Combination of strength and toughness in low-alloy steels with innovative thermal treatments

The design of many steel products is based on the yield strength, with toughness requirements at the minimum operating temperature as a safety condition to prevent sudden and brittle failures. Optimum combinations of strength and toughness can be obtained with the traditional heat treatment of quenching and tempering. The recent developments of the so called “third generation” of advanced high strength steels consider the microstructures containing stable austenite and tempered martensite a promising solution to improve the combinations of strength and ductility. The stability of the austenite is achieved mainly by carbon enrichment, partitioning this element between martensite and austenite. Very little attention has been devoted to study the combinations of yield strength and toughness achievable with these microstructures and their dependence on the process parameters. The experimental activity of this work was devoted to define the process conditions that lead to microstructures of tempered martensite and retained austenite with the selected steels, to investigate the achievable yield strength and toughness properties and their relationship with the microstructure and the role of retained austenite as a trap for hydrogen. Through the design of chemical analysis and heat treatment conditions microstructures containing retained austenite fractions between 10% and 20% were developed. The presence of islands of high carbon martensite, due to a not homogeneous stabilization of the retained austenite, was found to be a critical factor on the performance of these steels.

La progettazione di molti prodotti in acciaio è basata sul carico di snervamento e sulla tenacità alla minima temperatura di esercizio come condizione di sicurezza per evitare cedimenti improvvisi e di tipo fragile. Se da un lato con i tradizionali trattamenti di tempra e rinvenimento si possono ottenere ottime combinazioni di snervamento e tenacità, dall’altro nei recenti sviluppi di acciai avanzati ad elevata resistenza (AHSS) si ritiene che le microstrutture contenenti austenite stabile e martensite rinvenuta siano una soluzione promettente per migliorare le combinazioni di carico di rottura e duttilità. La stabilizzazione dell’austenite è ottenuta principalmente mediante arricchimento in carbonio, con ripartizione di questo elemento tra austenite e martensite. Molto poca attenzione è stata dedicata allo studio delle combinazioni di snervamento e tenacità ottenibili e alla loro dipendenza dai parametri di trattamento termico. L’attività sperimentale di questo lavoro è stata dedicata a definire le condizioni di processo che consentono di ottenere microstrutture di martensite rinvenuta e austenite residua con gli acciai selezionati, ad investigare le caratteristiche meccaniche ottenibili e la loro relazione con i costituenti microstrutturali e al ruolo dell’austenite residua come trappola per l’idrogeno. Attraverso il disegno di analisi chimica e condizioni di trattamento termico sono state sviluppate microstrutture contenenti austenite residua tra il 10% e il 20%. La presenza di isole di martensite ad alto carbonio, a causa di una non completa ed omogenea stabilizzazione dell’austenite è risultato essere un fattore critico nella performance di questi materiali.