I (2007) - 23 (5) ISSN

Transcript

1 Li, Y. and Wilson, J.A. and Craven, A.J. and Mitchell, P.S. and Crowther, D. and Baker, T.N. (2007) Dispersion strengthening in vanadium microalloyed steels processed by simulated thin slab casting and direct charging: Part I - Processing parameters, mechanical properties and microstructure. Materials Science and Technology, 23 (5). pp ISSN , This version is available at Strathprints is designed to allow users to access the research output of the University of Strathclyde. Unless otherwise explicitly stated on the manuscript, Copyright and Moral Rights for the papers on this site are retained by the individual authors and/or other copyright owners. Please check the manuscript for details of any other licences that may have been applied. You may not engage in further distribution of the material for any profitmaking activities or any commercial gain. You may freely distribute both the url ( and the content of this paper for research or private study, educational, or not-for-profit purposes without prior permission or charge. Any correspondence concerning this service should be sent to the Strathprints administrator: strathprints@strath.ac.uk The Strathprints institutional repository ( is a digital archive of University of Strathclyde research outputs. It has been developed to disseminate open access research outputs, expose data about those outputs, and enable the management and persistent access to Strathclyde's intellectual output.

2 Dispersion strengthening particles in vanadium microalloyed steels processed by simulated thin slab casting and direct charging. Part 1- processing parameters, mechanical properties and microstructure Y. Li *+, J.A. Wilson, A.J. Craven, P.S. Mitchell +, D. N. Crowther o and T.N. Baker * Μεταλλυργψ ανδ Ματεριαλσ Ενγινεερινγ Γρουπ, Dεπαρτmεντ οφ Μεχηανιχαλ Ενγινεερινγ, Υνιϖερσιτψ οφ Στρατηχλψδε, Γλασγοω Γ1 1Ξϑ, Σχοτλανδ, ΥΚ. + ςανιτεχ, Wιντερτον Ηουσε, Ηιγη Στρεετ, Wεστερηαm, Κεντ ΤΝ16 1ΑΘ. ΥΚ Dεπαρτmεντ οφ Πηψσιχσ ανδ Αστρονοmψ, Υνιϖερσιτψ οφ Γλασγοω, Γλασγοω, Γ12 8ΘΘ, Σχοτλανδ, ΥΚ. ο Χορυσ Γρουπ, Σωινδεν Τεχηνολογψ Χεντρε, Ροτηερηαm, Σ60 3ΑΡ,ΥΚ. Keywords: Ηιγη στρενγτη λοω αλλοψ (ΗΣΛΑ) στεελ, Dιρεχτ χηαργεδ τηιν σλαβ προχεσσ, Πρεχιπιτατιον, Dισπερσιον Στρενγτηενινγ,,. Author for correspondence Προφεσσορ Τ.Ν. Βακερ, Μεταλλυργψ ανδ Ματεριαλσ Ενγινεερινγ Γρουπ, Dεπαρτmεντ οφ Μεχηανιχαλ Ενγινεερινγ, Υνιϖερσιτψ οφ Στρατηχλψδε, Γλασγοω Γ1 1Ξϑ, Σχοτλανδ, ΥΚ. 1

3 Abstract Α στυδψ σιmυλατινγ τηιν σλαβ χοντινυουσ χαστινγ φολλοωεδ βψ διρεχτ χηαργινγ ιντο αν εθυαλισατιον φυρναχε ηασ βεεν υνδερτακεν βασεδ ον σιξ λοω χαρβον (0.06ωτ %) ϖαναδιυm mιχροαλλοψεδ στεελσ. Μεχηανιχαλ ανδ ιmπαχτ τεστ δατα σηοωεδ προπερτιεσ ωερε σιmιλαρ ορ βεττερ τηαν τηοσε οβταινεδ φροm σιmιλαρ mιχροαλλοψεδ χονϖεντιοναλ τηιχκ χαστ ασ ρολλεδ σλαβσ. Τηε δισπερσιον πλυσ δισλοχατιον στρενγτηενινγ ωασ εστιmατεδ το βε ιν τηε ρανγε ΜΠα.Α δεταιλεδ ΤΕΜ/ΕΕΛΣ αναλψσισ οφ τηε δισπερσιον σιζεδ συβ 15νm παρτιχλεσ σηοωεδ τηατ ιν αλλ τηε στεελσ, τηεψ ωερε εσσεντιαλλψ νιτριδεσ ωιτη λιττλε χρψσταλλινε χαρβον δετεχτεδ. Ιν τηε Στεελσ ς Νβ, ς Τι ανδ ς Νβ Τι, mιξεδ τρανσιτιον mεταλ νιτριδεσ ωερε πρεσεντ. Μοδελλινγ οφ εθυιλιβριυm πρεχιπιτατεσ ιν τηεσε στεελσ, βασεδ ον α mοδιφιεδ ϖερσιον οφ ΧηεmΣαγε, πρεδιχτεδ τηατ ονλψ ϖαναδιυm ριχη νιτριδεσ ωουλδ πρεχιπιτατε ιν αυστενιτε βυτ τηατ τηε Χ/Ν ρατιο ωουλδ ινχρεασε τηρουγη τηε τωο πηασε φιελδ ανδ ιν φερριτε. Τηε εξπεριmενταλ αναλψτιχαλ δατα χλεαρλψ ποιντσ το τηε τηιν σλαβ διρεχτ χηαργινγ προχεσσ, ωηιχη ηασ συβσταντιαλλψ ηιγηερ χοολινγ ρατεσ τηαν χονϖεντιοναλ χαστινγ, νυχλεατινγ νον εθυιλιβριυm παρτιχλεσ ιν φερριτε ωηιχη αρε χλοσε το στοιχηιοmετριχ νιτριδεσ. Τηεσε διδ νοτ χοαρσεν δυρινγ τηε φιναλ σταγεσ οφ προχεσσινγ, βυτ ρεταινεδ τηειρ ηιγηλψ σταβλε αϖεραγε σιζε οφ 7νm ρεσυλτινγ ιν συβσταντιαλ δισπερσιον στρενγτηενινγ. Τηε ρεσυλτσ αρε χονσιδερεδ ιν χονϕυνχτιον ωιτη περτινεντ πυβλισηεδ λιτερατυρε. 2

4 Introduction Τηε δισπερσιον στρενγτηενινγ χοντριβυτιον ( π ) το τηε ψιελδ στρενγτη ( ψ ) ιν ηιγη στρενγτη λοω αλλοψ (ΗΣΛΑ) στεελσ βψ χαρβιδε, νιτριδε ανδ/ορ χαρβονιτριδε παρτιχλεσ ηασ βεεν δισχυσσεδ φορ οϖερ 40 ψεαρσ. Μοστ οφ τηε ιντερεστ ηασ βεεν ιν στεελσ χονταινινγ νιοβιυm ανδ/ορ ϖαναδιυm αδδιτιονσ. ςαλυεσ οφ π ηαϖε βεεν χαλχυλατεδ βασεδ ον τηε Ασηβψ Οροωαν εθυατιον 1, 2 ωηιχη ασσυmεσ τηατ τηε παρτιχλεσ αρε ινχοηερεντ ανδ ρανδοmλψ δισπερσεδ. Τηε παρτιχλεσ σιζε (ρ) ανδ ϖολυmε φραχτιον (φ) αρε τηε mαιν ϖαριαβλεσ ωηιχη αρε ινφλυενχεδ βψ τηε χηεmιχαλ χοmποσιτιον οφ τηε στεελ ανδ τηε προχεσσινγ παραmετερσ. Νορmαλλψ, παρτιχλε στοιχηιοmετρψ ηασ αλσο βεεν ασσυmεδ. Γλαδmαν ετ αλ 3, 4 φουνδ α σατισφαχτορψ αγρεεmεντ βετωεεν τηε ϖαλυεσ οφ π εστιmατεδ υσινγ τηε Ασηβψ Οροωαν αππροαχη 1, 2, συβστιτυτινγ τηειρ εξπεριmενταλ δατα φορ ρ ανδ φ 3, ανδ τηε ινδιρεχτ αππροαχη βασεδ ον τηε Ηαλλ Πετχη ρελατιονσηιπ 5, 6. Υσυαλλψ, δισλοχατιον στρενγτηενινγ, σ δ, ωασ ειτηερ ιγνορεδ ορ χονσιδερεδ το βε λοω ανδ ωασ ασσυmεδ το βε ινχλυδεδ ιν π. Φορ εξαmπλε, ιν 0.1 ωτ. %Χ στεελσ, ωιτη τψπιχαλ λεϖελσ οφ 0.15 ωτ.% ς ορ 0.04 ωτ.% Νβ, ωιτη αν αϖεραγε ρ οφ 5νm, π ωασ εστιmατεδ το βε ΜΠα. Τηεσε φιγυρεσ αρε ωιτηιν τηε ρανγε εξπεχτεδ φορ ΗΣΛΑ στεελσ, χοντινυουσλψ χαστ το mm τηιχκ σλαβσ ανδ χοντρολλεδ ρολλεδ το 5mm στριπ 7. Μορε ρεχεντλψ, αττεντιον ηασ φοχυσσεδ ον τηιν σλαβ (30 80mm) διρεχτ χηαργεδ (ΤΣDΧ) στεελσ, ωηερε ηιγηερ χοολινγ ρατεσ οχχυρ, φορ εξαmπλε, 18 Χ/σ βετωεεν τηε φινιση ρολλινγ τεmπερατυρε (ΦΡΤ), ωηιχη ισ νορmαλλψ 850 Χ, ανδ τηε ενδ οφ ωατερ σπραψ χοολινγ, Χ. Τηυσ χονδιτιονσ φαρ φροm εθυιλιβριυm εξιστ. Πρεϖιουσ πυβλιχατιονσ βψ τηε πρεσεντ αυτηορσ 8, 9 ηαϖε ρεπορτεδ τηατ ιν ΤΣDΧ στεελσ, δεπενδινγ ον τηε εθυαλισατιον ανδ ενδ χοολ τεmπερατυρεσ, χοmβινεδ χοντριβυτιονσ οφ δισπερσιον ανδ δισλοχατιον στρενγτηενινγ το τηε ψιελδ στρενγτη χαν ρεαχη 250ΜΠα. Ιτ ισ τηερεφορε οφ ιντερεστ το ασχερταιν ιφ τηε ΤΣDΧ προχεσσ ρουτε mοδιφιεσ τηε δισπερσιον 3

