Reliability of quenching and partitioning treatment on AISI 420A martensitic stainless steel

The Quenching and Partitioning (Q&P) heat treatment applied to a low-carbon martensitic stainless steel (MSS), AISI 420A, has been studied. The process reliability derives from the ability to stabilize retained austenite (RA), within the martensitic matrix, to room temperature. The main objective requires reaching a great ductility – strength balance, compared to the one achieved by means of the traditional Quenching & Tempering (Q&T) treatment. The analysis is carried on 1 mm thick samples in order to deepen the potentialities of thin foil application processed by this treatment, and allow MSS to scale up to an industrial level as reliable component because of its new set of properties that traditional processes do not entail. Subsequently to the quenching step, interrupted between Ms and Mf temperatures, in order to retain austenite, partitioning is performed at the same quench interruption temperature (single step Q&P) or at higher temperatures (double step Q&P) to compare their advantages and limitations. In the double step Q&P specimens a greater ductility, than in Q&T counterparts, is reached, carrying out partitioning treatments that are shorter than 30 minutes. The best results achieved are 1,585 MPa of ultimate tensile stress, 22% of strain before rupture, 77 kJ/m2 of elasto-plastic fracture toughness and 132 MPam1/2 of linear-elastic fracture toughness. Most successful are samples quenched to 130 °C, that present also higher reliability. The specimens treated by the single step route are also within the third generation of Advanced High Strength Steels (AHSS), despite of lower elongations (9.6%), which are, however, balanced by high tensile strength (1,812 MPa), ensuring higher toughness compared to traditional Q&T specimens.

Il trattamento termico di Quenching e Partitioning (Q&P) è stato studiato e applicato ad un acciaio inossidabile martensitico (MSS) a basso contenuto di carbonio, l’AISI 420A. L’attendibilità del trattamento consegue dalla capacità di stabilizzare austenite residua (RA), nella matrice martensitica, a temperatura ambiente. Il principale obiettivo è il raggiungimento di un maggior bilanciamenro tra resistenza e duttilità, superiore a quello ottenuto attraverso il tradizionale trattamento di tempra e rinvenimento (Q&T). I campioni analizzati sono lamine con spessore di 1 mm, scelti per indagare le potenzialità del trattamento per applicazioni di lamiere sottili, che possano essere validi componenti grazie ad un nuovo insieme di proprietà non raggiungibili attraverso i comuni trattamenti. Successivamente alla tempra, interrotta entro le temperature Ms e Mf, per permettere una quantità di RA, lo step di partitioning viene avanzato alla stessa temperatura dell’interruzione della tempra (single step Q&P) oppure a temperature maggiori (double step Q&P) per confrontarne i vantaggi e le limitazioni. I risultati del trattamento doule-step Q&P mostrano l’ottenimento di duttilità altamente superiori rispetto alle controparti trattate attraverso tempra e rinvenimento, per tempi di partitioning inferiori ai 30 minuti, dando come miglior risultati quelli di 1,585 MPa di UTS, 22% di deformazione prima della rottura, una tenacità di frattura elasto-plastica di 77 kJ/m2 e una tenacità a frattura lineare-elastica di 132 MPam1/2. I campioni a più alta attendibilità e con maggiori caratteristiche meccaniche risultano essere quelli temprati a 130°C. I provini trattati con il single-step Q&P rientrano anch’essi nella terza generazione degli Advanced High Strength Steels (AHSS), nonostante presentino elongazioni inferiori (9,6%), che però vengono controbilanciate da carichi di rottura elevati (1,812 Mpa), garantendo una tenacità maggiore rispetto ai tradizionali provini bonificati.