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Stress corrosion cracking (SCC) from the external surface of a buried pipeline is a serious matter and can cause significant economic and environmental losses. Despite of many research works which have been done on the understanding of crack initiation and propagation mechanisms, these mechanisms are still being debated. This research studied the crack growth behaviour of different pipeline steels including two types of X65, one X52 and one X80 pipeline steels in near-neutral pH environments. Crack growth behaviour of all steels has been found to be consistent with that of true corrosion fatigue. Crack growth rates were correlated with (K)2Kmax/f0.1. It was revealed that cracking behaviour of pipeline steels in near neutral pH environments is material dependent. Highest crack growth rate was seen in the steel which highest amount of hydrogen atoms could be generated and stored in its microstructure to contribute in cracking procedure due to hydrogen embrittlement effect. / Materials Engineering

This thesis focus on investigations of the influence of non-metallic inclusions on corrosion in steel samples taken at different stages of the steel production when producing pipeline steels. The electrolytic extraction technique was used to extract inclusions from these steel samples and thereafter studying them using scanning electron microscopy in combination with energy dispersive microscopy. This approach enabled three-dimensional evaluations of different non-metallic inclusions present in two metal samples of low-carbon Ca-treated pipeline steels. The modification of the inclusion characteristics was investigated and compared for steel samples taken from various stages of the smelting production process. Thereafter, the corrosion resistance of these steels was discussed depending on the characteristics of non-metallic inclusions present in the steel. In addition, this study also presents a new method of soft chemical extraction for qualitative and quantitative evaluations of the initial corrosion processes of a steel matrix surrounding various non-metallic inclusions. The results showed that the initial dissolution of the steel matrix started in areas surrounding CaS inclusions or inclusion phases containing a CaS phase. Furthermore, the results showed that no dissolution of the metal matrix surrounding CaO·Al2O3 and TiN inclusions could be detected.     Key words: pipeline steels, Ca-treatment, non-metallic inclusions, electrolytic extraction, corrosion, chemical extraction. / Sammanfattning Denna avhandling fokuserar på påverkan av icke-metalliska inneslutningar på korrosion i stålprover tagna under olika delar av ståltillverkningsprocessen för tillverkning av rör. Den ektrolytiska extraktionstekniken användes för att extrahera dessa inneslutningar från stålprover och därefter undersöka dem med användande av svepelektronmikroskopi i kombination med energidispersiv spektroskopi. Detta angreppssätt möjliggjorde tredimensionella studier av olika icke-metalliska inneslutningar i två lågkolhaltiga kalciumbehandlade metallprover som används för tillverkning av rör. Modifieringen av inneslutningars karakteristik undersöktes i prover tagna från olika delar av ståltillverkningsprocessen. Därefter så undersöktes motståndet mot korrosion baserat på karakteristiken hos de icke-metalliska inneslutningar som återfanns i stålproverna. Denna studie presenterar också en ny metod baserad på en försiktig kemisk extraktion för kvalitativa såväl som kvantitativa utvärderingar av den initiala korrosionsprocessen av stålmatrisen som omger olika typer av icke-metalliska inneslutningar. Resultaten visade att den initiala upplösningen av stålmatrisen började runt CaS inneslutningar eller komplexa inneslutningar innehållande en CaS fas. Samtidigt så visade resultaten att metallmatriser som omger CaO·Al2O3 och TiN inneslutningar eller faser innehållande dessa inte löstes upp.   Nyckelord: stål för tillverkning av rör, kalciumbehandling, icke-metalliska inneslutningar, elektrolytisk extraktion, korrosion, kemisk extraktion.