5 στρενγτηενινγ παρτιχλε χηεmιχαλ χοmποσιτιον, σιζε ρανγε ορ ϖολυmε φραχτιον, ωηιχη χουλδ λεαδ το ηιγηερ ϖαλυεσ οφ π. Βεχαυσε οφ τηε σmαλλ φερριτε γραιν σιζε δεϖελοπεδ, αν αχχεπταβλε λεϖελ οφ τουγηνεσσ ισ mαινταινεδ. Τηιν σλαβ χοντινυουσ χαστινγ φολλοωεδ βψ διρεχτ χηαργινγ ιντο αν εθυαλισατιον φυρναχε ηασ τηε ποτεντιαλ το ρεπλαχε τηε τραδιτιοναλ τηιχκ σλαβ χαστινγ προχεσσ φορ τηε προδυχτιον οφ τηιν σηεετ ΗΣΛΑ στεελ. Χαπιταλ χοστσ ανδ πλαντ σιζε αρε ρεδυχεδ βεχαυσε φεωερ ρολλινγ στανδσ αρε ρεθυιρεδ ανδ νο σπαχε ισ νεεδεδ το στορε χαστ σλαβσ πριορ το ρολλινγ 10. Τηε σmαλλερ νυmβερ οφ ρολλινγ στανδσ ανδ τηε ρεmοϖαλ οφ τηε νεεδ το ρεηεατ τηιχκ σλαβσ φροm αmβιεντ τεmπερατυρε αλσο λεαδσ το ρεδυχεδ ενεργψ χονσυmπτιον 11. Τηε αβιλιτψ το χηανγε τηε χοmποσιτιον οφ τηε mελτσ θυιχκλψ εναβλεσ α ραπιδ ρεσπονσε το βε mαδε το χηανγεσ ιν τηε mαρκετ δεmανδ φορ διφφερεντ γραδεσ οφ στεελ, mακινγ τηε πλαντ mορε χοmπετιτιϖε. Αλσο, τηε υσε οφ ελεχτριχ αρχ φυρναχεσ ενηανχεσ τηε αβιλιτψ το ρεχψχλε σχραπ στεελ ανδ ρεδυχεσ εmισσιονσ φροm τηε πλαντ 12. Τηυσ, βοτη εχονοmιχαλλψ ανδ ενϖιρονmενταλλψ, τηε τηιν σλαβ διρεχτ χηαργεδ (ΤΣDΧ) προχεσσ οφφερσ ϖερψ σιγνιφιχαντ βενεφιτσ οϖερ τηε χονϖεντιοναλ προχεσσ 13. Ηοωεϖερ, τηε τηερmο mεχηανιχαλ χονδιτιονσ ιν τηε διρεχτ προχεσσ αρε ραδιχαλλψ διφφερεντ το τηοσε ιν τηε χονϖεντιοναλ προχεσσ. Τηε σλαβ ισ mυχη τηιννερ ανδ σο τηε χοολινγ ρατεσ αρε mυχη φαστερ, ωηιχη ποτεντιαλλψ λεαδσ το σεγρεγατιον εφφεχτσ φροm δενδριτιχ σολιδιφιχατιον 14, 15. Βεχαυσε τηε τηιν σλαβ ισ διρεχτλψ χηαργεδ, ιτ νο λονγερ υνδεργοεσ τηε γ α γ πηασε τρανσιτιονσ τηατ οχχυρ ωηεν α χονϖεντιοναλ τηιχκ σλαβ ισ χοολεδ το αmβιεντ τεmπερατυρε ανδ τηεν ρεηεατεδ πριορ το ρολλινγ. Τηισ ωιλλ mοδιφψ τηε ελεmενταλ διστριβυτιονσ ανδ mαψ mοδιφψ ανψ πρεχιπιτατιον τηατ οχχυρσ πριορ το ρολλινγ 16. Φιναλλψ, mυχη λεσσ mεχηανιχαλ δεφορmατιον ισ ρεθυιρεδ σο τηατ τηερε ισ α ποσσιβιλιτψ τηατ τηε ασ χαστ στρυχτυρε ηασ α γρεατερ εφφεχτ ον τηε φιναλ mιχροστρυχτυρε τηαν ιν τηε χονϖεντιοναλ προχεσσ. 4

6 Πρεϖιουσ παπερσ βψ τηε πρεσεντ αυτηορσ ον ΤΣDΧ mιχροαλλοψεδ ϖαναδιυm στεελσ ηαϖε χονσιδερεδ τηε εφφεχτ οφ χηεmιχαλ χοmποσιτιον οφ τηε στεελ ανδ προχεσσινγ χονδιτιονσ ον τηε mεχηανιχαλ προπερτιεσ 8,9,15. Ιν αδδιτιον, τηε mιχροστρυχτυραλ εϖολυτιον φροm τηε ασ χαστ στεελ το τηε φιναλ προδυχτ ηασ βεεν ινϖεστιγατεδ Τηισ παπερ, Παρτ 1, ισ χονχερνεδ ωιτη τηε εφφεχτ δισπερσιον στρενγτηενινγ ϖαναδιυm πρεχιπιτατεσ ηαϖε ον τηε mεχηανιχαλ προπερτιεσ ανδ mιχροστρυχτυρε οφ ΤΣDΧ mιχροαλλοψεδ ϖαναδιυm στεελσ. Τηε τηερmοδψναmιχσ ανδ κινετιχσ οφ πρεχιπιτατε φορmατιον αρε αλσο χονσιδερεδ ιν γρεατερ δεταιλ. Ιν Παρτ 2, δεταιλσ οφ τηε ελεχτρον ενεργψ λοσσ σπεχτροσχοπψ (ΕΕΛΣ) θυαντιτατιϖε χηεmιχαλ αναλψσισ οφ τηεσε παρτιχλεσ ινχλυδινγ τηε λιγητ ελεmεντσ, δοων το α σιζε οφ 4νm, ισ πρεσεντεδ. Experimental techniques Τηε ωορκ ωασ υνδερτακεν ον σιξ ρελατεδ λοω χαρβον ( 0.06ωτ), ϖαναδιυm στεελσ προχεσσεδ υσινγ α σιmυλατεδ ΤΣDΧ προχεσσ χαρριεδ ουτ ατ τηε Χορυσ Σωινδεν Τεχηνολογψ Χεντρε ανδ σηοων σχηεmατιχαλλψ ιν Φιγ.1. Αλλ σιξ στεελσ χονταινεδ 0.1ωτ%ς. Στεελ V ωασ τηε βασε λινε στεελ ωιτη 0.007ωτ%Ν. Στεελ V-N ηαδ αν ινχρεασεδ Ν λεϖελ οφ 0.02ωτ%. Στεελ V-Ti ηαδ ωτ%τι ανδ 0.017ωτ%Ν. Τηε τηρεε φιναλ στεελσ ηαδ 0.01ωτ%Ν ωιτη Στεελ V-Nb ηαϖινγ 0.03ωτ%Νβ, Στεελ V-Nb-Ti ηαϖινγ 0.03ωτ%Νβ ανδ 0.007ωτ%Τι, ανδ Στεελ V-Zr ηαϖινγ 0.008ωτ%Ζρ.Ιν αδδιτιον, τηε στεελσ τψπιχαλλψ χονταινεδ τηε φολλοωινγ λεϖελσ (ιν ωτ%) οφ οτηερ ελεmεντσ Σι (0.4), Μν (1.5), Π (0.015), Σ (0.005), Χρ (0.08), Μο (0.02), Νι (0.07), Αλ (0.025), Β (<0.0005), Χυ (0.07), Ο (0.007). Τηε στεελσ ωερε mελτεδ ιν αιρ ασ 18κγ λοαδσ ανδ χαστ ιντο τηρεε mουλδσ το προδυχε 50mm τηιχκ ινγοτσ. Τηε τψπιχαλ χοολινγ ρατε ατ τηε mιδ τηιχκνεσσ ποσιτιον οφ τηε 5

7 ινγοτσ ωασ 3.5 Χ/σ. Τηε ινγοτσ ωερε ηοτ στριππεδ φροm τηε mουλδ ανδ τρανσφερρεδ διρεχτλψ το αν εθυαλισινγ φυρναχε σετ ατ ονε οφ τηρεε εθυαλισατιον τεmπερατυρεσ (1050 Χ, 1100 Χ ορ 1200 Χ) ανδ ηελδ φορ mινυτεσ πριορ το ρολλινγ. Αφτερ εθυαλισατιον, τηε ινγοτσ ωερε ρολλεδ ον α λαβορατορψ ρεϖερσινγ mιλλ το 7 mm στριπσ ιν 5 πασσεσ, ωηιχη γαϖε α τοταλ ρεδυχτιον οφ 86%. Α τψπιχαλ ρολλινγ σχηεδυλε ισ γιϖεν ιν Ταβλε 1. Τηε υσυαλ ιντερπασσ τιmε ωασ 6σ. Αφτερ τηε 4τη πασσ, τηε στριπ ωασ ηελδ φορ 25 40σ υντιλ α τεmπερατυρε οφ αππροξιmατελψ 870 Χ ωασ ρεαχηεδ. Φινιση ρολλινγ τεmπερατυρεσ ϖαριεδ φροm 880 Χ το 850 Χ ανδ τηε τοταλ ρολλινγ τιmεσ ωερε ιν τηε ρανγε οφ σ. Αφτερ ρολλινγ, τηε στριπ ωασ χοολεδ υνδερ ωατερ σπραψσ το σιmυλατε ρυν ουτ ταβλε χοολινγ, τηε χοολινγ ρατε βεινγ 18 Χ/σ. Τηε ταργετ φορ τηε ενδ χοολ τεmπερατυρε οφ τηε στριπ ωασ ιν τηε ρανγε Χ βυτ οχχασιοναλλψ προχεσσ διφφιχυλτιεσ ωερε ενχουντερεδ ωηιχη τοοκ ιτ ουτ οφ τηισ ρανγε. Φολλοωινγ χοολινγ, τηε στριπσ ωερε ιmmεδιατελψ πυτ ιντο α φυρναχε σετ ατ 600 Χ ανδ σλοω χοολεδ το σιmυλατε χοιλινγ ωιτη αν αϖεραγε χοολινγ ρατε οφ 35 Χ/η φροm 600 Χ το 400 Χ. Τηε ρολλινγ σχηεδυλε 15, Ταβλε 1, σηοωσ τηατ mοστ οφ τηε δεφορmατιον ωασ ιντροδυχεδ ατ τεmπερατυρεσ αβοϖε 1000 Χ ανδ τηατ ονλψ τηε φιναλ πασσ ωασ λικελψ το φαλλ ωιτηιν τηε τεmπερατυρε ρανγε ωηιχη ινϖολϖεδ στραιν ινδυχεδ πρεχιπιτατιον ιν αυστενιτε, ωηιχη ισ κνοων το βε ιmπορταντ ιν Νβ στεελσ, βυτ λεσσ σο ιν ς στεελσ. Σαmπλεσ οφ τηε στεελ ωερε τακεν ανδ ωατερ θυενχηεδ αφτερ χαστινγ (Α), αφτερ εθυαλισατιον (Β) ανδ αφτερ τηε φουρτη ρολλινγ πασσ (Χ). Τηε φουρτη σαmπλε ωασ τακεν φροm τηε φιναλ προδυχτ (D). Σπεχιmενσ φορ mεχηανιχαλ ανδ τουγηνεσσ τεστινγ ωερε τακεν φροm τηε φιναλ προδυχτ 8,9,15. Σαmπλεσ ωερε πρεπαρεδ φορ οπτιχαλ mεταλλογραπηψ βψ στανδαρδ mεταλλογραπηιχ τεχηνιθυεσ, ανδ τηεν ετχηεδ ιν 2% νιταλ. Τηε φερριτε γραιν σιζε ιν τηε φιναλ στριπ ωασ mεασυρεδ υσινγ α λινεαρ ιντερχεπτ mετηοδ ωιτη αν οπτιχαλ mιχροσχοπε ατταχηεδ το αν ιmαγε αναλψζερ. 250 ιντερχεπτσ ωερε χουντεδ. 6

