Study on the kinetics of k-carbide precipitation in Fe-Mn-Al-C lightweight steels

The entire project has been performed c/o ArcelorMittal Global R&D Gent – OCAS NV in both Technologiepark-Zwijnaarde (Ghent, Belgium) and Zelzate (Belgium) research centers. OCAS (OnderzoeksCentrum voor de Aanwending van Staal - research center for the use of steel) is an advanced and market-oriented research center providing products, services and solutions to metal processing companies worldwide. The aim of this project is to study the kinetics of precipitation of κ-carbides in lightweight steels, key aspect for a future industrial development of these steels. Fe-Mn-Al-C lightweight steels represent an innovative approach to face the increasing demand of lightweight component design in many markets such as automotive, military and aviation. This class of steels features a linear density reduction of density with the increase of Al content, it can easily reach density 10% lower than iron’s one and it can also reach remarkable UTS (800-1000MPa) and TE (up to 80%) values. On the other hand, also due to the high content of alloying elements, the alloys property can deteriorate and brittleness is often observed. The project has been divided between the study of the kinetics of the κ-carbides precipitation during isothermal treatment, performed with Time Temperature Transformation experiments, and during cooling, performed with Continuous Cooling Transformation experiments. The hardness and the microstructure of samples obtained were tested and observed. In case of clear transformations observed at optical microscope it was possible to further analyse them with the use of JMAK model. It has been observed that the precipitation presence along with the kinetic of the precipitation is dependent on the composition and the isothermal treatment performed. Extraordinary values of hardness have been registered and remarkable microstructures have been observed during isothermal tests. It was also possible to correlate linearly the composition to the time of half transformation. Through different cooling rates it was much more difficult to observe significant changes in hardness and microstructure, only some alloys showed a hardening increase with slower cooling rates.

L’intero progetto è stato compiuto presso ArcelorMittal Global R&D Gent – OCAS NV in entrambi i centri di ricerca Technologiepark-Zwijnaarde (Ghent, Belgio) e Zelzate (Belgio). OCAS (OnderzoeksCentrum voor de Aanwending van Staal - centro di ricerca per l’uso dell’acciaio) è un centro di ricerca avanzato e orientato verso il mercato che offre ad aziende che si occupano della lavorazione del metallo in tutto il mondo prodotti, servizi e soluzioni. L’obiettivo di questo progetto è quello di studiare la cinetica della precipitazione di κ-carburi negli acciai a bassa densità, aspetto fondamentale per lo sviluppo nella lavorazione industriale di questi acciai. Gli acciai Fe-Mn-Al-C a bassa densità rappresentano un approccio innovativo per affrontare la crescente richiesta di progettazione di componenti leggeri in molti settori come quello automobilistico, militare e aereonautico. Questa classe di acciai è caratterizzata da una riduzione di densità linearmente proporzionale al contenuto di Al, può ottenere facilmente una densità del 10% inferiore a quella del ferro e può raggiungere notevoli valori di UTS (800-1000Mpa) e di TE (fino a 80%). D’altra parte, anche a causa dell’alto contenuto di elementi di lega, le proprietà di questi acciai possono facilmente deteriorarsi e un comportamento fragile è facilmente osservabile. Il progetto è stato diviso tra lo studio della cinetica di precipitazione dei κ-carburi durante trattamenti isotermici, svolto con esperimenti di trasformazione isoterma, e durante raffreddamento, svolto con esperimenti di trasformazione anisoterma. La durezza e la microstruttura dei campioni è stata testata e osservata. In caso di trasformazioni chiaramente visibili al microscopio ottico, è stato possibile analizzare ulteriormente le stesse tramite l’uso del modello JMAK. È emerso che sia la presenza di precipitazioni che la cinetica di precipitazione dipende dalla composizione e dal trattamento isotermico che è stato eseguito. Sono stati ottenuti valori straordinari di durezza e sono state osservate microstrutture notevoli durante i test isotermici. È stato anche possibile stabilire una dipendenza lineare tra la composizione e il tempo di mezza trasformazione. È stato difficile osservare cambi significativi in durezza e microstrutture con differenti velocità di raffreddamento, solo alcune leghe hanno mostrato un aumento di durezza a seguito di velocità di raffreddamento più lente.