La bonne ténacité des aciers pour gazoducs aux basses températures est nécessaire pour éviter la propagation de fissures de manière catastrophique. Cette étude vise à améliorer la compréhension physique et l'évaluation quantitative du comportement à rupture des aciers pour gazoducs laminés à chaud, en nous intéressant plus particulièrement aux températures au pied de la transition ductile-fragile .La résilience de ces aciers est généralement validée à l'aide d'essais dits drop weight tear tests (DWTT), après lesquels le faciès de rupture doit contenir moins de 15% de zone fragile. Pour les aciers mis en forme par laminage thermomécanique (TMCP), des ruptures fragiles hors plan, comme le délaminage (qui se propage dans le plan de laminage de la tôle), et la rupture fragile en biseau le long des plans dits thêta (inclinés de 40° autour de la direction de laminage par rapport au plan de laminage) apparaissent dans la transition ductile-fragile. Ces modes de rupture, observés lors des essais de résilience (DWTT, Charpy) et de ténacité (CT), affectent la résistance à la rupture de ces aciers.L'anisotropie de l'écoulement plastique, puis celle de la sensibilité à la rupture par clivage ont été caractérisées en fonction de la température, à l'aide d'essais de traction sur des éprouvettes lisses et entaillées conçues pour cette étude. L'analyse mécanique de ces essais à l'aide de calculs par éléments finis a permis de déterminer des contraintes critiques de clivage dans les directions perpendiculaires au plan de laminage et aux plans thêta. Les valeurs obtenues dans ces directions sont de 25% inférieures à celles correspondant aux directions de laminage et travers long.L'anisotropie de la contrainte critique de clivage a été quantitativement corrélée à l'anisotropie de microtexture du matériau. Des entités appelées « facettes de clivage potentielles » ont été définies et mesurées dans cette étude, comme des régions contenant un plan {100} défavorablement orienté et dans lesquelles les fissures de clivage se propagent sans être arrêtées. Par exemple, un plan contenant 20% de facettes de clivage potentielles aurait une contrainte critique de clivage de 20% moins élevée qu'un plan présentant seulement 10% de facettes de clivage potentielles.La taille et la forme de ces facettes de clivage potentielles évoluent avec la déformation plastique. Par conséquent, la contrainte critique de clivage est affectée par l'historique de déformation. Dans le cas du délaminage, les facettes de clivage potentielles s'allongent au cours d'un chargement dans la direction travers long, conduisant à une augmentation de leur taille effective et par conséquent à une diminution (qui peut atteindre 30%) de la contrainte critique de clivage dans le plan de la tôle. Cette diminution facilite in fine l'apparition du délaminage. De plus, la présence de micro-fissures ductiles facilite la rupture par délaminage en modifiant l'état de contrainte local. Un critère a ainsi été proposé pour prédire numériquement l'amorçage du délaminage dans des éprouvettes de traction et/ou de résilience Charpy.L'application de cette approche à des échantillons traités thermiquement et à des échantillons pré-déformés a montré que la sensibilité au délaminage pouvait être contrôlée en modifiant la texture locale initiale du matériau. / High toughness of pipeline steels at low temperature is required to avoid catastrophic propagation of brittle crack. The aim of the study is to improve physical understanding and quantitative assessment of the toughness behavior of hot-rolled pipeline steels, focusing on the lower part of the ductile to brittle transition temperature range.The impact toughness of these steels is commonly validated using drop weight tear tests (DWTT), on the basis of fracture surfaces that must exhibit less than 15% of brittle fracture appearance. In thermomechanical control processed steels, brittle out-of-plane cracks such as delamination (which propagates along the rolling plane), and brittle tilted fracture (BTF) along theta-planes (tilted around RD by 40° with respect to rolling plane), have been characterized in the ductile to brittle transition temperature range, for both industrial (DWTT) and laboratory Charpy impact tests. In both cases, as well as in fracture toughness tests, such brittle out-of-plane cracking has been shown to impair the impact toughness.The anisotropy in plastic flow and sensitivity to cleavage fracture has been characterized as a function of temperature, by using tensile tests on specifically designed smooth and notched specimens. From finite element mechanical analysis of these tests, critical cleavage stresses normal to the rolling plane and the theta-plane are considerably lower (around 25%) than for planes normal to the rolling and transverse directions.The anisotropy in critical cleavage stress has been quantitatively correlated to microtexture anisotropy. So-called “potential cleavage facets” have been defined and measured in this study, as regions with unfavorably oriented {100} planes, which are taken as unit crack paths for cleavage propagation. A sample containing 20% of potential cleavage facets had a critical cleavage stress 20% lower than a sample with only 10% of potential cleavage facets.The size and shape of these potential cleavage facets evolve during plastic deformation. Therefore, the critical cleavage stress was found to be affected by plastic strain history. In the case of delamination, potential cleavage facets along the rolling plane were elongated during loading, their area was increased and the corresponding critical cleavage stress decreased by around 30% with respect to the undeformed case. This made delamination cracking easier. Moreover, the presence of a ductile crack at the initiation site of delamination locally modified the stress state and also facilitated delamination occurrence. A criterion has been developed to numerically predict the onset of delamination in tensile and Charpy specimens.Application of this approach to heat-treated and to prestrained specimens eventually showed that it was possible to modify the sensitivity to delamination by strongly modifying the initial microtexture anisotropy.

Die vorliegende Dissertation konzentriert sich auf die Untersuchung und Entwicklung hochfester Grobblechstähle mit erhöhtem Gehalt an der MA-Phase (Martensit-Austenit Phase). Dabei wurden Bildungsmechanismen der Mikrostruktur und insbesondere der MA-Phase in Abhängigkeit von der Walztechnologie an vier mikrolegierten Grobblechstählen untersucht. Zu diesem Zweck erfolgten zahlreihe Untersuchungen an verschiedenen Prüf- und Simulationsanlagen zur Charakterisierung des Werkstoffverhaltens sowie zur physikalischen Simulation der Grobblechherstellung mit der Anwendung von bekannten und neu entwickelten Wärmebehandlungstechnologien. Abschließend wurden mehrere Serien von Laborwalzversuchen auf einer Warmwalzpilotanlage durchgeführt, um die gewonnenen Erkenntnisse zu evaluieren, sowie die für Pipelinestähle relevanten mechanischen Eigenschaften zu ermitteln. Somit erstreckt sich die Arbeit über die gesamte Produktionskette zur Erzeugung der Grobblechstähle mit MA-Phase und beschreibt hierfür geeignete Herstellungsbedingungen, die in Betriebsanlagen leicht realisierbar sind.