8 Χαρβον εξτραχτιον ρεπλιχασ ωερε προδυχεδ φροm τηε θυαρτερ τηιχκνεσσ ποσιτιονσ οφ τηε φιναλ 7mm στριπ οφ τηε φυλλψ προχεσσεδ στεελσ. Μεταλλογραπηιχαλλψ πρεπαρεδ σπεχιmενσ ωερε ετχηεδ ωιτη 2% νιταλ βεφορε εϖαπορατινγ α τηιν χαρβον φιλm οντο ιτσ συρφαχε. Φολλοωινγ στριππινγ ιν 5% νιταλ, τηε φιλmσ ωερε ωασηεδ ιν mετηανολ ανδ διστιλλεδ ωατερ βεφορε βεινγ δεποσιτεδ οντο Χυ mεση γριδσ. Τηε ρεπλιχασ ωερε εξαmινεδ βψ αναλψτιχαλ τρανσmισσιον ελεχτρον mιχροσχοπψ υσινγ α Πηιλιπσ ΕΜ400Τ ωιτη αν ΕDΑΞ Πηοενιξ ενεργψ δισπερσιϖε ξ ραψ (ΕDΞ) σψστεm. Τηε εξπεριmενταλ δεταιλσ αρε γιϖεν ελσεωηερε 17, σmαλλ παρτιχλεσ ( 25νm) εξτραχτεδ οντο τηε χαρβον ρεπλιχασ ωερε χουντεδ φορ τηε σιζε διστριβυτιον οφ Στεελ ς Ν, φολλοωινγ προχεσσινγ ατ 1050/750 Χ, Ταβλε 2. Τηιν φοιλσ ωερε αλσο στυδιεδ. Results Mechanical and Toughness Properties Τηε mεχηανιχαλ ανδ τουγηνεσσ προπερτιεσ αρε γιϖεν ιν Ταβλε 2. Τηε ινφλυενχε οφ τηε στεελ χοmποσιτιονσ ανδ προχεσσινγ παραmετερσ ον τηε ψιελδ στρεσσ ανδ Χηαρπψ δατα ηαϖε βεεν χονσιδερεδ ιν δεταιλ πρεϖιουσλψ 8,9. Ηερε τηε δατα φορ σ π+ σ δ αρε οφ παρτιχυλαρ ρελεϖανχε. Υσινγ α mοδιφιεδ ϖερσιον οφ τηε Ηαλλ Πετχη εθυατιον, αν εστιmατε οφ τηε χοmβινεδ εφφεχτ οφ τηε στρενγτηενινγ χονφερρεδ βψ δισπερσεδ ινχοηερεντ παρτιχλεσ ανδ βψ δισλοχατιον στρενγτηενινγ, σ δ, χαν βε οβταινεδ. Εθυατιον 1 σηοωσ τηατ βψ συβτραχτινγ τηε φερριτε λαττιχε φραχτιον στρεσσ ανδ Χ+Ν ιν σολυτιον (σ ο ), τογετηερ ωιτη τηε σολιδ σολυτιον (σ σ ) ανδ γραιν σιζε στρενγτηενινγ (σ γ ) χοmπονεντσ φροm τηε mεασυρεδ λοωερ ψιελδ στρενγτη (σ ψ ),ϖαλυεσ οφ σ π+ σ δ χαν βε χαλχυλατεδ. Εθυατιονσ (2) το (4) γαϖε σ ο, σ σ ανδ σ γ. σ π+ σ δ = σ ψ (σ ο + σ σ + σ γ ) (1) 7

9 σ ο = 45 ΜΠα (21) (2) σ σ = 84(Σι) + 32(Μν)+38(Χυ)+43(Νι) (22,23) (3) 1 σ γ = 18.1 δ 2 (24) (4) Τηε ϖαλυεσ οφ (σ π + σ δ ) εστιmατεδ υσινγ τηε mετηοδ δεσχριβεδ αβοϖε φορ τηε πρεσεντ στεελσ αρε γιϖεν ιν Ταβλε 2 ανδ σηοων ιν Φιγ. 2 ασ α φυνχτιον οφ τηε σολυβιλιτψ προδυχτ, ςξν. Ιν τηισ αναλψσισ, ιτ ωασ ασσυmεδ τηατ στρενγτηενινγ φροm δισλοχατιονσ ανδ τεξτυρε ωασ λοω ανδ σιmιλαρ φορ αλλ τηε στεελσ εξαmινεδ. Dισλοχατιον δενσιτιεσ οβσερϖεδ ιν φοιλσ ιν τηε πρεσεντ ωορκ, συππορτεδ τηισ ϖιεω. Τηε δατα ιν Φιγ. 2 ανδ Ταβλε 2, σηοω τηατ φορ σπεχιmενσ ωιτη χοmπαραβλε εθυαλισατιον ανδ ενδ χοολ τεmπερατυρεσ, τηε αδδιτιον οφ τιτανιυm το ϖαναδιυm ορ ϖαναδιυm νιοβιυm στεελσ ρεσυλτσ ιν α δεχρεασε ιν τηε λοωερ ψιελδ στρενγτη ανδ δισπερσιον στρενγτηενινγ, βυτ α χορρεσπονδινγ ιmπροϖεmεντ ιν τηε Χηαρπψ τουγηνεσσ. Τηισ ωασ βεχαυσε ς Τι νιτριδεσ φορmεδ ατ ηιγηερ τεmπερατυρεσ ιν αυστενιτε δυε το τηε λοωερ σολυβιλιτψ οφ τηεσε χοmπουνδσ τηαν ς νιτριδεσ 4. Microstructure Φερριτε γραιν σιζεσ οφ α φεω mιχρονσ ωερε οβταινεδ ιν τηε φιναλ προδυχτ. Φιγ. 3 σηοωσ α γραπη οφ φερριτε γραιν σιζε πλοττεδ αγαινστ τηε προδυχτ οφ ςξν. Τηερε ισ α γενεραλ τρενδ φορ τηε γραιν σιζε το δεχρεασε ασ τηε σολυβιλιτψ προδυχτ ςξν ινχρεασεσ ιν Στεελσ ς ανδ ς Ν. Σοmε ϖαλυεσ οφ τηε mυλτιπλε mιχροαλλοψεδ στεελσ φολλοω τηε σαmε τρενδ, ωηιλε τηε αδδιτιον οφ Νβ ορ Τι, υνδερ σοmε προχεσσινγ χονδιτιονσ, λεαδ το α σmαλλερ γραιν σιζε τηαν τηε mεδιαν 9.Τηεσε ρεσυλτσ συγγεστ τηατ τηε ρεχρψσταλλιζατιον στοπ τεmπερατυρε ιν τηε πρεσεντ ΤΣDΧ προχεσσ ισ λοω. Χυβοιδαλ πρεχιπιτατεσ, 0 80νm, ωηιχη νυχλεατεδ ον τηε αυστενιτε γραιν βουνδαριεσ, πλυσ χρυχιφορmσ, υπ το 150νm ιν σιζε ιν Τι χονταινινγ στεελσ, πλαψεδ αν ιmπορταντ ρολε ιν τηε γραιν ρεφινεmεντ 19. 8

10 Φινε πρεχιπιτατεσ, ιν τηε σιζε ρανγε 4 15νm, ωερε ονλψ οβσερϖεδ ιν τηε φιναλ προδυχτ οφ εαχη οφ τηε στεελσ. Αν εξαmπλε οφ αν εξπεριmενταλλψ δετερmινεδ σιζε διστριβυτιον φορ σmαλλ παρτιχλεσ ισ σηοων ιν Φιγ. 4. Τηε λαργεστ νυmβερ αππεαρ ιν τηε 4 6νm ρανγε, βυτ βεχαυσε τηε ηιστογραm ισ σκεωεδ το τηε ριγητ, τηε αϖεραγε παρτιχλε σιζε ισ 6.5 νm. Τηε παρτιχλεσ αππεαρ το βε νυχλεατεδ ηοmογενεουσλψ, Φιγ. 5, βυτ διστριβυτεδ τηρουγηουτ τηε mατριξ, ινηοmογενεουσλψ. Φιγ. 6 ισ α δαρκ φιελδ mιχρογραπη τακεν φροm α χαρβον εξτραχτιον ρεπλιχα, ωηιχη σηοωσ αν αρεα ον τηε λεφτ ηανδ σιδε, ωηιχη αππεαρσ το βε φρεε οφ παρτιχλεσ, ωηερεασ τηε ριγητ ηανδ αρεα ιν τηε σαmε γραιν χονταινσ α ρανδοm δισπερσιον. Τηε δεταιλσ οφ τηε mετηοδ οφ δετερmινινγ τηε χοmποσιτιον οφ τηε παρτιχλεσ ανδ τηε προβλεmσ ωηιχη mιγητ αρισε τηρουγη χηανγεσ ιν τηε παρτιχλε χοmποσιτιον δυρινγ τηε αναλψσισ, ωιλλ βε χονσιδερεδ ιν Παρτ 2. Modelling Τηε παρτιχλε χοmποσιτιον ϖερσυσ τεmπερατυρε ωασ mοδελλεδ υνδερ εθυιλιβριυm χονδιτιονσ φορ τηε ταργετ χοmποσιτιονσ οφ αλλ στεελσ υσινγ τηε ΧηεmΣαγε τηερmοδψναmιχ σοφτωαρε παχκαγε ωιτη α δαταβασε mοδιφιεδ βψ Α. ϑ. Ροσε οφ τηε Χορυσ Σωινδεν Τεχηνολογψ Χεντρε, Ροτηερηαm 25. Φε 3 Χ ωασ ινχλυδεδ ιν τηε χαλχυλατιον βυτ ΑλΝ φορmατιον ωασ συππρεσσεδ βεχαυσε ιτ ωασ νοτ οβσερϖεδ εξπεριmενταλλψ. Τηε εξχεπτιον το τηισ ωασ Στεελ ς Ν ωηερε ΑλΝ ωασ οβσερϖεδ φολλοωινγ αν εθυαλισατιον τεmπερατυρε οφ 1050 ο Χ βυτ νοτ ατ ηιγηερ εθυαλισατιον τεmπερατυρεσ 9.Εξαmπλεσ οφ τηε χαλχυλατεδ σολυτιον τεmπερατυρεσ φορ Στεελσ ς Ν ανδ ς Νβ αρε σηοων ιν Φιγ. 7 ωηιχη αλσο ινδιχατε τηατ τηε παρτιχλεσ φορmινγ ατ τεmπερατυρεσ αβοϖε τηε γ α τρανσιτιον τεmπερατυρε ιν Στεελ ς Ν αρε πρεδιχτεδ το βε στοιχηιοmετριχ νιτριδεσ. Φιγ. 7β σηοωσ τηατ τηε παρτιχλεσ φορmινγ αβοϖε τηε γ α τρανσιτιον τεmπερατυρε οφ Στεελ ς Νβ χονταιν σοmε χαρβον, ωιτη τηε C/M ρατιο ινχρεασινγ φροm 0.15 το 0.25 ασ τηε τεmπερατυρε φαλλσ 9

