaperna där det behövs. Sättet att skapa dessa material, och testa dem, håller också på att utvecklas. När det gäller höghållfastastål är en martensitisk mikrostruktur ett vanligt val. Martensit är en diffusionsfri fasomvandling som genererar denna spröda martensitiska mikrostruktur. Härdning är en process där den spröda martensiten värmebehandlas för att göra den mer seg och duktil samtidigt som den skiljer ut sekundärfas-partiklar som kan hjälpa till att stärka materialet. Denna studie fokuserar på ett nytt dubbelhärdat martensitiskt stål som kombinerar två olika utskiljningar: karbider och intermetalliska utskiljningar. Undersökningarna utförs med hjälp av simuleringar med Thermo-Calc-modulen TC-PRISMA för att analysera utskiljningarna. Utskiljningsmodelleringen jämförs också med experimentella data från litteraturen för att utvärdera modellens noggrannhet. Av de sex legeringarna i denna studie skulle fem ha NiAl-utskiljningar. Det som konstaterade svar att endast två legeringar, legering B och legering E, hade NiAl-utskiljningar som visades i PRISMA. I de tre där det inte visades hade två av dem inte den fasen stabil vid respektiveåldringstemperaturer. Den sista legeringen hade bara karbider och i PRISMA dök de båda två upp. Mer arbete måste göras med samhärdning, med jämförelser mellan simuleringar och experiment för att bekräfta att databaserna är tillförlitliga nog för att kunna användas för att utveckla framtidens material.

In this study, the goal is to predict the microstructure evolution during and after the hot working of a martensitic stainless steel with 13% chromium using a physically-based model in the form of a MATLAB toolbox. This model is based on dislocation density theory and consists of coupled sets of evolution equations for dislocation, vacancies, recovery, recrystallization, and grain growth. The focus in this work is on the flow stress calculation and the effect of second phase particles on the strengthening mechanisms in the material at elevated temperatures. Recovery and recrystallization are also studied for this alloy during deformation and following stress relaxation. The experimental part of this work was performed with a Gleeble thermo-mechanical simulator over the temperature range of 850 to 1200°C. Samples were investigated later by a light optical microscope (LOM) and a scanning electron microscope (SEM) equipped with energy dispersive X-ray spectroscope (EDS). Hardness test and phase isolation were also performed on the samples and the results are compared with the modeling results. The model can satisfactorily predict the grain growth, recovery, recrystallization, and flow stress for this alloy. Further investigation on the second phase particles showed that the measured mean size of carbides has a good agreement with what is obtained from the model and the hardness values. On the other hand, the modeled volume fraction of the carbides followed a slightly different trend comparing to hardness values, and phase isolation results at temperatures higher than 1000°C. Additionally, the Ms temperature and fraction of the martensite phase are calculated for quenched samples where the results are following the measured hardness values. Finally, the Zener-Hollomon parameter (Z) and its relation to the flow stress and the activation energy for deformation are defined. The dynamic recrystallization (DRX) kinetic is modeled and the fraction DRX was calculated at various temperatures and strain rates for this alloy. / I denna studie är målet att förutsäga mikrostrukturutvecklingen under och efter varmbearbetning i ett martensitiskt rostfritt stål med 13 % krom med hjälp av en fysisk baserad modell i form av en MATLAB verktygslåda. Denna modell är baserad på en teori för dislokationstäthet och bestårav kopplade uppsättningar av evolutionsekvationer för dislokation, vakanser, återhämtning, rekristallisation och kornstillväxt. Fokus i detta arbete är beräkning av flytespänningen och effekten av sekundärfaspartiklar på härdningsmekanismerna i materialet vid höga temperaturer. Återhämtning och rekristallisation studeras också för denna legering under deformation och efter spänningsrelaxation. Den experimentella delen av detta arbete utfördes med en Gleeble termomekanisk simulator inom temperaturområdet 850 till 1200°C. Proverna undersöktes senare med ett ljust optiskt mikroskop (LOM) och svepelektronmikroskop(SEM) utrustad med energidispersiv spektroskopi (EDS). Hårdhetstest och fasisolering utfördes också på proverna och resultaten jämförs med modelleringsresultaten. Modellen på ett tillfredsställande sätt kan förutsäga korntillväxt, återhämtning, rekristallisation och flytspänningen för denna legering. Vidare undersökning av partiklarna i sekundärfasen visade att den uppmätta medelstorleken för karbider har bra överensstämmelse med vad som erhålls från modellen och hårdhetsvärdena. Den modellerade volymfraktionen av karbiderna följde en något annorlunda trend vid temperaturerna högre än 1000°C jämfört med hårdhetsvärden och fasisoleringsresultat. Dessutom beräknas Ms temperaturen och fraktionen av martensitfasen för släckta prover där resultaten följer de uppmätta hårdhetsvärdena. Slutligen definieras Zener-Hollomon-parametern (Z) och dess förhållande till flytspänningen och aktiveringsenergin för deformation. Den kinetiska dynamiska rekristallisation (DRX) modelleras och fraktionen DRX beräknades vidolika temperaturer och töjningshastigheter för denna legering.

