A viability study on quenching and partitioning treatment of commercial steels

This research aims at studying the possibility of exploiting the novel heat treatment process of quenching and partitioning on the simplest form of commercial steels with medium carbon content as a way to improve its strength and ductility. The way to understand this viability is to achieve austenite retention in the microstructure. Samples underwent a one-step process starting by austenitization at 850°C, followed by partitioning at different temperatures and for a set of times and finally water quenched. The selection of the austenitization and partitioning temperatures was made based on Thermo-Calc® calculations. DICTRA module was also employed to model carbon diffusion mechanism from martensite to austenite at different temperatures. Final microstructure inspection was carried with the help of Optical Microscopy and Scanning electron Microscopy. X-ray diffraction was used to estimate the volume fraction of retained austenite obtained. Electron Backscattered Diffraction was also applied on the promising samples to examine the shape of retained austenite formed. Experimental and simulative approaches were employed and correlated. The microstructure was majorly martensitic for samples treated at 240 and 260°C, while presented a fair amount of ferrite in samples held at 280 and 290°C. Samples partitioned at 280 and 290°C resulted in a high ferritic phase fraction, based on their proximity of Ms. XRD showed an RA amount of 9.3% and 4.5% at 280 and 290°C respectively, both after 10 min. Longer times exhibited the formation of carbides. The two other temperatures were extracted from Thermo-Calc results and led to higher fractions, especially in a sample isothermally held at 260°C and reached 12.3%, after 10 min as well. Longer times, in these cases, led to a drop in RA amount that might be linked to bainitic transformations.

Questa ricerca è uno studio di fattibilità del processo di trattamento termico di quenching and partitioning su degli acciai commerciali con un contenuto medio di carbonio, per migliorarne la resistenza e la tenacità. I campioni sono stati sottoposti a un processo one-step che inizia con l'austenitizzazione a 850°C, seguita dal partizionamento del carbonio a diverse temperature e per una serie di tempi. La selezione delle temperature di austenitizzazione e di partizione è stata fatta sulla base di calcoli Thermo-Calc®. Il modulo DICTRA è stato impiegato per modellare il meccanismo di diffusione del carbonio dalla martensite all'austenite a diverse temperature. Il controllo finale della microstruttura è stato effettuato con l'aiuto della microscopia ottica e della microscopia elettronica a scansione. La diffrazione a raggi X è stata usata per stimare la frazione di volume di austenite residua. L’analisi EBSD (electron back scattered diffraction) è stata eseguita sui campioni più promettenti per esaminare la forma e la posizione dell'austenite residua. La microstruttura è principalmente martensitica per i campioni trattati a 240 e 260°C, mentre presenta una discreta quantità di ferrite nei campioni trattati a 280 e 290°C. I campioni trattati a 280 e 290°C risultavano in un'alta frazione di fase ferritica, basata sulla loro vicinanza ad Ms. L’analisi XRD ha mostrato una quantità di RA del 9,3% e del 4,5% a 280 e 290°C rispettivamente, entrambi dopo 10 minuti. Tempi più lunghi hanno mostrato la formazione di carburi. Le altre due temperature sono invece state estratte dai risultati di Thermo-Calc e hanno portato a frazioni più alte, specialmente nel campione tenuto isotermicamente a 260°C che ha raggiunto il 12,3%, anche dopo 10 minuti. Tempi più lunghi, in questi casi, hanno portato a un calo della quantità di RA che potrebbe essere legato a trasformazioni bainitiche.