Effect of alloying elements on the viability of Quenching and Partitioning treatments on commercial steels

The Quenching & Partitioning heat treatment is a novel approach that has been gaining attention in recent years, as it enhances both the strength and ductility of high strength steels. This is achieved through the presence of martensite and retained austenite in the microstructure. The purpose of this study is to apply this treatment to three different commercial steels (C35, C45 and 30CrNiMo8), investigating its effects in terms of microstructure and mechanical properties. Specifically, a single-step Q&P was performed by austenitizing the samples at 850-820 °C, followed by partitioning at different times and temperatures, obtained from simulations using the Thermo-Calc software. After being treated, the samples were analyzed by optical microscope and SEM to study the microstructure, and XRD was conducted to verify the eventual presence of retained austenite. Mechanical properties were tested through tensile tests. Concerning C35, no fully martensitic microstructure was observed, and based on the resulting mechanical properties, it was inferred that the cooling rate could not be controlled properly. Therefore, C45, steel with a higher carbon content, was tested, revealing a bainitic-martensitic microstructure. The presence of retained austenite was not detected by XRD. Another material richer in alloying elements (30CrNiMo8) was chosen, showing a martensitic microstructure and the presence of retained austenite, confirmed by both XRD and EBSD analysis. The amount of retained austenite increased with the partitioning time, peaking at 13%, dropping to a minimum of 4.8% at 120 minutes. Longer times revealed the presence of larger carbides. Tensile tests were conducted, indicating an improvement in elongation of all treated samples, compared to the corresponding quenched and tempered ones. The gain in terms of elongation in Q&P compared to Q&T is highlighted also in the analysis of strain hardening coefficients. Regardless of the partitioning time, the maximum strain in Q&P resulted to be approximately 1.5/2 times that of Q&T. Ultimately, the stability of austenite was examined, revealing that optimal stability is attained with a 30-minute partitioning period.

Il trattamento termico di Quenching & Partitioning è un approccio innovativo che ha attirato l'attenzione negli ultimi anni, poiché migliora sia la resistenza che la duttilità degli acciai ad alta resistenza. Ciò è ottenuto attraverso la presenza di martensite e austenite residua nella microstruttura. Lo scopo di questo studio è applicare tale trattamento a tre acciai commerciali (C35, C45 e 30CrNiMo8), indagandone gli effetti su microstruttura e proprietà meccaniche. In particolare, è stato eseguito un trattamento Q&P one-step attraverso l'austenitizzazione dei campioni a 850-820 °C, seguita da una partizione a tempi e temperature diverse, ottenuti da simulazioni con il software Thermo-Calc. Dopo il trattamento, la microstruttura è stata analizzata al microscopio ottico e tramite SEM, ed è stata verificata l'eventuale presenza di austenite residua tramite XRD. Sono state eseguite anche prove di trazione. Per quanto riguarda il C35, non è stata osservata una microstruttura martensitica e, in base alle proprietà meccaniche osservate, si è dedotto che non fosse possibile controllare in modo efficace il raffreddamento. Pertanto, è stato testato il C45 (tenore di carbonio più elevato), che ha rivelato una microstruttura bainitico-martensitica. L'analisi XRD non ha mostrato austenite residua. E' stato scelto dunque il 30CrNiMo8, acciaio più ricco di elementi di lega, che ha mostrato una microstruttura martensitica e la presenza di austenite residua, confermata sia da XRD che da un'analisi EBSD. La quantità di austenite residua aumentava con il tempo di partizione, raggiungendo il massimo di 13%, per poi diminuire ad un minimo di 4,8%, a 120 minuti. Tempi più lunghi hanno rivelato la presenza di carburi di maggiori dimensioni. Le prove di trazione hanno mostrato un miglioramento dell'allungamento percentuale in tutti i campioni trattati, rispetto ai corrispondenti (Q&T), evidenziato anche nell'analisi dei coefficienti di incrudimento. Il massimo allungamento nei Q&P è risultato essere 1,5/2 volte quello dei rispettivi Q&T. Infine, è stata studiata la stabilità dell'austenite, dimostrando che la condizione ottimale è raggiunta con un tempo di partizione di 30 minuti.