In this study, the goal is to predict the microstructure evolution during and after the hot working of a martensitic stainless steel with 13% chromium using a physically-based model in the form of a MATLAB toolbox. This model is based on dislocation density theory and consists of coupled sets of evolution equations for dislocation, vacancies, recovery, recrystallization, and grain growth. The focus in this work is on the flow stress calculation and the effect of second phase particles on the strengthening mechanisms in the material at elevated temperatures. Recovery and recrystallization are also studied for this alloy during deformation and following stress relaxation. The experimental part of this work was performed with a Gleeble thermo-mechanical simulator over the temperature range of 850 to 1200°C. Samples were investigated later by a light optical microscope (LOM) and a scanning electron microscope (SEM) equipped with energy dispersive X-ray spectroscope (EDS). Hardness test and phase isolation were also performed on the samples and the results are compared with the modeling results. The model can satisfactorily predict the grain growth, recovery, recrystallization, and flow stress for this alloy. Further investigation on the second phase particles showed that the measured mean size of carbides has a good agreement with what is obtained from the model and the hardness values. On the other hand, the modeled volume fraction of the carbides followed a slightly different trend comparing to hardness values, and phase isolation results at temperatures higher than 1000°C. Additionally, the Ms temperature and fraction of the martensite phase are calculated for quenched samples where the results are following the measured hardness values. Finally, the Zener-Hollomon parameter (Z) and its relation to the flow stress and the activation energy for deformation are defined. The dynamic recrystallization (DRX) kinetic is modeled and the fraction DRX was calculated at various temperatures and strain rates for this alloy. / I denna studie är målet att förutsäga mikrostrukturutvecklingen under och efter varmbearbetning i ett martensitiskt rostfritt stål med 13 % krom med hjälp av en fysisk baserad modell i form av en MATLAB verktygslåda. Denna modell är baserad på en teori för dislokationstäthet och bestårav kopplade uppsättningar av evolutionsekvationer för dislokation, vakanser, återhämtning, rekristallisation och kornstillväxt. Fokus i detta arbete är beräkning av flytespänningen och effekten av sekundärfaspartiklar på härdningsmekanismerna i materialet vid höga temperaturer. Återhämtning och rekristallisation studeras också för denna legering under deformation och efter spänningsrelaxation. Den experimentella delen av detta arbete utfördes med en Gleeble termomekanisk simulator inom temperaturområdet 850 till 1200°C. Proverna undersöktes senare med ett ljust optiskt mikroskop (LOM) och svepelektronmikroskop(SEM) utrustad med energidispersiv spektroskopi (EDS). Hårdhetstest och fasisolering utfördes också på proverna och resultaten jämförs med modelleringsresultaten. Modellen på ett tillfredsställande sätt kan förutsäga korntillväxt, återhämtning, rekristallisation och flytspänningen för denna legering. Vidare undersökning av partiklarna i sekundärfasen visade att den uppmätta medelstorleken för karbider har bra överensstämmelse med vad som erhålls från modellen och hårdhetsvärdena. Den modellerade volymfraktionen av karbiderna följde en något annorlunda trend vid temperaturerna högre än 1000°C jämfört med hårdhetsvärden och fasisoleringsresultat. Dessutom beräknas Ms temperaturen och fraktionen av martensitfasen för släckta prover där resultaten följer de uppmätta hårdhetsvärdena. Slutligen definieras Zener-Hollomon-parametern (Z) och dess förhållande till flytspänningen och aktiveringsenergin för deformation. Den kinetiska dynamiska rekristallisation (DRX) modelleras och fraktionen DRX beräknades vidolika temperaturer och töjningshastigheter för denna legering.

