Abstract From the largest discontinuities to the smallest of the elements, various factors can threaten structural integrity. Susceptibility to these factors elevates with higher yield strengths. As-quenched low-carbon steels with a martensitic or martensitic-bainitic microstructure are modern ultra-high-strength structural steels. They can possess sufficient toughness, formability, and weldability, and are typically used in weight-critical and high-performance structures. Common problems with as-quenched steels with a yield strength of 900 MPa or more are that they do not obey the conventional correlation between the fracture toughness reference temperature T₀ and the impact toughness transition temperature T₂₈ᴊ used in many standards and structural integrity assessment procedures, and a lack of design rules in general. This thesis studies the relationship between the T₀ and T₂₈ᴊ to provide additional knowledge for future standardisation, the microstructural features governing the toughness at these temperatures on both global and local scale, and whether hydrogen embrittlement is present at subzero temperatures. It uses steels produced via laboratory rolling and quenching as well as from pilot-scale and full-scale industrial production, studying them with standardised toughness tests, microstructural characterisation, fractography, and cohesive zone modelling. As-quenched steels have a distinct correlation between T₀ and T₂₈ᴊ. An improved general T₀ – T₂₈ᴊ correlation applies to a wide range of steels. T₂₈ᴊ correlates closely with a dynamic reference toughness, which can be used together with the fraction of detrimental {100} cleavage planes near the main fracture plain to effectively estimate the transition temperatures. On a local scale, centreline segregation decreases the effective coarse grain size, which more than compensates for the harmful effects associated with the higher hardness and inclusion content of the centreline, resulting in increased fracture toughness. Hydrogen embrittlement causes a decrease in fracture toughness and local deformability, thereby increasing T₀ while leaving T₂₈ᴊ unaffected. Overall, the results show that high toughness demands good control of effective coarse grain size and hydrogen content. / Tiivistelmä Tekijät suurimmista epäjatkuvuuskohdista aina pienimpään alkuaineeseen voivat uhata rakenteellista eheyttä, minkä lisäksi alttius näille kasvaa materiaalin myötölujuuden kasvaessa. Modernit karkaistun tilan ultralujat matalahiiliset rakenneteräkset voivat silti omata riittävän sitkeyden, muovattavuuden ja hitsattavuuden. Tyypillisiä käyttökohteita näille ovat painon suhteen kriittiset ja korkean suorituskyvyn rakenteet. Yleinen ongelma myötölujuudeltaan noin ja yli 900 MPa karkaistun tilan teräksillä on se, että ne eivät noudata perinteistä murtumissitkeyden referenssilämpötilan T₀ ja iskusitkeyden transitiolämpötilan T₂₈ᴊ välistä korrelaatiota, jota käytetään useissa standardeissa ja suunnitteluohjeissa, jotka eivät myöskään vielä salli näin lujien terästen käyttöä. Tämä väitöstyö tutkii transitiolämpötilojen T₀ ja T₂₈ᴊ välistä suhdetta edistääkseen näiden terästen sisällyttämistä standardeihin, haurasmurtuma-sitkeyteen vaikuttavia mikrorakenteellisia tekijöitä sekä yleisellä että paikallisella tasolla, ja vetyhaurautta matalissa lämpötiloissa. Koeteräkset ovat laboratoriovalmisteisia, tuotantokokeita ja tuotantolaatuja. Niitä tutkitaan standardisoiduilla sitkeyskokeilla, mikrorakenteen karakterisoinnilla, fraktografialla ja koheesiovyöhykettä hyödyntävällä mallinnuksella. Tulokset osoittavat karkaistun tilan terästen omaavan erityisen korrelaation T₀ ja T₂₈ᴊ välillä. Muokattu, ultralujat teräkset huomioiva yleinen T₀ – T₂₈ᴊ -korrelaatio soveltuu laajalti eri terästyypeille. T₂₈ᴊ korreloi läheisesti dynaamisen referenssisitkeyden kanssa, jonka avulla yhdessä haitallisten {100} lohkomurtumatasojen osuuden kanssa voidaan estimoida joukko transitiolämpötiloja. Paikallisella tasolla keskilinjasuotauma pienentää efektiivistä karkeiden rakeiden kokoa, mikä suotauman suurista sulkeumista ja kovuudesta huolimatta parantaa murtumissitkeyttä. Vetyhauraus taas huonontaa sitkeyttä ja paikallista muodonmuutoskykyä myös matalissa lämpötiloissa nostaen T₀ lämpötiloja. Kokonaisuutena erinomainen transitiolämpötilasitkeys vaatii efektiivisen karkearaekoon ja vetypitoisuuden minimointia.

