Diss. (sammanfattning) Uppsala : Univ., 2004. / Härtill 9 uppsatser.

The exceptional wear resistance and work hardenability, place Hadfield steel as one of themost important materials for manufacturing cast components used in the mining, crashing,drilling, and excavation industries. In all metallic alloys used for component casting, themechanical properties are highly influenced by the microstructure of the material. Castcomponents with finer microstructural characteristics are known to present bettermechanical properties and reduced risk of defects when compared with components witha coarser microstructure. A reduced grain size in Hadfield steel can increase the strengthof the material up to 30% and reduce the risk of porosity formation during solidification.The practice of adding selected compounds or alloying elements in a metal melt to modifyand refine the microstructure is called inoculation. It is currently one of the trendingmethods utilized in light-metal alloys and cast-iron components production but has not,yet, gained adequate acceptance in the steel casting industry because researchers have notbeen able to find proper inoculants.The main objective of this work is to investigate the qualitative and quantitativecharacteristics of the by-products of deoxidation of Hadfield steel that remain in thematerial after solidification and their positive or negative effect on the coarseness of thefinal as-cast microstructure. This type of research can help to identify the type of particlesor alloying elements that are most effective for refining the microstructure of austeniticsteels and pave the way for developing new or improving conventional deoxidation andinoculation processes that will, in turn, result in the improvement of the properties of thecomponent.The precipitation of particles and the as-cast grain size are studied in aluminum andtitanium deoxidized Hadfield steel samples acquired under pilot scale experimentalconditions. In the first part of this work, the qualitative and quantitative characteristics ofparticles such as type, morphology, composition amount and size are identified. Thesequence of precipitation is established. A model for predicting particle size and growth isdeveloped. The experimental results are compared against thermodynamic equilibriumcalculations and the precipitation mechanisms for each type of particles are described. Inthe second part, the as-cast grain size of samples with varying deoxidation treatments ismeasured. Then, the grain-size is correlated with certain particle characteristic and theparticles are ranked according to their ability to refine the microstructure. The particledisregistry with austenite is calculated and compared to the experimentally acquiredranking. / Hadfieldstålen exceptionella slitstyrkan och deformationshårdnande har gjort dessa till ettav de viktigaste materialen för tillverkning av gjutna komponenter som används inomgruv-, kross-, borr-och gruvindustrin. I alla metallegeringar som används för tillverkningav gjutna komponenter styrs de mekaniska egenskaperna av materialets mikrostruktur.Gjutna komponenter med fin mikrostruktur presentera bättre mekaniska egenskaper ochminskad risk för defekter jämfört med komponenter med grov mikrostruktur. En minskadkornstorlek i Hadfieldstål kan öka materialets hållfasthet upp till 30% och minska riskenför porositetsbildning vid stelning.Tillsatsning av spårämnen eller legeringselement i en metallsmälta för att modifiera ochförbättra mikrostrukturen kallas ympning. Denna metod används i lättmetaller och vidtillverkning av gjutjärnskomponenter, men har ännu inte fått acceptans i stålindustrineftersom forskningen inte har funnit effektiva kärnbildare att användas som ympmedel.Huvudsyftet med detta arbete är att undersöka kvalitativa och kvantitativa egenskaper hosde desoxideringsprodukter som skapas under tillverkningen av Hadfield stål och hur deunder och efter stelning påverkar mikrostrukturens grovlek. Arbetet syftar till att identifierapartikeltyper och legeringselement som är effektiva för att förfina den austenitiskamikrostrukturen och bana väg för utveckling nya och förbättra desoxiderings- ochympningsprocesser som i sin tur kommer att resultera i en förbättring av den gjutnakomponentens egenskaper.Partiklarnas utskiljning och materialet resulterande kornstorlek studerades i aluminiumochtitan-desoxidiserade Hadfieldstål, tillverkade i pilotskala. Den första delen av dettaarbete var att identifiera kvalitativa och kvantitativa egenskaper hosdesoxidationspartiklar, som typ, morfologi, sammansättning och storlek.Utskiljningssekvensen fastställdes. En modell för att förutsäga partikelstorlek och derastillväxt utvecklades. De experimentella resultaten jämfördes med termodynamiskajämviktberäkningar och utskiljningen för varje typ av partikel beskrevs. I den andra delenstuderades kornstorleken och hur denna varierade desoxideringsbehandlingen. Därefterkorrelerades kornstorleken med partikeltyp och dess karaktäristika och rangordnades efterderas förmåga att förfina mikrostrukturen. Partiklarnas kristallografiska missanpassningmot austenitens kristallstruktur beräknades och jämfördes med experimentellt fastställdarangordningen. / InDeGrainS I

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.

