Morphology and Crystallography Analyses of HSLA Steels with Hardenability Enhanced by Tailored C–Ni Collocation

High hardenability is of great importance to ultra-heavy steel plates and can be achieved by tailoring the composition of steel. In this study, the continuous cooling transformation (CCT) curves of two high-strength low-alloy (HSLA) steels (0.16C-0.92Ni steel and 0.12C-1.86Ni steel) were elucidated to reveal the significance of C–Ni collocation on hardenability from the perspective of morphology and crystallography. At a low cooling rate (0.5 °C/s), the 0.12C-1.86Ni steel showed higher microhardness than 0.16C-0.92Ni steel. The microstructure in 0.16C-0.92Ni steel was mainly granular bainite with block-shaped martensite/austenite islands (M/A islands), while that in 0.12C-1.86Ni steel was typically lath bainite with film-shaped M/A islands, denoting that the 0.12C-1.86Ni steel is of higher hardenability. Moreover, the 0.12C-1.86Ni steel exhibited a higher density of block boundaries, especially V1/V2 boundaries. The higher density of block boundaries resulted from the weakened variant selection due to the larger transformation driving force and more self-accommodation of transformation strain induced by the reduced carbon and increased nickel content.

Tailoring Heterogeneous Microstructure in a High-Strength Low-Alloy Steel for Enhanced Strength-Toughness Balance

The attainment of both strength and toughness is of vital importance to most structural materials, although unfortunately they are generally mutually exclusive. Here, we report that simultaneous increases in strength and toughness in a high-strength low-alloy (HSLA) steel were achieved by tailoring the heterogeneous microstructure consisting of soft intercritical ferrite and hard martensite via intercritical heat treatment. The heterogeneous microstructure features were studied from the perspective of morphology and crystallography to uncover the effect on mechanical properties. Specifically, the volume fraction of martensite increased with increasing annealing temperature, which resulted in increased back stress and effective stress, and thereby an improved strength-ductility combination. The enrichment of carbon and alloying elements in the martensite was lowered with the increase in annealing temperature. As a result, the hardness difference between the intercritical ferrite and martensite was reduced. In addition, the globular reversed austenite preferentially grew into the adjacent austenite grain that held no Kurdjumov-Sachs (K-S) orientation relationship with it, which effectively refined the coarse prior austenite grains and increased the density of high angle grain boundaries. The synergy of these two factors contributed to the improved low-temperature toughness. This work demonstrates a strategy for designing heterostructured HSLA steels with superior mechanical properties.

Effects of the Primary NbC Elimination on the SSCC Resistance of a HSLA Steel for Oil Country Tubular Goods

Sulfide stress corrosion cracking (SSCC) has been of particular concern in high strength low alloyed (HSLA) steels used in the oil industry, and the non-metallic inclusions are usually considered as a detrimental factor to the SSCC resistance. In the present work, continuous casting (CC) and electroslag remelting (ESR) were adopted to fabricate a 125 ksi grade steel in order to evaluate the effect of microstructure with and without primary NbC carbides (inclusions) on the SSCC resistance in the steel. It was found that ESR could remove the primary NbC carbides, and hence, slightly increase the strength without deteriorating the SSCC resistance. The elimination of primary NbC carbides caused two opposite effects on the SSCC resistance in the studied steel. On the one hand, the elimination of primary NbC carbides increased the dislocation density and the proportion of high angle boundaries (HABs), which was not good to the SSCC resistance. On the other hand, the elimination of primary NbC carbides also induced more uniform nanosized secondary NbC carbides formed during tempering, providing many irreversible hydrogen traps. These two opposite effects on SSCC resistance due to the elimination of primary NbC carbides were assumed to be offset, and thus, the SSCC resistance was not greatly improved using ESR.

AN ANALYSIS OF IMPACT TESTING OF HIGH STRENGTH LOW-ALLOY STEELS USED IN SHIP CONSTRUCTION

Brittle damages have been examined widely since welding became common practice when it comes to carrying out robust structures. Welded structure of the ship hull has to be continuous. Brittle damages that occur on hull structures have always been examined thoroughly. Cracks are most commonly initiated at locations where stress concentrators exist. These concentrators can originate due to flaws that occur during the design phase or due to mistakes that occur during the assembly of the structure. When it comes to failures and damages that occur at ship structures, it has been noticed that damages due to brittleness practically always happen at low temperatures. Impact test analysis is significant due to the fact that it replicates the ductile to brittle transition of steel in practically identical range of temperatures for all ship structures. Impact of ductile-brittle transition temperature is an important factor especially because there have been many ship failures and damages in history. In ship structures made of welded joints of high strength low-alloy (HSLA) steels with their segments (parent metal, weld metal and heat-affected-zone), the toughness test determines the tendency of steel to brittle fracture, respectively the tendency to increase brittleness during exploitation. Parameters obtained by testing the properties of plasticity are the fundamental for the composition of ship structures with the aim of realize strengths under tested load. The test results of high strength low-alloy steel toughness assessment at different test temperatures show that temperature significantly affects the impact toughness of steels and their alloys.