The subject of this master’s thesis was to find the causes of impact toughness scattering of forgings of the test disk with dimension range of 540 – 170 mm. The experimental samples were developed from steel A694 F60. To reach the main aim light microscopy, electron microscopy, EBSD technique, fractographic analysis and hardness measurement HV10 were utilized.

No description available.

Abstract Quality control is an essential part of manufacturing, and the different properties of the products can be tested with standardized methods. If the decision of qualification is based on only one test specimen representing a batch of products, the testing procedure is quite straightforward. However, when the measured property has a high variability within the product, as usual, several test specimens are needed for the quality verification. When a quality property is predicted, the response value of the model that most effectively finds the critical observations should naturally be selected. In this thesis, it has been shown that LIB-transformation (Larger Is Better) is a suitable method for multiple test samples, because it effectively recognizes especially the situations where one of the measurements is very low. The main contribution of this thesis is to show how to model quality of phenomena that consist of several measurement samples for each observation. The process contains several steps, beginning from the selection of the model type. Prediction of the exceedance probability provides more information for the decision making than that of the mean. Especially with the selected application, where the quality property has no optimal value, but the interest is in adequately high value, this approach is more natural. With industrial applications, the assumption of constant variance should be analysed critically. In this thesis, it is shown that exceedance probability modelling can benefit from the use of an additional variance model together with a mean model in prediction. The distribution shape modelling improves the model further, when the response variable may not be Gaussian. As the proposed methods are fundamentally different, the model selection criteria have to be chosen with caution. Different methods for model selection were considered and commented, and EPS (Exceedance Probability Score) was chosen, because it is most suitable for probability predictors. This thesis demonstrates that especially a process with high diversity in its production and more challenging distribution shape gains from the deviation modelling, and the results can be improved further with the distribution shape modelling. / Tiivistelmä Laadunvalvonnalla on keskeinen rooli teollisessa tuotannossa. Valmistettavan tuotteen erilaisia ominaisuuksia mitataan standardin mukaisilla testausmenetelmillä. Testi on yksinkertainen, jos tuotteen laatu varmistetaan vain yhdellä testikappaleella. Kun testattava ominaisuus voi saada hyvin vaihtelevia tuloksia samastakin tuotteesta, tarvitaan useita testikappaleita laadun varmistamiseen. Tuotteen laatuominaisuuksia ennustettaessa valitaan malliin vastemuuttuja, joka tehokkaimmin tunnistaa laadun kannalta kriittiset havainnot. Tässä väitöskirjassa osoitetaan, että LIB-transformaatio (Large Is Better) tunnistaa tehokkaasti erityisesti tilanteet, joissa yksi mittauksista on hyvin matala. Tämän väitöskirja vastaa kysymykseen, kuinka mallintaa laatua, kun tutkittavasta tuotteesta tarvitaan useita testinäytteitä. Mallinnusprosessi koostuu useista vaiheista alkaen mallityypin valinnasta. Alitusriskin mallinnuksen avulla saadaan enemmän informaatiota päätöksenteon tueksi perinteisen odotusarvomallinnuksen sijaan, etenkin jos laatutekijältä vaaditaan vain riittävän hyvää tasoa optimiarvon sijaan. Teollisissa sovelluksissa ei voida useinkaan olettaa, että vasteen hajonta olisi vakio läpi prosessin. Tässä väitöskirjassa osoitetaan että alitusriskin ennustamistarkkuus paranee, kun odotusarvon lisäksi mallinnetaan myös hajontaa. Jakaumamuodon mallilla voidaan parantaa ennustetarkkuutta silloin, kun vastemuuttuja ei noudata Gaussin jakaumaa. Koska ehdotetut mallit ovat perustaltaan erilaisia, täytyy myös mallin valintakriteeri valita huolella. Työssä osoitetaan, että EPS (Exceedance Probability Score) toimii parhaiten käytetyillä todennäköisyyttä ennustavilla malleilla. Tässä väitöskirjassa osoitetaan, että erityisesti silloin kun tuotantoprosessi on monimuotoinen ja laatumuuttujan jakaumamuoto on haastava, mallinnuttaminen hyötyy hajontamallin käytöstä, ja tuloksia voidaan parantaa jakaumamuodon mallilla.