The development of tool steels for making and shaping other materials requires a better understanding of the material's properties during manufacture. These high-quality steels include many alloying elements, which give increased hardness during tempering. For producing hardened microstructures, austenite generation is essential. The martensite formed by rapid quenching of austenite followed by tempering helps develop high strength steels. Studying carbide precipitation is a challenge as they are very small in size, present only in small volume fractions and high number densities. The carbide reactions are complicated due to so-called metastable carbides, which are only present as part of the precipitation process. This work focuses on model alloys with two main elements in addition to iron and carbon, molybdenum, and vanadium, to clarify and simplify the carbide characterization. This is done to determine the effect of molybdenum and vanadium carbides on the overall hardness. In this work, two model alloys, A and B, are tempered at 550°C and 600°C with the same vanadium content but different molybdenum contents. The hardness of the materials is evaluated and compared at these temperatures. A more detailed characterization work is done for material A with Scanning Transmission Electron Microscopy-Energy Dispersive Spectroscopy (STEM-EDS) to understand the microstructure and analyze the precipitates. Simulations are performed with Thermo-Calc Prisma (TC-Prisma) to support the experimental work, which includes the simulation of the secondary carbide precipitation, mainly molybdenum carbides in material A tempered for 24h at 600°C, and predicts the carbide precipitation behavior in this steel. The results from STEM-EDS and TC-Prisma for material A, show that the small secondary carbides in the martensite contribute to the increased strength of material A. Due to the overaging of the carbides at 600°C, the hardness at 550°C is higher than at 600°C for material A. The given thesis work is an attempt to interpret the development of secondary carbides of Mo and V in the martensitic matrix and their role in the overall hardness. / Den ständiga utvecklingen av högpresterande stål för transport, konstruktion och energisektorn kräver bättre förståelse för materialets egenskaper vid tillverkning. Dessa martensitiska stål inkluderar många legeringselement vilket ger ökad hårdhet vid härdning och anlöpning. Att studera utskiljning av karbider är en utmaning eftersom de är närvarande endast i liten volymsfraktion. Karbidreaktionerna är komplexa till följd av så kallade metastabila karbider vilka endast är närvarande vid en del av utskiljningsförloppet. För att tydliggöra och förenkla karbidkarakteriseringen fokuserar detta arbete på modellegeringar med två huvudelement utöver järn och kol, molybden och vanadin. Detta görs för att fastställa effekten av molybden och vanadinkarbider på den totala hårdheten. I detta arbete studeras två modellegeringar, A och B, härdade och anlöpta vid 550 °C och 600 °C med samma vanadininnehåll men olika molybdeninnehåll. Materialens hårdhet utvärderas och jämförs vid dessa temperaturer. Ett mer detaljerat karaktäriseringsarbete görs för material A med hjälp av STEM-EDS för att förstå mikrostrukturen och analysera utskiljningarna. Simuleringar görs med TC-PRISMA för att stödja det experimentella arbetet, vilket inkluderar simulering av den sekundära karbidutskiljningen och predikterar karbidstrukturen i dessa stål. Resultaten visar att de små sekundärkarbiderna i martensiten bidrar till den ökade styrkan hos material A. Hårdheten vid 550 °C är högre än vid 600 °C för material A eftersom både utskiljningen av karbider är sker långsammare och även dislokationsåterhämtning.