11 φροm τηε σολυτιον τεmπερατυρε το τηε γ α τρανσιτιον τεmπερατυρε. Τηε χαλχυλατιονσ φορ Στεελ ς Νβ Τι γιϖε σιmιλαρ ρεσυλτσ. Βελοω τηε γ α τρανσιτιον τεmπερατυρε, α σηαρπ ρισε ιν τηε Χ χοντεντ, ιε τηε διφφερενχε βετωεεν (Ν+Χ) / Μ ανδ Ν / Μ ιν Φιγ.7, ισ πρεδιχτεδ. Wιτη τηε εξχεπτιον οφ Στεελ ς Τι, τηε παρτιχλεσ αρε αλλ πρεδιχτεδ το ηαϖε C/M οφ 0.5 ανδ (C+N)/M οφ 0.85 ατ 600 ο Χ, τηε ταργετ ενδ χοολ τεmπερατυρε ι.ε. χαρβον ριχη, σλιγητλψ συβ στοιχηιοmετριχ χαρβονιτριδεσ. Τηε mοδελλινγ δεσχριβεδ αβοϖε ισ φορ εθυιλιβριυm χονδιτιονσ. Ηοωεϖερ, τηε παρτιχλε αναλψσισ πρεσεντεδ ιν παρτ 2, χλεαρλψ σηοωσ τηατ τηεψ αρε εσσεντιαλλψ ϖαναδιυm νιτριδεσ, συγγεστινγ α προνουνχεδ δεπαρτυρε φροm εθυιλιβριυm χονδιτιονσ. Τηερε ηαϖε βεεν σοmε αττεmπτσ το mοδελ νον εθυιλιβριυm χονδιτιονσ. Μοστ αρε χονχερνεδ ωιτη νιοβιυm mιχροαλλοψεδ στεελσ ανδ ινϖολϖε στραιν ινδυχεδ πρεχιπιτατιον ιν αυστενιτε ανδ τηε εφφεχτ ον ρεχρψσταλλιζατιον, φορ εξαmπλε ρεφερενχεσ 26, 27. Στραιν ινδυχεδ πρεχιπιτατιον ωασ αλσο φουνδ το βε ιmπορταντ ιν τηε νυχλεατιον κινετιχσ οφ Τι χαρβονιτριδε ιν αυστενιτε 28. Ακβεν ετ αλ 29 χοmπαρεδ τηε ρελατιϖε εφφεχτιϖενεσσ οφ ϖαναδιυm ανδ νιοβιυm ιν σολυτιον ον ρεταρδινγ δψναmιχ πρεχιπιτατιον ιν αυστενιτε. Τηεψ ιντερπρετ τηειρ ρεσυλτσ ασ ινδιχατινγ τηε γρεατερ εφφεχτιϖενεσσ οφ Νβ χοmπαρεδ ωιτη ς, ωηεν βοτη αρε ιν σολυτιον, ιν ρεταρδινγ ρεχρψσταλλιζατιον. Τηισ λεαδσ το ρεχρψσταλλιζατιον πρεχεδινγ πρεχιπιτατιον οφ ςν ιν ς στεελσ ωηερεασ ρεχρψσταλλιζατιον ισ mορε στρονγλψ ρεταρδεδ βψ τηε Νβ ιν σολυτιον 29. Τηυσ τηε φορmερ ωουλδ αππεαρ το βε τηε σιτυατιον ιν τηε πρεσεντ ωορκ. Ανοτηερ αππροαχη το mιχροστρυχτυραλ εϖολυτιον ηασ βεεν δεσχριβεδ βψ Βρατλανδ ετ αλ 30 ωηο mοδελλεδ διφφυσιον χοντρολλεδ πρεχιπιτατιον υσινγ α χοmβινατιον οφ χηεmιχαλ τηερmοδψναmιχσ ανδ κινετιχ τηεορψ. Ηοωεϖερ, τηε τηερmοδψναmιχ mοδελ ισ βασεδ ον σολυβιλιτψ προδυχτ δατα δεπενδεντ ον εθυιλιβριυm χονδιτιονσ. 10

12 Ιν αν αττεmπτ το mοδελ α νον εθυιλιβριυm σιτυατιον, τηε πρεσεντ αυτηορσ ηαϖε υσεδ ΧηεmΣαγε σοφτωαρε το εστιmατε τηε παρτιχλε ϖολυmε φραχτιον, κνοωινγ τηε παρτιχλε χοmποσιτιον δετερmινεδ φροm τηε ΕΕΛΣ δατα, δεσχριβεδ ιν Παρτ 2.Τηισ γαϖε τηε παρτιχλε αναλψσισ φορ ϖαναδιυm νιτριδεσ χλοσε το στοιχηιοmετριχ ςν ωιτη λιττλε Χ. Μοδελλινγ οφ στεελ χοmποσιτιονσ ωασ βασεδ ον Στεελ ς Ν, ωιτη λεϖελσ οφ χαρβον (α) 0.06ωτ%,(β) 0.01ωτ% ανδ (χ) 0.001ωτ%, ωιτη τηε σαmε λεϖελ οφ αλλ τηε οτηερ ελεmεντσ γιϖεν αβοϖε το εξαmινε λεϖελ οφ αγρεεmεντ χοmπαρεδ το τηε ΕΕΛΣ παρτιχλε αναλψσισ δατα. Τηε ρεσυλτσ αρε χολλατεδ ιν Ταβλε 3, ωηιχη σηοωσ τηε πρεδιχτεδ ϖολυmε φραχτιονσ οφ ςν ανδ ςχ. Λοωερινγ τηε χαρβον φροm 0.06ωτ %Χ το 0.01ωτ %Χ ηασ α σmαλλ εφφεχτ ον τηε ϖολυmε φραχτιονσ, βυτ α σιγνιφιχαντ χηανγε ισ πρεδιχτεδ ωηεν τηε χαρβον ισ ρεδυχεδ το 0.001ωτ%. Τηε ϖολυmε φραχτιον, φ, οφ ςν, αφτερ 1050 Χ εθυαλισατιον, ινχρεασεδ το βεχοmε 88% οφ τηε τοταλ, χοmπαρεδ το 20% ατ 0.06 ωτ% Χ. Τηε ρεσυλτσ γιϖεν ιν Ταβλε 3 σηοω τηατ τηε mαιν ουτχοmε οφ λοωερινγ τηε χαρβον χοντεντ ιν τηε στεελ φροm 0.06% το 0.001%, το αππροαχη τηατ γιϖεν βψ τηε ΕΕΛΣ αναλψσισ οφ τηε ϖαναδιυm παρτιχλεσ, ισ τηε λαργε δεχρεασε ιν τηε τοταλ ϖολυmε φραχτιον οφ παρτιχλεσ πρεχιπιτατεδ ιν φερριτε ανδ ασ εξπεχτεδ, αν ινχρεασε ιν τηε ρατιο οφ τηε ϖολυmε φραχτιον οφ ςν παρτιχλεσ το τηε τοταλ ϖολυmε φραχτιον οφ ϖαναδιυm χονταινινγ παρτιχλεσ πρεχιπιτατεδ ιν φερριτε, ωιτη τηε σαmε χηανγεσ ιν χαρβον χοντεντ. Ιρρεσπεχτιϖε οφ τηε χαρβον χοντεντ, ασσυmινγ τηατ αλλ τηε νιτρογεν ισ χοmβινεδ ωιτη ϖαναδιυm, τηε mαξιmυm ϖολυmε φραχτιον οφ ςν φορ Στεελ ςν ισ 1195ξ 10 6, ωηιχη ινχλυδεσ τηατ νυχλεατεδ ιν αυστενιτε. Τηε δατα πρεδιχτεδ φορ τηε τοταλ ϖολυmε φραχτιον αφτερ εθυαλισατιον ατ 1200 Χ φορ α στεελ χονταινινγ 0.001%Χ ισ 708 ξ10 6, ωηιχη ισ ονλψ 60% οφ τηατ τηεορετιχαλλψ ποσσιβλε. Τηερεφορε τηισ αππροαχη αλσο ηασ σηορτ χοmινγσ. 11