Ett företag som tillverkar hydrauliska snabbkopplingar har genom regelbundna kvalitetsprover upptäckt att vissa låskulor till snabbkopplingarnas låsmekanism plötsligt fått en bristande kvalité och spricker vid belastning. Låskulorna är gjorda av rostfritt stål och har en viktig funktion i låsmekanismen. Om de spricker vid användning kan det leda till konsekvenser med materiella skador eller personskador. Företaget vill förekomma eventuella kvalitetsproblem och måste därför säkerställa att låskulorna har rätt hållfasthet. Låskulorna köps in från en underleverantör och företaget vill därför utveckla en provmetod som provar låskulornas materialegenskaper när de levereras till fabriken. Arbetet i denna rapport syftar till att hjälpa företaget utveckla en sådan provmetod. Ett första steg är att undersöka orsaken till att låskulorna spricker. Materialanalyser utförs av ett materiallaboratorium för att fastställa vilka faktorer i materialet som orsakar brott i låskulorna. Analyserna visar att låskulorna sannolikt spricker på grund av en ökad sprödhet i materialet. Sprödheten beror på att martensiten i materialet är dåligt anlöpt samt en stor mängd karbider. Med orsaken till sprickorna fastställd undersöks befintliga metoder för materialprovning. En provmetod måste prova materialet i färdigtillverkade låskulor eftersom låskulornas tillverkningsprocess påverkar materialegenskaperna. Många av de standardiserade provmetoderna är dock svåra att tillämpa på låskulorna med anledning av låskulornas geometri och små dimensioner. En form av slagprov och pressprov utförs på låskulorna. Ett av syftena med proven är att undersöka om de är lämpliga att använda som provmetod. Genom proven framträder olika materialegenskaper för olika låskulor. Resultaten är dock inte jämförbara låskulorna emellan och proven anses inte vara lämpliga som provmetod. Även ett utmattningsprov utförs på låskulorna genom en upprepande belastning i en snabbkoppling. Detta prov är inte heller lämpligt att använda som provmetod då provet är mycket tidskrävande samt att det finns vissa osäkerheter kring provresultatet. I detta arbete undersöks även två nyligen framtagna provmetoder för kulor till kullager och möjligheten att tillämpa dessa provmetoder på låskulorna. I undersökningen jämförs de båda provmetoderna med avseende på utförande samt framtagning av provkropp. Även en spänningsanalys av en låskula belastad i en snabbkoppling utförs för att ta reda på i vilket område av låskulan de maximala spänningarna uppstår. Undersökningen ger att enbart en provmetod är intressant för fortsatt arbete.   Den provmetod som föreslås i detta arbete kallas "the notched ball test" (NBT). Provmetoden innebär att en djup och smal skåra bearbetas i en låskula som sedan belastas med en tryckande kraft vinkelrätt mot skåran tills brott uppstår. Den maximala spänningen som verkar vid brottet beräknas med en enkel ekvation och används som mått för låskulans hållfasthet. Provmetoden är lämplig då den går att utföra med befintlig utrustning på företaget, den provar materialet i färdigtillverkade låskulor samt i samma område som de maximala spänningarna i en låskula belastad i en snabbkoppling uppstår. NBT nyttjar även dragspänningar vilket är fördelaktigt när sprödhet ska upptäckas i ett material. För att fastställa hur olika materialegenskaper samt geometrier för provkroppen påverkar provresultaten utförs en djupare analys av provmetoden. Analysen ger även vilka geometrier som bör användas vid utförandet av NBT samt värdet för den konstant som används vid beräkning av brottspänningen. Praktiska prov av NBT utförs inte i detta arbete men rapporten innefattar slutsatser om provmetoden och rekommendationer till företaget hur ett fortsatt arbete med NBT kan utföras. / A company