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.

Abstract The effect of austenite pancaking in the non-recrystallisation regime on microstructure and mechanical properties, especially bendability, was investigated in direct-quenched ultrahigh-strength strip steels with martensitic-bainitic microstructures. Lowering the finishing rolling temperature (FRT) increased total reduction in the non-recrystallisation region (R tot). Niobium microalloying increased Rtot while variations in C, Mn and Mo did not affect Rtot to the same extent as Nb. A decrease in the FRT increased the incidence of softer microstructures such as ferrite and granular bainite in the subsurface layers. The microstructures at the centreline were comprised of auto-tempered martensite with some bainite. An increase in Rtot strengthens the intensities of the ~{554}<225>α and ~{112}<110>α texture components at the centreline and the components ~{112}<111>α and ~{110}<112>α - {110}<111>α at the strip subsurface. Bendability is poorer with the bend axis perpendicular rather than parallel to the rolling direction (RD) and is further impaired with increasing hardness below the sheet surface. An intense ~{112}<111>α shear texture combined with upper bainite containing MA islands in the subsurface region is shown to be detrimental to bendability when the bend axis is perpendicular to the RD. This anisotropy of bendability can be explained by the appearance of geometric softening in grain clusters belonging to this texture component when the bend axis is perpendicular to the RD. Shear localisation is prevented, however, by the presence of a sufficiently thick subsurface microstructure having adequate work hardening capacity, i.e., ferrite + granular bainite rather than ferrite + upper bainite. The strain required to initiate strain localisation can be increased and good bendability thereby achieved—even in the presence of detrimental texture components—by ensuring the presence of a sufficiently soft subsurface layer extending to a depth of approximately 5% of the total sheet thickness. The above beneficial microstructures can be obtained and good bendability ensured in direct-quenched strip steel with a yield stress above 900 MPa together with good impact toughness, provided a suitable combination of chemical composition and processing parameters is selected and sufficient attention is paid to steelmaking operations to obtain a proper inclusion structure. / Tiivistelmä Austeniitin muokkauksen vaikutusta mikrorakenteeseen ja mekaanisiin ominaisuuksiin, erityisesti särmättävyyteen, tutkittiin suorasammutetuilla martensiittis-bainiittisilla suurlujuusnauhateräksillä. Kuumavalssauksen lopetuslämpötilan lasku kasvatti austeniitin kokonaisreduktiota ei-rekristallisaatioalueella. Mikroseostus niobilla kasvatti myös kokonaisreduktiota, kun taasen muutokset C-, Mn- ja Mo -pitoisuuksissa eivät vaikuttaneet yhtä voimakkaasti. Valssauksen lopetuslämpötilan lasku kasvatti pehmeämpien mikrorakenteiden, kuten ferriitin ja granulaarisen bainiitin, määrää nauhan pintakerroksessa. Terästen keskilinjan mikrorakenteet koostuivat pääasiassa itsepäässeestä martensiitista sekä pienestä määrästä bainiittia. Kokonaisreduktion kasvu voimisti ~{554}<225>α - ja ~{112}<110>α -tekstuurikomponentteja keskilinjalla sekä ~{112}<111>α- ja ~{110}<112>α - {110}<111>α -komponentteja nauhan pintakerroksessa. Särmättävyys oli huonompi särmän ollessa poikittain valssaussuuntaan nähden kuin pitkittäin. Pintakerroksen kovuuden kasvu heikensi särmättävyyttä. Pintakerroksen voimakas ~{112}<111>α -leikkaustekstuuri, yläbainiitin ja MA-saarekkeiden läsnä ollessa, osoittautui haitalliseksi särmän ollessa poikittain valssaussuuntaan nähden. Särmättävyyden anisotrooppisuus voidaan selittää geometrisella pehmenemisellä rakeissa, joissa kyseinen tekstuurikomponentti on voimakas. Leikkausmyötymän paikallistuminen estyy, kun pinnassa on riittävän paksu hyvän muokkauslujittumiskyvyn omaava kerros, mikä sisältää esim. ferriittiä ja granulaarista bainiittia, mutta ei ferriittiä ja yläbainiittia. Särmättävyys osoittautui pysyvän hyvänä huolimatta haitallisesta tekstuurikomponentista, kun pehmeä pintakerros ulottui noin 5 % syvyydelle levyn paksuudesta. Edellä mainitut mikrorakenteet ja hyvä särmättävyys voidaan saavuttaa suorasammutetuilla yli 900 MPa myötölujuuden nauhateräksillä yhdessä hyvän iskusitkeyden kanssa, kunhan valitaan sopiva kemiallisen koostumuksen ja valmistusparametrien yhdistelmä sekä kiinnitetään huomiota teräksen sulkeumapuhtauteen.