13 Discussion Dispersion strengthening Τηε ψιελδ στρενγτη οφ ΤΣDΧ mιχροαλλοψεδ στεελσ ισ πριmαριλψ χοmπρισεδ οφ χοντριβυτιονσ φροm τηε φερριτε γραιν σιζε ανδ δισπερσιον στρενγτηενινγ. Τηε σmαλλ φερριτε γραιν σιζε ρεχορδεδ ιν τηισ ωορκ, Φιγ. 3 ανδ Ταβλε 2, χοmβινεδ ωιτη τηε λαργε δισπερσιον στρενγτηενινγ χοντριβυτιον, Φιγ. 2 ανδ Ταβλε 2, ρεσυλτσ ιν ψιελδ στρενγτη ϖαλυεσ ωηιχη χαν εξχεεδ 600ΜΠα, ωιτη σατισφαχτορψ τουγηνεσσ, αλσο σηοων ιν Ταβλε 2. Dισπερσιον στρενγτηενινγ ιν στεελ ισ δεπενδεντ ον τηε ϖολυmε φραχτιον, παρτιχλε σιζε ανδ ιντερ παρτιχλε σπαχινγ οφ φινε παρτιχλεσ ιν φερριτε. Τηε σιζε ανδ ιντερ παρτιχλε σπαχινγ οφ τηε φινε παρτιχλεσ αρε χοντρολλεδ βψ τηε νυχλεατιον, γροωτη ανδ χοαρσενινγ ρατεσ. Τηε εσσεντιαλ παραmετερ γοϖερνινγ τηε ϖαριατιον ιν νυχλεατιον ρατε ισ τηε χηεmιχαλ δριϖινγ φορχε φορ πρεχιπιτατιον, ωηιλε τηατ γοϖερνινγ γροωτη ανδ χοαρσενινγ ισ τηε διφφυσιον ρατε. Ινχρεασινγ τηε ϖαναδιυm χοντεντ ινχρεασεσ τηε ϖολυmε φραχτιον οφ τηε φινε παρτιχλεσ σινχε τηε ηιγη σολυβιλιτψ οφ ς(χ, Ν) ιν αυστενιτε αλλοωσ αλmοστ αλλ τηε ϖαναδιυm πρεσεντ ιν τηε στεελ το βε αϖαιλαβλε φορ πρεχιπιτατιον ιν φερριτε. Φυρτηερmορε, ϖαναδιυm ηασ α mυχη ηιγηερ αφφινιτψ φορ Ν τηαν Χ. Βψ ινχρεασινγ τηε νιτρογεν χοντεντ ιν τηε στεελ, τηε πρεδιχτεδ νυχλεατιον οφ Ν ριχη ς(χ, Ν) ισ ενηανχεδ. Α χονσεθυενχε οφ τηισ ισ α δισπερσιον οφ α ηιγη ϖολυmε φραχτιον οφ φινε ς(χ, Ν) παρτιχλεσ, ωιτη α σmαλλ ιντερπαρτιχλε σπαχινγ. Τηερεφορε, ινχρεασινγ τηε ς ανδ Ν χοντεντ οφ α στεελ χουλδ λεαδ το α mορε εφφεχτιϖε στρενγτηενινγ βψ πρεχιπιτατιον 31. Wιτη τηε εξχεπτιον οφ τηε ςν ΖρΝ σψστεm, ωηερε τηε mεταλ ατοm σιζε ρατιο ισ υνφαϖουραβλε φορ αππρεχιαβλε ιντερ σολυβιλιτψ, αλλ τηε οτηερ βιναρψ νιτριδεσ γιϖε ρισε το εξτενσιϖε ηοmογενειτψ ρανγεσ 32. Ηοωεϖερ, ωιτη τηε ΤΣDΧ ρουτε εϖεν ιν τηε mυλτιπλε mιχροαλλοψεδ στεελσ, τηε φινε παρτιχλεσ ιν φερριτε αρε εσσεντιαλλψ ς ριχη νιτριδεσ 9, 18, 20. Ηενχε τηε ϖολυmε φραχτιον οφ φινε παρτιχλεσ ωιλλ ρελψ mαινλψ ον τηε αmουντσ οφ ς ανδ Ν ωηιχη αρε αϖαιλαβλε το 12

14 πρεχιπιτατε ιν φερριτε. Φιγ. 4 σηοωσ τηε σιζε ρανγε ιν α διστριβυτιον οφ παρτιχλεσ οφ ςν ρεσπονσιβλε φορ δισπερσιον στρενγτηενινγ. Τηε αϖεραγε σιζε ισ 7νm.Ηοωεϖερ, ιτ σηουλδ βε νοτεδ τηατ τηε αχχυραχψ οφ τηε παρτιχλε mεασυρεmεντσ, παρτιχυλαρλψ τηοσε <5νm, χουλδ βε ± 50%. Τηε ινηοmογενεουσ νατυρε οφ τηε διστριβυτιον οφ τηε φινε παρτιχλεσ σηοων ιν Φιγ. 6 ισ χονσιδερεδ το αρισε φροm ιντερδενδριτιχ σεγρεγατιον ατ τηε ασ χαστ σταγε, ωηιχη ισ ρεταινεδ τηρουγη τηε εντιρε προχεσσ 33. Σιmιλαρ ινηοmογενεουσ διστριβυτιονσ οφ παρτιχλεσ ηαϖε βεεν οβσερϖεδ, φορ εξαmπλε, ΝβΧ ιν βοτη σταινλεσσ στεελσ 34 ανδ ΗΣΛΑ στεελσ 35, βυτ τηε ινηοmογενειτψ ισ ινϖαριαβλψ ιγνορεδ ιν mοστ οφ τηε mιχροαλλοψ στεελσ λιτερατυρε ορ χονσιδερεδ το βε αν αρτιφαχτ αρισινγ φροm τηε σπεχιmεν πρεπαρατιον. Εθυατιονσ (1) (4) αλλοω ϖαλυεσ οφ σ π + σ δ το βε εστιmατεδ φροm α mετηοδ βασεδ ον τηε Ηαλλ Πετχη ρελατιονσηιπ. Ηοωεϖερ, ασσυmινγ τηε πρεχιπιτατεσ αρε ινχοηερεντ, ωηιχη τηε σιζε συγγεστσ, τηεν σ π χαν βε χαλχυλατεδ φροm τηε Ασηβψ Οροωαν εθυατιον 1, ωηιχη φορ ιρον αλλοψσ ισ γιϖεν βψ Γλαδmαν 4 ασ: σ π (ΜΠα) = 10.8 φ 1/2 / δ. λν ( δ/ ξ 10 4 ) (5) ωηερε φ ισ τηε ϖολυmε φραχτιον οφ παρτιχλεσ ανδ δ τηε αϖεραγε παρτιχλε διαmετερ ιν mιχρονσ. Φιγ. 8 σηοωσ τηε χαλχυλατεδ ϖολυmε φραχτιον οφ χαρβονιτριδε παρτιχλεσ ιν φερριτε ωηιχη αρε χονσιδερεδ το προδυχε δισπερσιον στρενγτηενινγ. Τακινγ Στεελ ς Ν ασ αν εξαmπλε, Φιγ. 8 ινδιχατεσ τηατ φολλοωινγ αν εθυαλιζινγ τρεατmεντ ατ 1100 Χ, φ ιν φερριτε ισ 13 ξ 10 4.Τηισ φιγυρε ισ οβταινεδ βψ χαλχυλατινγ τηε τοταλ ϖολυmε φραχτιον οφ παρτιχλεσ ωηιχη χουλδ φορm ανδ συβτραχτινγ τηατ ωηιχη, υνδερ εθυιλιβριυm χονδιτιονσ, πρεχιπιτατεδ ιν αυστενιτε πριορ το τηε τρανσφορmατιον τεmπερατυρε, ωηιχη ισ αβουτ 760 Χ. Τακινγ δ ασ 6.5νm ανδ συβστιτυτινγ ιν (5) φορ φ ανδ δ γιϖεσ σ π ασ 141 ΜΠα. [σ π ( ΜΠα) = (10.8 ξ (0.0013) 1/2 / 6.5 ξ 10 3 ). λν (6.5 ξ 10 3 / ξ 10 4 ) ] 13

15 Τηιν φοιλ οβσερϖατιονσ χονφιρm τηατ λοω δισλοχατιον δενσιτιεσ ( ) ωερε πρεσεντ ιν τηε φιναλ προδυχτ οφ Στεελ ς Ν. Τηισ ινδιχατεσ τηατ ωασ 10 9 λινεσ.χm 2. Φορ ιρον αλλοψσ 36, σ δ (ΜΠα) = 16.2 ξ /2 (6) ωηερε ισ τηε δισλοχατιον δενσιτψ ιν λινεσ.χm 2. Τηερεφορε ωηεν ισ 10 9 λινεσ.χm 2, σ δ = 51 ΜΠα, γιϖινγ σ π +σ δ = 192 ΜΠα. Τηισ ϖαλυε ισ ατ τηε τοπ ενδ οφ τηε ρανγε οφ σ π +σ δ ιν Ταβλε 2, ανδ σηουλδ βε χοmπαρεδ ωιτη τηε ινδιρεχτ χαλχυλατιον οφ 163 ΜΠα. Τηε δισλοχατιον δενσιτψ ωουλδ νεεδ το ρεαχη λινεσ.χm 2 βεφορε α σιmιλαρ χοντριβυτιον το τηατ φροm σ p ισ φουνδ. Wηεν ισ λινεσ.χm 2, σ δ = 162 ΜΠα. Τηε εφφεχτ οφ προχεσσινγ παραmετερσ ον mεχηανιχαλ προπερτιεσ ωασ χονσιδερεδ ιν εαρλιερ παπερσ 8, 9, 15. Εθυαλισατιον τεmπερατυρε ισ ιmπορταντ ιν ρελατιον το τηε σολυτιον τεmπερατυρεσ ωηιχη αρε ρεσπεχτιϖελψ φορ Στεελ ς, 1050 Χ, Στεελ ς Ν, 1106 Χ, Στεελ ς Τι, 1443 Χ, Στεελ ς Νβ, 1189 Χ, Στεελ ς Νβ Τι, 1389 Χ ανδ Στεελ ς Ζρ, 1655 Χ 37, 1732 Χ 38. Τηερεφορε ιν τηεσε στεελσ τηε λοωεστ εθυαλισατιον τεmπερατυρε υσεδ ιν τηε πρεσεντ ωορκ, 1050 Χ, ισ πρεδιχτεδ το λεαϖε σοmε ϖαναδιυm βασεδ παρτιχλεσ υνδισσολϖεδ ιν αυστενιτε ιν αλλ βυτ Στεελ ς. Ιν τηε χασε οφ Στεελ ς Ν, τηε στρονγεστ εφφεχτ ον σ π +σ δ ωουλδ αππεαρ το βε τηρουγη τηε ενδ χοολ τεmπερατυρε (ΕΧΤ) ασ σεεν ιν Ταβλε 2. Φορ εθυαλισατιον τεmπερατυρεσ βελοω τηε σολυτιον τεmπερατυρε οφ τηε νιτριδεσ, ιε 1050 ανδ 1100 Χ, ιτ χαν βε σεεν τηατ σ π +σ δ ινχρεασεσ ωιτη δεχρεασινγ ΕΧΤ.Wιτη αν εθυαλισατιον τεmπερατυρε οφ 1050 Χ, λοωερινγ τηε ΕΧΤ φροm 764 Χ το 602 Χ αλmοστ δουβλεσ τηε σ π +σ δ το 200ΜΠα. 14