that manufactures hydraulic quick-couplings has discovered through regular quality checks that the quality of some of the locking balls for the locking mechanism in the quick couplings suddenly has become insufficient and the locking balls rupture under load. The locking balls are made of stainless steel and if they rupture during usage the consequences can be material damage or even personal injury. The company wants to prevent any quality problems and must therefore ensure that the strength of the locking balls is sufficient. The locking balls are purchased from a subcontractor and the company would therefore like to develop a method for strength testing locking balls delivered to the factory. This thesis aims to help the company in developing such a method.  A first step is to investigate the cause of the locking balls rupture. Material analyses are executed by a material laboratory in order to determine what features in the material that causes the ruptures. The analyses shows that rupture is probably caused by an increased brittleness in the material and the brittleness is a consequence of less tempered martensite and a high amount of carbides. With the cause of rupture determined, existing methods for testing material properties is studied. It is important that strength testing is carried out with test specimens prepared from the actual locking balls. Otherwise the influence of the locking balls manufacturing process on the material properties is not taking into account. Many of the standardized methods for testing material properties, however, are hard to apply to the locking balls due to the geometry and small dimensions of the locking balls. A kind of impact test and compression test is performed. One of the purposes with the tests is to investigate if they are adequate for strength testing the locking balls. The results of the tests, however, are not suitable for comparison. Also, a fatigue test of the locking balls is performed by a repetitive loading of a quick coupling. The fatigue test is, however, time consuming and there are uncertainties in the test results. None of these tests is considered suitable as a strength testing method. In this thesis, two recently developed methods for strength testing ceramic balls and the possibility to apply these methods on the locking balls is studied. The study includes an analysis of the stress distribution in a locking ball under load to determine in which region the highest stresses occur. The study provides that only one of the methods is suitable for the locking balls due to differences in preparing the test specimen and which region of the locking ball that is tested in each method. The strength testing method that is proposed in this thesis is called the notched ball test (NBT). In NBT a long and narrow notch is cut in a locking ball which is then loaded in compression perpendicular to the notch until rupture occurs. The maximum stress acting at the rupture is calculated and used to determine the strength of the locking ball. NBT is suitable because it can be performed with existing equipment at the company, the test specimen is prepared from actual locking balls and the test uses tensile stresses which is an advantage when brittleness is to be detected in a material. An analysis of NBT is performed to determine how material properties and different notch geometries is affecting the test results. The analysis also gives some recommendations for notch geometries that should be used when performing NBT as well as a constant that is used when calculating the maximum stress. Practical experiments of NBT are not carried out in this thesis. Instead, conclusions regarding NBT and recommendations for the company on how they should proceed with NBT are given.