Numerical-experimental analysis of a modified G-BOP test to evaluate cracks in weld beads in thin sheets

One of the most critical problems related to welding is the occurrence of Hydrogen-Induced Cracking (HIC), and despite all the efforts made to mitigate this defect, it remains present in modern welding industry. Although the Gapped Bead-on-Plate (G-BOP) test is one of the most practical methods for assessing susceptibility to HIC, its application is restricted by the fact that it employs a thick plate as the base metal. Considering that many materials, such as the High-Strength-Low-Alloy (HSLA) steels, are difficult to find commercially in the required thickness, and also the fundamental need to appropriately represent the relationship between base and weld metals, da Silva, Fals and Trevisan \cite{RefG} developed a modified G-BOP test that uses a thinner sheet as the base metal. Thus, the present paper aims to evaluate the ability of the Finite Element Method (FEM) to represent the thermomechanical aspects of the G-BOP test, and then to analyze the modified version proposed by \cite{RefG} using a numerical-experimental approach with the FEM as a support tool in the investigation of HIC phenomena. The results, in addition to consolidating the modified version of the test, corroborate the FEM as an important ally in HIC studies.

Design of the thermomechanical control process of high strength low alloy (HSLA) steels

Ο σχεδιασμός της θερμομηχανικής κατεργασίας χαλύβων υψηλής αντοχής και χαμηλής κράματωσης (HSLA) παραμένει ένα δύσκολο πρόβλημα και λίγες προσπάθειες έχουν πραγματοποιηθεί ως προς την βελτιστοποίηση τους υπό ένα ενοποιημένο υπολογιστικό πλαίσιο. Οι περισσότερες έρευνες επικεντρώνονται στη βελτιστοποίηση μεμονομένων σταδίων της θερμομηχανικής κατεργασίας, αγνοώντας την σύνδεση των φαινομένων που ελέγχουν την εξέλιξη της μικροδομής στα διαφορετικά στάδια, ενώ άλλες έρευνες βασίζονται σε μια διαδικασία δοκιμής και σφάλματος, η οποία απαιτεί τεράστιο αριθμό πειραματικών δεδομένων ώστε να βελτιώσουν τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού. Η θερμομηχανική κατεργασία των X70 HSLA χαλύβων αποτελείται από δύο στάδια θερμής έλασης (roughing and finishing) στην ωστενιτική περιοχή, και στη συνέχεια από επιταχυνόμενη ψύξη, όπου ο παραμορφωμένος ωστενίτης μετασχηματίζεται σε φερρίτη. Μετά από μια διαδικασία συσπείρωσης (coiling), η τελική μικδροδομή, συναρτήσει των παραμέτρων κατεργασίας, μπορεί να αποτελείται από πολυγωνικό φερρίτη, βελονοειδή φερρίτη ή μπαινιτικό φερρίτη, με μέσο μέγεθος κόκκου 2-6 μm. Η παρούσα μελέτη στοχεύει στην ανάπτυξη μιας υπολογιστικής διαδικασίας συνδεδεμένης με στρατηγικές βελτιστοποίησης, για την περιγραφή της εξέλιξης της μικροδομής κατά τα πολλαπλά στάδια της θερμομηχανικής κατεργασίας των X70 HSLA χαλύβων. Δύο διαδικασίες υπολογιστικής μοντελοποίησης και βελτιστοποίησης αναπτύχθηκαν για το σχεδιασμό της θερμομηχανικής κατεργασίας των X70 HSLA χαλύβων. Η πρώτη προσέγγιση υιοθετεί ένα επεκταμένο μοντέλο Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK rate model), για τη περιγραφή της