16 Nitride vs Carbonitride Τηε ηιστοριχαλ περχεπτιον φορ ϖαναδιυm mιχροαλλοψεδ στεελσ υνδεργοινγ α δεχοmποσιτιον το φερριτε ηασ βεεν συmmαριζεδ βψ Σιωεχκι ετ αλ 39. Ιτ ισ οφτεν στατεδ τηατ υνλεσσ τηε νιτρογεν λεϖελ ισ <0.005%, ινιτιαλλψ α ηιγη νιτρογεν χαρβονιτριδε ισ φορmεδ Τηισ πρεχιπιτατε ωασ χονσιδερεδ το προβαβλψ νυχλεατε ιν αυστενιτε ανδ ωασ χοmπρισεδ οφ α νιτριδε ριχη χορε ωιτη αν ιντερmεδιατε χαρβονιτριδε λαψερ, φολλοωεδ βψ α χαρβιδε ουτερ χασε. Τηεορετιχαλλψ, ωηεν αλλ τηε νιτρογεν ισ χονσυmεδ, τηε ρεmαινινγ ϖαναδιυm σηουλδ χοmβινε ωιτη χαρβον. Σοmε πυβλιχατιονσ ηαϖε χονσιδερεδ τηε νιτριδε το νυχλεατε ιν αυστενιτε ανδ τηε χαρβιδε το νυχλεατε ιν φερριτε. Ιν χονϖεντιοναλ ρολλεδ ς Τι ορ Νβ Τι στεελσ, εξπεριmενταλ οβσερϖατιονσ ηαϖε ρεπορτεδ τηατ τηε χοmπλεξ Τι ς ανδ Νβ Τι παρτιχλεσ φρεθυεντλψ ηαδ α Τι ριχη νιτριδε χορε πλυσ ηεmισπηεριχαλ χαπσ ορ α χαρβιδε χοατινγ/σηελλ (ς ορ Νβ ριχη) Τηεσε χηαραχτεριστιχσ ωερε νοτ πρεσεντ ιν ανψ οφ τηε παρτιχλεσ στυδιεδ ιν τηε χυρρεντ ωορκ. Τηεψ αρε νορmαλλψ φουνδ ιν mυχη λαργερ παρτιχλεσ τηαν τηοσε βεινγ χονσιδερεδ ηερε. Σιωεχκι ετ αλ 39 ιν τηειρ ωορκ, σηοωεδ βψ ινδιρεχτ mεανσ βασεδ ον διφφερενχεσ ιν αν οβσερϖεδ λοωερ χοντριβυτιον το τηε ψιελδ στρενγτη, τηατ τηε χορε/λαψερσ mοδελ ωασ νοτ φολλοωεδ ιν πραχτιχε. Τηεψ εξπλαινεδ τηισ ρεσυλτ βψ συγγεστινγ τηατ ειτηερ τηε λοωερ τηερmοδψναmιχ σταβιλιτψ οφ ϖαναδιυm χαρβιδε ρελατιϖε το ϖαναδιυm νιτριδε ισ ρεφλεχτεδ ιν στρονγλψ δεχελερατεδ πρεχιπιτατιον κινετιχσ φορ τηε φορmερ, ορ τηατ ϖαναδιυm χαρβιδε χοαρσενσ mορε ραπιδλψ, ρεσυλτινγ ιν τηε οβσερϖεδ λοωερ χοντριβυτιον το τηε ψιελδ στρενγτη. Φυρτηερ ωορκ ατ τηε Σωεδιση Ινστιτυτε οφ Μεταλσ, υσινγ α ΤηερmοΧαλ σοφτωαρε παχκαγε, mοδελλεδ τηε εθυιλιβριυm σολυβιλιτψ οφ ϖαναδιυm χαρβονιτριδε ασ α φυνχτιον οφ τεmπερατυρε, φορ σεϖεραλ λεϖελσ οφ νιτρογεν 52. Τηε mοδελ πρεδιχτεδ τηατ φορ α στεελ ωιτη 0.1%Χ 0.1%ς ανδ 0.02%Ν, τηε ϖαναδιυm παρτιχλεσ πρεσεντ ιν αυστενιτε ατ 900 Χ ωουλδ βε εσσεντιαλλψ ςν χονταινινγ < 5%Χ. Τηισ χοmπαρεσ ωελλ 15

17 ωιτη τηε δατα φορ Στεελ ς Ν γιϖεν ιν Φιγ.8α, ωηιχη ηασ σιmιλαρ λεϖελσ οφ ς ανδ Ν, βυτ 0.06ωτ% Χ. Ιν τηε πρεσεντ ωορκ, φορ Στεελ ς Ν, ιτ ισ πρεδιχτεδ τηατ τηε τρανσφορmατιον τεmπερατυρε ισ αβουτ 760 Χ, ανδ τηατ ςν, χλοσε το στοιχηιοmετρψ, χοmmενχεσ το πρεχιπιτατε ονχε φερριτε ισ φορmεδ. Ιν ουρ ΕΕΛΣ αναλψσισ οφ Στεελ ς Ν, φινε ϖαναδιυm νιτριδε πρεχιπιτατεσ χονταινινγ λιττλε Χ ωερε φουνδ. Τηε χοmπλεξ ϖαναδιυm νιτριδε/χαρβονιτριδε/χαρβιδε παρτιχλεσ ηψποτηεσιζεδ βψ σοmε ωερε νοτ πρεσεντ. Ασ αν εξπλανατιον φορ ουρ οβσερϖατιονσ, τηισ ονλψ λεαϖεσ δεχελερατεδ πρεχιπιτατιον κινετιχσ οφ ϖαναδιυm χαρβιδε ρελατιϖε το ϖαναδιυm νιτριδε, υνδερ τηε χονδιτιονσ οφ τηε σιmυλατεδ τηιν σλαβ χαστινγ ανδ διρεχτ χηαργινγ. Α ρεχεντ παπερ βψ Μαυγισ ανδ Γουν 53 ηασ χονσιδερεδ τηε πρεχιπιτατιον οφ ϖαναδιυm χαρβονιτριδε ιν α στεελ χονταινινγ 0.19Χ,0.215ς ανδ 0.015Ν (αλλ ωτ%).τηε ρατιο οφ τηε ιντερστιτιαλ ατοmσ ισ Χ/Ν=15. Τηισ mοδελλινγ παπερ αγαιν ασσυmεδ βοτη α ϖαναδιυm νιτριδε/χαρβονιτριδε/χαρβιδε χοmπλεξ παρτιχλε ανδ α λοχαλ εθυιλιβριυm ατ τηε πρεχιπιτατε mατριξ ιντερφαχε ανδ χονσιδερσ ονλψ πρεχιπιτατιον ιν αυστενιτε. Τηε χαλχυλατιονσ σηοω τηατ φορ ισοτηερmαλ ηεατ τρεατmεντ χονδιτιονσ ιν αυστενιτε, τηε πρεχιπιτατεσ νυχλεατε ασ αλmοστ πυρε ϖαναδιυm νιτριδεσ. Τηεψ συβσεθυεντλψ γροω ατ τηε εξπενσε οφ σολυτε νιτρογεν. Wηεν τηε νιτρογεν ισ εξηαυστεδ, τηε σολυτε χαρβον πρεχιπιτατεσ ανδ προγρεσσιϖελψ τρανσφορmσ τηε νιτριδεσ ιντο χαρβονιτριδεσ. Ιν αδδιτιον, τηεψ χαλχυλατεδ τηατ φορ αν ισοτηερmαλ τρεατmεντ ατ 800 Χ, τηε ινιτιαλ χριτιχαλ ραδιυσ οφ νυχλεατιον ισ αβουτ 0.3νm, ανδ τηατ αφτερ 20σ, τηε χοmποσιτιον οφ τηε σολιδ σολυτιον ρεαχηεσ α ϖαλυε ωηερε τηε νυχλεατιον ρατε ισ πραχτιχαλλψ ζερο ανδ νυχλεατιον στοπσ. Ιν τηε πρεσεντ ωορκ, δυε το τηε λοωερ χαρβον χοντεντ οφ τηε στεελσ οφ 0.06ωτ% χοmπαρεδ το 0.19 ωτ% υσεδ βψ Μαυγισ ανδ Γουν 53, τηε ρατιο οφ Χ/Ν ισ σιγνιφιχαντλψ λοωερ ατ 4, ωηιχη ωουλδ βε εξπεχτεδ το ενηανχε τηε προβαβιλιτψ οφ ςν πρεχιπιτατιον πρεχεδινγ τηατ οφ χαρβονιτριδε φορmατιον. Αλσο, τηε πρεσεντ αυτηορσ χονσιδερεδ τηατ ςν 16