Bei der Beurteilung der Sicherheit bestehender Konstruktionen aus altem Baustahl (i. A. Flussstahl) und der Entscheidung über notwendige Instandsetzungs- und Verstärkungsmaßnahmen ist der Nachweis ausreichender Werkstoffzähigkeit (der Sicherheit gegen ein sprödes Versagen) von wesentlicher Bedeutung. Die in DIN EN 1993-1-10 normativ geregelten Nachweismethoden zur Beurteilung der Sprödbruchgefährdung wurden basierend auf umfangreichen bruchmechanischen Untersuchungen entwickelt. Sie gelten für Schweißkonstruktionen und „Stähle aus neuerer Zeit“ mit in der Regel hohen Zähigkeitswerten. Die Quantifizierung der Zähigkeit in Werkstoffnormen erfolgt durch Kerbschlagbiegeversuche. Die Beziehung zwischen der Übergangstemperatur der Kerbschlagarbeit und der Referenztemperatur der Bruchzähigkeit wird durch die modifizierte Sanz-Korrelation hergestellt, die nur für diese Stähle abgeleitet wurde. Das in der Norm verankerte Verfahren ist für alte Flussstahlkonstruktionen mit Lochschwächung durch Niet- und Schraubenverbindungen nicht geeignet. Einerseits unterscheiden sich Kerbwirkung und Eigenspannungszustand von geschweißten und genieteten Konstruktionen und damit die Zähigkeitsanforderungen wesentlich voneinander. Auf der anderen Seite unterliegen die Zähigkeitseigenschaften von Flussstählen deutlich größeren Streuungen. In der vorliegenden Arbeit werden experimentelle und rechnerische Untersuchungen zum Sprödbruchverhalten gelochter Konstruktionen aus altem Flussstahl vorgestellt. Wesentlicher Bestandteil sind dabei die umfangreichen Werkstoffanalysen zur Ermittlung der bruchmechanischen Werkstoffzähigkeit im spröd-duktilen Übergangsbereich nach dem Master-Curve-Konzept (ASTM E1921). Die Auswertungen belegen, dass in Abhängigkeit des Herstellungsverfahrens unterschiedliche Werkstoffgüten definiert werden können. Um den Einfluss des Stanzens von Löchern auf das Sprödbruchverhalten alter Flussstähle zu beurteilen, werden Gefügeuntersuchungen und Mikrohärtemessungen durchgeführt. Ausgehend von einer umfassenden Analyse typischer Konstruktionsformen bestehender Tragwerke des Stahlhochbaus erfolgen bruchmechanische FE-Berechnungen an Anschlüssen von Winkelprofilen zur Bestimmung der Zähigkeitsanforderungen. Die dabei gewonnenen Ergebnisse des Spannungsintensitätsfaktors werden durch Modifikation bekannter Lösungen aus der Fachliteratur für die weitere Anwendung aufbereitet. Darauf aufbauend wird für die untersuchten Konstruktionsdetails im Rahmen einer bruchmechanischen Sicherheitsanalyse ein praxisgerechtes Verfahren zur Beurteilung der Sprödbruchgefährdung genieteter und geschraubter Bauteile abgeleitet. Mit Hilfe statistischer Methoden werden Streuungen der Festigkeits- und Zähigkeitskennwerte der Flussstähle erfasst und nach der Verifizierung durch Bauteilversuche in ein semi-probabilistisches Nachweiskonzept überführt.

