Electron Beam treatment of AISI 316L : experimental investigation of microstructural changes and computation of thermal and mechanical fields

The present work, carried out in collaboration with the Institute of Metals and Technology (IMT) in Ljubljana, aimed to investigate the effects of low energy, high current electron beam (LEHCEB) irradiation on the surface modification of steels of grade AISI 316L, with a dual approach of both experimental and modelling nature. AISI 316L samples were treated with a pulsed LEHCEB source in different operational settings, varying the accelerating voltage of the electron beam and number of pulses delivered to the surface. The presence of a surface layer of α’ martensite was detected via X-ray diffraction and scanning electron microscope observations; electron-backscatter diffraction acquisitions proved the martensitic transformation to be of deformation-induced type and due to the peculiar thermal stress distribution induced in the material by electron beam irradiation. It was also noted that while the presence of martensite was detected in all samples, increasing the number of pulses and the accelerating voltage led to a higher transformation penetration. Overall, the suitability of LEHCEB treatments as an alternative route to provide surface quenching to AISI 316L was confirmed. The intense non-equilibrium thermal and mechanical fields known to develop during electron beam treatments were modelled in the finite element analysis software COMSOL Multiphysics. A general simulation procedure was proposed for the investigation of the treatment at different scales, during the irradiation phase as well as for inter-pulse cooling. Trends for the dependence of thermal fields on time and depth and stress evolution according to the thermal input were highlighted. Simulation data were then related to experimental results to propose a preliminary modelling process for the transformation and evolution of martensite in the AISI 316L base material because of the strains generated by LEHCEB irradiation. Albeit still of indicative nature, the model proved to agree with the observations performed on the cross-sections of samples, predicting comparable values in the micrometre scale for both the average treatment depth and the maximum penetration of irradiation-induced martensitic phases.

Il lavoro di tesi qui presentato è frutto di una collaborazione con l’Istituto di Metallurgia di Lubiana (IMT), e ha come obiettivo lo studio dell’irraggiamento di campioni di acciaio di grado AISI 316L con fasci di elettroni ad alta corrente e bassa energia (Low Energy, High Current Electron Beams, LEHCEB), combinando osservazioni sperimentali con modelli simulativi del processo. Provini di AISI 316L sono stati trattati con una fonte LEHCEB pulsata, variando il voltaggio di accelerazione e il numero di impulsi del fascio. Tramite diffrazione a raggi X e osservazione al microscopio elettronico a scansione uno strato superficiale di martensite α’, indotta da deformazione, è stato identificato. La trasformazione martensitica è stata attribuita alla presenza nel materiale di sforzi termici residui causati dall’irraggiamento con il fascio elettronico. Si è anche notato come la presenza di martensite sia stata verificata in tutti i campioni, mentre aumentando il numero di impulsi o il voltaggio si possa ottenere una penetrazione più estesa del trattamento. L’applicabilità di trattamenti LEHCEB come alternativa ai metodi convenzionali di tempra superficiale dell’AISI 316L è stata quindi confermata. Durante il trattamento, nel materiale si sviluppano intensi campi termici e meccanici, che sono stati simulati tramite il software di analisi a elementi finiti COMSOL Multiphysics. È stata proposta una procedura di simulazione a diverse scale geometriche, sia per la fase di irraggiamento che per il raffreddamento tra impulsi, con lo scopo di rappresentare l’evoluzione della temperatura e degli sforzi e di individuare come essi dipendano dal tempo e dalla distanza dalla superficie. I dati delle simulazioni, e in particolar modo i valori ottenuti per l’analisi meccanica, sono poi stati messi in relazione con le osservazioni sperimentali per produrre un modello preliminare di previsione della trasformazione martensitica nel materiale di base AISI 316L. Seppur di natura indicativa, il modello conferma le osservazioni della sezione trasversale dei campioni, predicendo una penetrazione nella scala micrometrica e comparabile alle misure, sia per quanto riguarda il valore massimo che quello medio di spessore interessato dalla trasformazione martensitica.