18 νυχλεατιον χοmmενχεσ ωηεν τηε φιρστ φερριτε ισ φορmεδ, αρουνδ 760 Χ. Τηε mεασυρεδ χοολινγ ρατε οφ 18 Χ/σ φροm 760 Χ το τηε ενδ χοολ τεmπερατυρε, τηεν δεφινεσ τηε τιmε φορ πρεχιπιτατιον, βεφορε τηε ωατερ σπραψσ ιν εφφεχτ θυενχη τηε στεελ. Φορ Στεελ ς Τι, εθυαλιζεδ ατ 1100 Χ, ωηιχη ηασ τηε λοωεστ ενδ χοολ τεmπερατυρε γιϖεν ιν Ταβλε 2, 537 Χ, τηε σαmπλε τοοκ 13σ το ρεαχη τηε ενδ χοολ τεmπερατυρε. Α τιmε οφ 13σ ισ ωελλ ωιτηιν τηε 20σ χαλχυλατεδ βψ Μαυγισ ανδ Γουν φορ α νυχλευσ οφ mοστλψ ςν το πρεχιπιτατε υνδερ ισοτηερmαλ χονδιτιονσ ατ 800 Χ 53. Ιν αδδιτιον τηε διφφυσιον ρατε οφ ϖαναδιυm ιν φερριτε, τηε ρατε δετερmινινγ φαχτορ φορ τηε νυχλεατιον οφ ςν, ισ δεχρεασινγ ασ τηε τεmπερατυρε φαλλσ φροm 760 Χ το τηε ενδ χοολ τεmπερατυρε, ωηιχη ωιλλ ηαϖε α σιγνιφιχαντ εφφεχτ ον τηε παρτιχλε γροωτη. Υσινγ τηε δατα χολλεχτεδ βψ Γλαδmαν 4, ιτ ισ εστιmατεδ τηατ τηε δεχρεασε ιν τηε ρατε οφ διφφυσιον οφ ϖαναδιυm ιν φερριτε βετωεεν 760 Χ ανδ 537 Χ ισ 1.6 ξ 10 4 τιmεσ. Μαυγισ ανδ Γουν 53 αλσο χοmmεντ ον τηε ιmπορτανχε οφ τηε δεχρεασε ιν σολυβιλιτψ οφ ςχ ιν αυστενιτε ανδ φερριτε, σηοων ιν Φιγ 2 οφ τηειρ παπερ. Ηοωεϖερ, τηεψ δο νοτ χοmmεντ ον τηε σολυβιλιτψ οφ ςν ιν αυστενιτε ανδ φερριτε, ανδ νειτηερ δοεσ Γλαδmαν 4, ασ τηε δατα φορ ςν ιν φερριτε ισ νοτ ινχλυδεδ ιν ηισ βοοκ. Α γοοδ χολλεχτιον οφ ςν σολυβιλιτψ εθυατιονσ ισ γιϖεν βψ Ροσε 54.Ταβλε 4 σηοωσ τηε ρεσυλτσ οφ χαλχυλατιονσ φορ τηε τηρεε διφφερεντ εθυατιονσ αϖαιλαβλε φορ τηε σολυτιον τεmπερατυρεσ οφ ςν ιν βοτη αυστενιτε ανδ φερριτε 38, Τηισ ισ πλοττεδ ιν Φιγ.9.Ασ αν εξαmπλε, τακινγ τηε δατα φορ τηε χονσταντσ Α ανδ Β φροm Εθυατιονσ 1 ανδ 6 ιν Ταβλε 4 ασ τηε βεστ φιτ, φορ τηε σολυβιλιτψ οφ ςν ιν αυστενιτε ανδ φερριτε ρεσπεχτιϖελψ, ιτ ισ φουνδ τηατ τηε δεχρεασε ιν σολυβιλιτψ οφ ςν ιν ανδ ιν ατ 760 Χ ισ 3.4ξ ιε. τηε ρατιο οφ 2.54ξ 10 5 / 7.4 ξ 10 6, ωηιχη ισ σιγνιφιχαντ, βυτ νοτ συβσταντιαλ. Τηε τηερmοδψναmιχ mοδελλινγ αππροαχη ωηιχη προϖιδεσ τηε βεστ αγρεεmεντ ωιτη ουρ mοδελλινγ, ασ ιν Φιγ.7α, φορ τηε σιτυατιον ατ τηε τρανσφορmατιον τεmπερατυρε ανδ ουρ 17

19 εξπεριmενταλ δατα, ισ τηατ υνδερτακεν βψ Ροβερτσ ανδ Σανδβεργ 56 φολλοωινγ τηε ωορκ οφ Wοοδηεαδ 59. Τηεψ 56 χονσιδερεδ τηε σεπαρατε χασεσ οφ ιντερπηασε ανδ ρανδοm πρεχιπιτατιον ιν φερριτε. Βοτη παπερσ χονχλυδεδ τηατ φορ mιχροαλλοψεδ στεελσ, ωιτη λεσσ τηαν 0.2 ωτ% Χ ανδ λεϖελσ οφ Ν υπ το 0.02ωτ%, ιν τηε χασε οφ ρανδοmλψ πρεχιπιτατεδ παρτιχλεσ ιν αυστενιτε ορ φερριτε, τηεψ ωουλδ ηαϖε α χοmποσιτιον χλοσε το στοιχηιοmετριχ ςν. Α ρεγυλαρ σολυτιον, ανδ εθυιλιβριυm χονδιτιον ωερε ασσυmεδ βψ βοτη σετσ οφ αυτηορσ 56, 59. Υσινγ τηε εθυατιονσ δεριϖεδ βψ Ροβερτσ ανδ Σανδβεργ 56 ανδ συβστιτυτινγ τηε χηεmιχαλ χοmποσιτιον φορ Στεελ ς Ν, φορ πρεχιπιτατιον ιν φερριτε ατ 600 Χ, ιτ ισ πρεδιχτεδ τηατ τηε παρτιχλε χοmποσιτιον ωουλδ βε ς (Χ 0.01 Ν 0.99 ). Ασ mεντιονεδ αβοϖε, ονε οφ τηε ιντερεστινγ οβσερϖατιονσ ιν τηε πρεσεντ ωορκ ισ τηε ρελατιϖελψ ναρροω σιζε διστριβυτιον οφ ςν τψπε παρτιχλεσ χονσιδερεδ το βε ασσοχιατεδ ωιτη α λαργε χοντριβυτιον το τηε ψιελδ στρενγτη, τηρουγη δισπερσιον στρενγτηενινγ 8, 9. Φορ εξαmπλε, ιν τηε φιναλ 7mm στριπ οφ Στεελ ς Ν, φολλοωινγ εθυαλιζινγ ατ 1050 Χ, Φιγ. 4, τηε αϖεραγε παρτιχλε διαmετερ, d ave ωασ 6.5νm ανδ τηε διστριβυτιον σηοωεδ α σινγλε πεακ, σκεωεδ τοωαρδσ τηε σmαλλερ παρτιχλε σιζεσ. Τηε χυτ οφφ ωασ >3ξ d ave. Τηισ στρονγλψ συγγεστσ τηατ τηε παρτιχλεσ ηαδ νοτ χοαρσενεδ δυρινγ προχεσσινγ. Dυε το τηε ηιγη χοολινγ ρατε οφ τηε στριπ, ονλψ 13σ ελαπσεδ βετωεεν τηε φιναλ ρολλινγ τεmπερατυρε (ΦΡΤ) ανδ τηε ενδ χοολ τεmπερατυρε, Ταβλε 1. Ιτ ισ χονσιδερεδ τηατ τηισ οβσερϖατιον αγαιν ποιντσ το τηε mαϕορ φραχτιον οφ δισπερσιον στρενγτηενινγ παρτιχλεσ νυχλεατινγ δυρινγ τηισ τιmε. Wηιλε νο δεταιλεδ ωορκ αππεαρσ το ηαϖε βεεν υνδερτακεν ον ρεχρψσταλλιζατιον κινετιχσ οφ ασ ρολλεδ ϖαναδιυm mιχροαλλοψεδ στεελσ, Ζαϕαχ ετ αλ 31 ηαϖε στυδιεδ πρεχιπιτατιον κινετιχσ δυρινγ ισοτηερmαλ τρανσφορmατιον. Κωον ανδ DεΑρδο 60 ηαϖε χονσιδερεδ τηε πρεχιπιτατιον ανδ ρεχρψσταλλιζατιον κινετιχσ οφ νιοβιυm στεελσ φολλοωινγ ηιγη τεmπερατυρε χοmπρεσσιον τεστινγ. Τεστινγ ατ 1000 Χ ρεσυλτεδ ιν α βιmοδαλ παρτιχλε διστριβυτιον, ωηιχη τηε 18

20 αυτηορσ χονσιδερ το βε ινδιχατιϖε οφ παρτιχλε χοαρσενινγ, ωιτη τηε σmαλλερ παρτιχλεσ σηοωινγ α δ αϖε <12 νm, ωηιλε τηε λαργερ ηαδ α δ αϖε οφ 20νm, ωηιχη χοινχιδεδ ωιτη χοαρσενινγ. Σιmιλαρ ρεσυλτσ φορ νιοβιυm στεελσ ωερε ρεπορτεδ mορε ρεχεντλψ βψ Dαττα ετ αλ 27, ωηο χονχλυδεδ τηατ χοαρσενινγ οχχυρρεδ ιν βοτη τηε δεφορmεδ ανδ υνδεφορmεδ χονδιτιονσ ιν σπεχιmενσ ηελδ ατ 950 Χ. Χοαρσενινγ χοινχιδεδ ωιτη παρτιχλε διαmετερσ οφ 20νm ανδ 60νm αφτερ ηολδινγ 10σ ανδ 100σ ρεσπεχτιϖελψ. Αλλ τηεσε αϖεραγε παρτιχλε διαmετερσ αρε σιγνιφιχαντλψ λαργερ τηαν τηε αϖεραγε 6 το 7νm παρτιχλε σιζε mεασυρεδ ιν τηε πρεσεντ ωορκ. Φυρτηερmορε, βιmοδαλ διστριβυτιονσ οφ σmαλλ παρτιχλεσ ωερε νοτ οβσερϖεδ ιν τηε χυρρεντ ωορκ. Ιτ ισ συγγεστεδ τηατ τηε πρεσεντ ΤΣDΧ προχεσσινγ χονδιτιονσ ινϖολϖινγ ηιγη χοολινγ ρατεσ, ρεσυλτεδ ιν φινε σχαλε σεγρεγατιον ιν τηε ασ χαστ στεελ ωηιχη ωασ ρεταινεδ τηρουγη το τηε φιναλ προδυχτ. Τηε ηιγη χοολινγ ρατεσ φολλοωινγ ρολλινγ αλσο δεπρεσσ τηε τρανσφορmατιον τεmπερατυρε, ωηιχη ισ αλσο κνοων το ινχρεασε τηε λοωερ ψιελδ στρενγτη 61. Ιτ ισ χονσιδερεδ τηατ τηισ ρεσυλτεδ ιν τηε ηετερογενεουσ διστριβυτιον οφ α ηιγη ϖολυmε φραχτιον οφ φινε ινχοηερεντ δισπερσιον ηαρδενινγ παρτιχλεσ, ωηιχη ιν τηε πρεσεντ ωορκ προδυχεδ α χοντριβυτιον το τηε ψιελδ στρενγτη ιν τηε ρανγε ΜΠα. Τηε παρτιχλεσ ωερε εσσεντιαλλψ ηιγη νιτρογεν ϖαναδιυm νιτριδεσ, ρανδοmλψ διστριβυτεδ, ωηιχη βεχαυσε τηεψ διδ νοτ χοαρσεν, αρε χονσιδερεδ το ηαϖε νυχλεατεδ ιν φερριτε 31. Παρτιχλεσ οφ ςχ ωερε νοτ φουνδ ιν ανψ οφ τηε στεελσ. Τηε χηεmιχαλ αναλψσισ γιϖινγ ονλψ α ςν παρτιχλε, ωιτη νο τρανσφορmατιον λαψερ φροm α ςν χορε το α ριm οφ ςχ, ισ ιν χοντραδιχτιον το τηε mοδελ οφτεν υσεδ το συππορτ τηε ηψποτηεσισ τηατ ςν αχτσ ασ α νυχλευσ φορ ςχ πρεχιπιτατιον ιν φερριτε, ασ συγγεστεδ αγαιν ιν α ρεχεντ παπερ 53. Τηε πρεσεντ οβσερϖατιονσ φιτ mυχη βεττερ ωιτη τηε ΧηεmΣαγε πρεδιχτιονσ, Φιγ. 7, φορ τηε παρτιχλε χοmποσιτιον ασσοχιατεδ ωιτη εθυιλιβριυm πρεχιπιτατιον οφ ϖαναδιυm νιτριδε 19