This research extended the knowledge of the solid phase transformation and the resulting influence on impact toughness and pitting corrosion resistance in super austenitic stainless steel (SASS) SANICRO® 35. A time-temperature-transformation diagram (TTT diagram) was assembled by performing isothermal heat treatments in the temperature range of 650-1050 °C for different periods of time, ranging from 5 min to 500 min. Microstructural analysis via LOM-DIC, SEM-EDS shows that the nose temperature of dominating σ phase is located in between 900-950 °C. Minor nitrides including π phase and Cr2N with the nose temperature of 900 °C and 850 °C, respectively, were detected after prolonged heat treatment times. Area fraction of precipitates was calculated by analyzing micrographic images in the software ImageJ. Charpy impact tests indicate that the impact toughness degrades with increasing area fraction of precipitates but at a higher rate at the early stage of precipitation. Despite a much-lessened area fraction, fine precipitates decorating the grain boundaries in a continuous pattern impose significant negative effect on impact toughness. Pitting corrosion resistance was indicated by critical pitting temperature (CPT) as per ASTM G150mod (3M MgCl2). Pitting corrosion resistance deteriorated with increasing amount of σ phase due to the Cr- and Mo-depleted surrounding area, but it is more dependent on the distribution pattern of precipitates, as well as the secondary phase type. The lowest CPTs were measured after heat treatment for 500 min at 800 °C and 850 °C where nitrides including Cr2N and π phase were formed and the small precipitates were distributed on grain boundaries continuously. Auxiliary simulation of TTT diagram via TC PRISMA shows drastic variation from experimental results in regard of time scale. The enhancement pre-factor for the interfacial mobility and interfacial energy can be modified to approach the experimental results. / Detta arbete utfördes för att undersöka fasomvandlingar och dess inflytande på slagsegheten och gropfrätningsmotståndet för det superaustenitiska rostfria stålet (SASS) SANICRO® 35. Ett tid-temperatur-transformationsdiagram (TTT-diagram) har tagits fram genom att utföra isotermiska värmebehandlingar mellan 650-1050 °C med olika hålltider från 5-500 minuter. Mikrostrukturanalys genom LOM-DIC, SEM-EDS undersökning visar att nosen för den dominerande σ-fasen ligger mellan 900-950 °C. Mindre nitrider, som π-fas och Cr2N, med nosarna vid 900 °C respektive 850 °C observerades vid längre hålltider. Areafraktionen av utskiljningar beräknades genom analys av mikrobilder med programmet ImageJ. Slagprovning visade att slagsegheten minskar med ökande fraktion utskiljningar men med en tydligare försämring i början av fastransformationen. Trots att de utgör en betydligt mindre areafraktion så kan mindre utskiljningar som följer korngränserna också påverka materialet signifikant negativt. Gropfrätningsmotståndet testades genom att mäta Critical Pitting Temperature (CPT) enligt ASTM G150mod (3M MgCl2). CPT minskade med ökande andel σ-fas p.g.a. den Cr- och Mo-utarmade zon som omger de utskilda partiklarna. Det finns även en stark koppling mellan lägre CPT och distributionen av utskiljningarna samt andra typer av faser. Lägst CPT uppmättes efter 500 minuter vid 800 °C och 850 °C då små nitrider inklusive Cr2N och π-fas bildats längs med stora delar av korngränserna. Simulering av TTT-diagram i TC PRISMA visade en drastisk skillnad i tiden till utskiljning/mängden utskiljningar jämfört med de experimentella resultaten. Diffusionförstärkningsfaktorn (eng. “mobility enhancement pre-factor”) och ytenergin kan minskas för att bättre överensstämma med de experimentella resultaten.