Multi-step optimization of Quenching and Partitioning parameters in a 30CrNiMo8 steel

The Quenching and Partitioning (Q&P) heat treatment aims to combine high strength and ductility by developing a microstructure composed of martensite and retained austenite. In this work, single-step Q&P treatments were applied to the commercial steel 30CrNiMo8, a medium-carbon alloy widely employed for high-strength applications but not specifically engineered for this heat-treatment route. The study began with an investigation of the initial microstructure, focusing on the dissolution of pre-existing carbides and on the evolution of the prior austenite grain size under different austenitization temperatures. Microstructural evolution was characterized by X-ray diffraction (XRD), electron backscatter diffraction (EBSD) and dilatometry, while tensile tests were performed to assess mechanical properties and strainhardening behaviour. Carbide dissolution was found to progress with austenitization temperature and to complete above 1000 °C, where substantial grain coarsening also occurred. Despite the absence of silicon and aluminium, typically used to suppress cementite precipitation, the 30CrNiMo8 steel successfully retained 5–10% of austenite after Q&P treatment. The conventional “80–20 rule” for quenching temperature selection was proved suboptimal for this alloy, as excessive untransformed austenite availability promoted bainite and fresh martensite formation. The most effective conditions were obtained after austenitization at 1000 °C followed by quenching and partitioning at 235 °C for 10 min and 1 h. Under these parameters, about 5% of untransformed austenite was fully stabilized, with partial carbide dissolution and medium-sized prior austenite grains. Finally, a new method referred to as Adapted Quenching Temperature (Tqa) was proposed for selecting the quenching temperature to systematically minimise the formation of bainite and fresh martensite. The Tqa is defined as the quenching temperature that produces only the fraction of austenite which can be effectively stabilised during partitioning, determined from results of preliminary Q&P treatments.

Il trattamento termico di Quenching and Partitioning (Q&P) mira a combinare elevata resistenza e duttilità attraverso lo sviluppo di una microstruttura composta da martensite e austenite residua stabilizzata. In questo lavoro sono stati applicati trattamenti Q&P in singolo stadio all’acciaio commerciale 30CrNiMo8, una lega ampiamente utilizzata per applicazioni ad alta resistenza ma non specificamente sviluppata per questo tipo di trattamento termico. Lo studio è iniziato con l’analisi della microstruttura iniziale, concentrandosi sulla dissoluzione dei carburi preesistenti e sull’evoluzione della dimensione dei grani di austenite primaria a diverse temperature di austenitizzazione. La caratterizzazione microstrutturale è stata condotta mediante diffrazione a raggi X (XRD), electron backscatter diffraction (EBSD) e dilatometria, mentre prove di trazione sono state eseguite per valutare le proprietà meccaniche e il comportamento di incrudimento. È stato osservato che la dissoluzione dei carburi progredisce con la temperatura di austenitizzazione e si completa oltre i 1000 °C, dove si verifica anche un marcato ingrossamento dei grani. Nonostante l’assenza di silicio e alluminio, elementi comunemente impiegati per inibire la precipitazione di cementite, l’acciaio 30CrNiMo8 ha mantenuto una frazione di austenite residua del 5–10% dopo il trattamento Q&P. La convenzionale regola “dell’80–20” per la scelta della temperatura di tempra si è dimostrata non adatta per questa lega, poiché un’eccessiva quantità di austenite non trasformata favorisce la formazione di bainite e martensite fresca. Le condizioni più performanti sono state ottenute dopo austenitizzazione a 1000 °C seguita da tempra e partizionamento a 235 °C per 10 minuti e 1 ora, con la completa stabilizzazione di circa 5% di austenite. Infine, è stato proposto un nuovo metodo, denominato Adapted Quenching Temperature (Tqa), per la scelta della temperatura di tempra, mirato a minimizzare sistematicamente la formazione di bainite e martensite fresca, ottenendo in tempra solo la frazione di austenite effettivamente stabilizzabile durante il partizionamento.