επιταχυνόμενης καθίζησης των καρβονιτριδίων του νιοβίου λόγω παραμόρφωσης, καθώς και της στατικής ανακρυστάλλωσης του ωστενίτη κατά τη θερμομηχανική κατεργασία. Στοχεύοντας στην εκλέπτυνση του κόκκου, χρησιμοποιήθηκε ένας γενετικός αλγόριθμος για την εύρεση βέλτιστων λύσεων θερμομηχανικής κατεργασίας υπό συγκεκριμένες συνθήκες σχεδιασμού. Το υλικό που πρόεκυψε από αυτή τη μέθοδο, ονομάστηκε "δοκιμαστικό υλικό" (trial material). Στη δεύτερη προσέγγιση, αναπτύχθηκε ένα πρωτότυπο ολοκληρωμένο μοντέλο καθίζησης και ανακρυστάλλωσης, περιορίζοντας τον αριθμό των ρυθμιζόμενων παραμέτρων, το οποίο ενσωματώθηκε σε ένα φυσικό μοντέλο (physically-based mean field model) για τη περιγραφή της εξέλιξης της μικροδομής. Το μοντέλο λαμβάνει υπ' όψιν του μια αποτελεσματική δύναμη Zener pinning, μια αποτελεσματική κινητικότητα του νιοβίου για το solute drag effect, και μια μη-ομοιόμορφη αποθηκευμένη ενέργεια. Χρησιμοποιώντας τον NSGA-II αλγόριθμο, μια λίστα βέλτιστων λύσεων ευρέθηκε, επιλύοντας ένα πολυαντικειμενικό πρόβλημα βελτιστοποίησης. Αυτές οι λύσεις χαρακτηρίζονται από συμβιβαζόμες αντικειμενικές χαρακτηρισμού της μικροδομής, π.χ. μέσο φερριτικό μέγεθος κόκκου, διαλυτοποιημένο νιόβιο, και βαθμό επιμήκυνσης στο τέλος της θερμής έλασης. Μια λύση επιλέχθηκε από αυτή τη μεθοδολογία, και το υλικό που προέκυψε ονομάστηκε "βέλτιστο υλικό", ενώ στη συνέχεια το υλικό ερευνήθηκε με τη χρήση υπολογισμών Multi-Phase Field (MPF). Πραγματοποιήθηκε ανάλυση της μικροδομής, της καθίζησης και μηχανικοί έλεγχοι για τον χαρακτηρισμό του υλικού. Τα πειραματικά αποτελέσματα παρουσιάσαν καλή σύγκλιση με τα υπολογιστικά αποτελέσματα. Επίσης, πραγματοποιήθηκε σύγκριση των MPF και JMAK μοντέλων για τη περίπτωση των C-Mn χαλύβων, ώστε να αποκαλυφθούν οι παράμετροι που ελέγχουν την εξέλιξη της μικροδομής, καθώς πραγματοποιήθηκε και πειραματική επιβεβαίωση των MPF αποτελεσμάτων με δημοσιευμένα δεδομένα από την βιβλιογραφία. Η σύγκριση μεταξύ του δοκιμαστικού και βέλτιστου υλικού, καθώς και ενός αναφορικού υλικού το οποίο προήλθε από μια βιομηχανική θερμομηχανική κατεργασία, έδειξε ότι το βέλτιστο υλικό είχε μια πιο λεπτόκοκκη και ομοιόμορφη μικροδομή, πετυχαίνοντας συνεπώς τις αντικειμενικές του σχεδιασμού. Ωστόσο, το βέλτιστο υλικό παρουσίασε λίγο μεγαλύτερη θερμοκρασία μετάβασης από την ψαθυρή στην όλκιμη θραύση. Η παρούσα μελέτη κατάφερε να περιγράψει τα φαινόμενα που ελέγχουν την εξέλιξη της μικροδομής καθόλη τη θερμομηχανική κατεργασία των χαλύβων υψηλής αντοχής και χαμηλής κραμάτωσης μέσω μιας ολοκληρωμένης υπολογιστικής προσέγγισης, για να μειώσει το χρόνο που απαιτείται για τη βελτιστοποίση του υλικού θέτοντας συγκρεκριμένες αντικειμενικές χαρακτηρισμού της μικροδομής. Ένα βήμα πραγματοποιήθηκε από την ανάπτυξη κραμάτων βασισμένων στη διαδικασία δοκιμής και σφάλματος, προς την ανάπτυξη κραμάτων βασισμένων στον υπολογιστικό σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση. Οι προτεινόμενες προσεγγίσεις μπορούν να συνεισφέρουν στο σχεδιασμό της κατεργασίας των χαλύβων υψηλής αντοχής και χαμηλής κραμάτωσης (HSLA) και άλλων μικρό-κραματωμένων χαλύβων με βελτιομένες ιδιότητες.