It is an established fact that segregation during casting affects the physical properties of carbon-based ferro alloys; this motivates the study of the segregation behaviour of carbon and carbide-forming solute elements. In this context, this thesis investigates two different situations: the effects of cooling rate and turbulence on the precipitation behaviour of the graphite nodules in nodular cast iron; the nature of carbide precipitation in a bearing steel grade and the effects of subsequent soaking on these carbides. The structures of boiling water reactor inserts cast by the uphill and downhill casting of nodular cast iron were examined. The samples were taken from representative locations in the top, middle and bottom cross sections of the castings. It was observed that in uphill-cast inserts the nodules were larger but fewer in number the bottom section, whereas in downhill-cast inserts the nodules in the bottom section were smaller, but greater in number. Variation in volume fraction of the graphite nodules across the inserts was also observed. The probable cause of this variation was the difference in cooling rate in different sections of the insert. Between the steel tubes located at the central part of the casting, the fraction of graphite was lower, which could be the result of carburization of the steel tubes. To study the effects of melt stirring during the solidification of nodular cast iron, several experiments were conducted at variable cooling rates and for different stirring times. Examination of the microstructure was conducted using Light Optical Microscope (LOM) and Scanning Electron Microscope (SEM). It was observed that during stirring the melt oxidized and oxide nuclei were formed. The number of nucleation sites for the precipitation of graphite nodules increased, which raised the nodule count and the fraction of the graphite precipitated. The matrix transformed from pearlite to ferrite, which could be due to the fact that more carbon had diffused out of the matrix. The segregation behaviour in hypereutectoid bearing steel produced by ingot casting was also studied. The effects of soaking on micro and macro segregation was investigated in samples taken from as cast and soaked ingots; emphasis was laid on the bulk matrix and A-segregation channels. Samples were also taken from ingots which were soaked and then hot worked. The micro and macro examination of the microstructure was conducted using LOM and SEM. Quantitative and qualitative composition analysis was performed using Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and an electron micro probe analyzer (EMPA). It was observed that M3C, M2C and M6C had precipitated. The carbide morphology in the bulk matrix was different to that in the A-segregation channels. All the primary carbides in the bulk matrix were found to have dissolved after 4 hours of soaking at 1200oC. / Det är ett faktum att segringar som uppstår under gjutning påverkar materialegenskaperna hos kolbaserade järnlegeringar; detta utgör motivationen till studien av segringsuppträdandet hos kol och karbidbildande ämnen. Denna avhandling behandlar två olika aspekter inom ramen för detta ämne: påverkan av kylningshastighet och turbulens på kärnbildningen av grafitnoduler i nodulärt gjutjärn samt karbidbildning i kullagerstål och dess påverkan på den efterföljande värmebehandlingen av dessa karbider. Strukturen hos rör till vattenkokare som tillverkats av nodulärt gjutjärn som gjutits med fyllning från botten eller från toppen undersöktes. Prover togs från representativa tvärsnittspositioner från toppen, mitten och botten av de gjutna ämnena. Resultaten visade att användandet av bottenfyllda kokiller gav upphov till större men färre karbider i nedre delen av ämnet, medans användandet av toppfyllda kokiller gav upphov till mindre men fler karbider i nedre delen av ämnet. Variationer av volymfraktionen av grafitnoduler längs tvärsnitten observerades också. Den mest sannolika orsaken till denna variation var skillnaden i kylhastighet i de olika områdena av tvärsnitten. Hos rör tillverkade av det centrala delen av ämnet så var fraktionen grafit lägre, vilket kan bero på en uppkolning av rören. Ett flertal experiment utfördes med varierande kylningshastigheter och olika omrörningstider för att studera inverkan av omrörning av smältan på stelningen av nodulärt gjutjärn. Studier av mikrostrukturen genomfördes med ljusoptisk mikroskopi och svepelektronmikroskopi. Resultaten visade att smältan oxiderades under omrörningen, vilket resulterade i bildandet av oxider. Detta ledde till en ökning av kärnbildningsområden för grafitnoduler, vilket ledde till en ökning av antalet noduler samt fraktionen av grafit som fälldes ut. Strukturen omvandlades från perlit till ferrit, vilket troligen orsakades av att kol hade diffunderat ut från strukturen. Segringsbeteendet hos hypereutektoida kullagerstål tillverkade genom götgjutning undersöktes också. Effekten av värmebehandling på mikro- och makrosegringar undersöktes i prover tagna från gjutna och värmebehandlade ämnen. Fokus var på att studera strukturen i ämnena samt A-segringar. Dessutom togs prover från ämnen som först värmebehandlats och därefter varmbearbetats. Både mikro- och makroundersökningar av mikrostrukturen utfördes med ljusoptisk mikroskopi och svepelektronmikroskopi. Dessutom så genomfördes kvantitativa sammansättningsbestämningar med energidispersiv röntgenspektroskopi och elektronmikroprobsanalys. Resultaten visade att M3C, M2C och M6C karbider hade fällts ut. Karbidmorfologin i huvuddelen av strukturen skiljde sig från den som återfanns i A-segringar. Samtliga primära karbider i huvuddelen av strukturen hade lösts upp efter 4 timmars värmebehandling vid 1200oC. / <p>QC 20180523</p>