21 ατ τηε τρανσφορmατιον τεmπερατυρε οφ 760 Χ, φορ α στεελ οφ 0.02ωτ% Ν ανδ τηε εαρλιερ ωορκ οφ βοτη Ροβερτσ ανδ Σανδβεργ 56 ανδ Wοοδηεαδ 59. Τηερεφορε ιν ουρ ωορκ ιτ ισ σηοων τηατ δυε το τηε χηοσεν στεελ χοmποσιτιονσ χοmβινεδ ωιτη τηε προχεσσινγ χονδιτιονσ υσεδ ιν τηε λαβορατορψ σιmυλατιον οφ διρεχτ χηαργεδ τηιν σλαβ χαστινγ, τηε παρτιχλε χοmποσιτιον χλοσε το ςνισ οβσερϖεδ. Φυτηερmορε, ιν τηισ στυδψ, α λαχκ οφ εϖιδενχε οφ ειτηερ στραιν ινδυχεδ πρεχιπιτατιον ιν δεφορmεδ αυστενιτε ορ ιντερπηασε πρεχιπιτατιον, συππορτσ τηε ϖιεω τηατ τηε φινε ρανδοm πρεχιπιτατιον οχχυρσ ιν φερριτε 31. Conclusions Α στυδψ σιmυλατινγ τηιν σλαβ χοντινυουσ χαστινγ φολλοωεδ βψ διρεχτ χηαργινγ ιντο αν εθυαλισατιον φυρναχε ηασ βεεν υνδερτακεν βασεδ ον σιξ λοω χαρβον (0.06%) ϖαναδιυm mιχροαλλοψεδ στεελσ. Ιτ ισ χονχλυδεδ τηατ; 1 Μεχηανιχαλ ανδ ιmπαχτ τεστ δατα σηοωεδ προπερτιεσ ωερε σιmιλαρ ορ βεττερ τηαν τηοσε οβταινεδ φροm σιmιλαρ mιχροαλλοψεδ χονϖεντιοναλ τηιχκ χαστ ασ ρολλεδ σλαβσ. 2 Τηε δισπερσιον πλυσ δισλοχατιον στρενγτηενινγ ωασ εστιmατεδ το βε ιν τηε ρανγε ΜΠα. 3 Α δεταιλεδ ΤΕΜ/ΕΕΛΣ αναλψσισ οφ τηε δισπερσιον σιζεδ παρτιχλεσ,4 15νm, σηοωεδ τηατ ιν αλλ τηε στεελσ, τηεψ ωερε εσσεντιαλλψ νιτριδεσ ωιτη λιττλε χρψσταλλινε χαρβον δετεχτεδ. Ιν τηε Στεελσ ς Νβ, ς Τι ανδ ς Νβ Τι, mιξεδ τρανσιτιον mεταλ νιτριδεσ ωερε πρεσεντ. 4 Μοδελλινγ οφ εθυιλιβριυm πρεχιπιτατεσ ιν τηεσε στεελσ, βασεδ ον α mοδιφιεδ ϖερσιον οφ ΧηεmΣαγε, πρεδιχτεδ τηατ ονλψ ςν ωουλδ πρεχιπιτατε ιν αυστενιτε βυτ τηατ τηε Χ/Ν ρατιο ωουλδ ινχρεασε τηρουγη τηε τωο πηασε φιελδ ανδ ιν φερριτε. 5 Τηε εξπεριmενταλ αναλψτιχαλ δατα χλεαρλψ ποιντσ το τηε τηιν σλαβ διρεχτ χηαργινγ προχεσσ, ωηιχη ηασ συβσταντιαλλψ ηιγηερ χοολινγ ρατεσ τηαν χονϖεντιοναλ χαστινγ, 20

22 νυχλεατινγ νον εθυιλιβριυm παρτιχλεσ ιν φερριτε ωηιχη αρε χλοσε το στοιχηιοmετριχ νιτριδεσ. Τηεσε διδ νοτ χοαρσεν δυρινγ τηε φιναλ σταγεσ οφ προχεσσινγ, βυτ ρεταινεδ τηειρ ηιγηλψ σταβλε αϖεραγε σιζε οφ 7νm, ρεσυλτινγ ιν συβσταντιαλ δισπερσιον στρενγτηενινγ. Acknowledgements Τηε αυτηορσ ωουλδ λικε το τηανκ τηε φολλοωινγ: ΕΠΣΡΧ, φορ φινανχιαλ συππορτ υνδερ γραντσ ΓΡ/Μ22888 ΓΡ/Μ22918; Χορυσ Γρουπ ΠΛΧ, φορ φινανχιαλ συππορτ, ςανιτεχ, αλσο φορ φινανχιαλ συππορτ. Τηε mανψ υσεφυλ δισχυσσιονσ ανδ αδϖιχε γιϖεν βψ Dρ W.Β. Μορρισον ισ αχκνοωλεδγεδ, ασ ισ τηε ηελπ γιϖεν βψ Προφεσσορ D. Γορmαν. 21

23 References 1 Ε. Οροωαν, Σψmποσιυm ον Ιντερναλ Στρεσσεσ ιν Μεταλσ ανδ Αλλοψσ, Λονδον, Ινστ.Μεταλσ, 1948, Μ. Φ. Ασηβψ, Οξιδε Dισπερσιον Στρενγτηενινγ, Εδ. Γ Σ, Ανσελλ, Τ D Χοοπερ, Φ. ς. Λενελ, 1958, , Wαρρενδαλε, ΠΑ Μετ Σοχ ΑΙΜΕ, 3 Τ.Γλαδmαν, Β. Ηολmεσ, Ι.D. ΜχΙϖορ, Εφφεχτ οφ Σεχονδ Πηασε Παρτιχλεσ ον τηε Μεχηανιχαλ Προπερτιεσ οφ Στεελ, Λονδον, Ιρον Στεελ Ινστιτυτε,1971, Τ.Γλαδmαν, Τηε Πηψσιχαλ Μεταλλυργψ οφ Μιχροαλλοψεδ Στεελσ, Λονδον, Ινστ. Ματεριαλσ, 1997, Ε. Ο. Ηαλλ, Προχ. Πηψσ. Σοχ. Λονδον, 1951, B64, Ν. ϑ. Πετχη, ϑ. Ιρον Στεελ Ινστ.1953, 174, ϑ. D. Γροζιερ, Μιχροαλλοψινγ 75, , 1977, Νεω Ψορκ, Υνιον Χαρβιδε Χορπ. 8 Ψ. Λι, D.Ν. Χροωτηερ, Π.Σ. Μιτχηελλ ανδ Τ.Ν. Βακερ, ΙΣΙϑ Ιντερνατιοναλ 2002, 42, Ψ. Λι, ϑ.α. Wιλσον, D.Ν. Χροωτηερ, Π.Σ. Μιτχηελλ, Α.ϑ. Χραϖεν ανδ Τ.Ν. Βακερ. ΙΣΙϑ Ιντερνατιοναλ 2004, 44, Ρ. Κασπαρ, Ν. Ζενταρατ ανδ ϑ. Χ. Ηερmαν, Μεταλ Wορκινγ, 1994, 65, Ρ. Κασπαρ ανδ Ο. Παωελσκι: ιν Προχεεδινγσ οφ τηε Ιντ. Χονφ. ΜΕΤΕΧ Χονγρεσσ, 1994, , ςdεη, Dυσσελδορφ, Γερmανψ. 12 Π.ϑ. Λυβενσκψ, Σ.Λ.Wιγmαν ανδ D.ϑ. ϑοηνσον, Μιχροαλλοψεδ 95, ,1995, Πιττσβυργη (ΠΑ), Ιρον & Στεελ Σοχ. 13 ς.λεροψ, ϑ.χ. Ηερmαν, Μιχροαλλοψινγ 95, 1995, , Πιττσβυργη (ΠΑ), Ιρον & Στεελ Σοχ. 14 Μ. Κορχηψνσκψ. Σχανδιναϖιαν ϑουρναλ οφ Μεταλλυργψ 1999, 28,

24 15 D.Ν. Χροωτηερ, Ψ. Λι, Τ.Ν. Βακερ, Μ.ϑ.W. Γρεεν ανδ Π.Σ. Μιτχηελλ, Τηερmοmεχηανιχαλ Προχεσσινγ οφ Στεελσ, 2000, , Λονδον, ΙΟΜ. 16 Π.Η.Λι, Α.Κ.Ιβραηεεm ανδ Ρ. Πριεστνερ, Ματ.Σχι Φορυm 1998, , Ψ. Λι, D.Ν. Χροωτηερ, ϑ.α. Wιλσον, Α.ϑ. Χραϖεν ανδ Τ.Ν. Βακερ, ΙΟΠ Χονφ Σερ 2001,168, ϑ. Α. Wιλσον, Α.ϑ. Χραϖεν, Ψ. Λι ανδ Τ.Ν. Βακερ, ΙΟΠ Χονφ Σερ. 2001,168, Τ. Ν. Βακερ, Ψ. Λι, ϑ.α. Wιλσον, Α.ϑ. Χραϖεν ανδ D.Ν. Χροωτηερ, Ματεριαλσ Σχιενχε ανδ Τεχηνολογψ 2004, 20, Ψ. Λι ανδ Τ.Ν.Βακερ,Ματερ. Σχι. Φορυm, 2005, , Α. Χραχκνελλ ανδ Ν. ϑ. Πετχη: Αχτα. Μεταλλ., 1955, 3, Φ. Β. Πιχκερινγ ανδ Τ. Γλαδmαν: ΙΣΙ Σπεχ. Ρεπ. 81, 1963, 10 20, Ιρον Στεελ Ινστ., Λονδον. 23 W. Χ. Λεσλιε: Μεταλλ. Τρανσ., 1972, 3, W. Β. Μορρισον ανδ ϑ. Α. Χηαπmαν: Ροσενηαιν Χεντεναρψ Χονφερενχε, 1976, , Τηε Ροψαλ Σοχιετψ, Λονδον. 25 Α. ϑ. Ροσε: Ρεπ. ΣΛ/ΠΜ/Ρ/Σ2971/17/98/Α, Βριτιση Στεελ Πλχ, Σωινδεν Τεχηνολογψ Χεντρε,(1998). 26 Β.Dυττα, Ε.ϑ.Παλmιερε ανδ Χ.Μ. Σελλαρσ, Αχτα. mεταλλ. mατερ., 1992,,40, Β. Dαττα, Ε. ϑ Παλmιερε ανδ Χ.Μ Σελλαρσ, Αχτα mατερ., 2001, 49, W.ϑ.Λιυ ανδ ϑ.ϑ.ϑονασ, Μετ.Τρανσ.Α,1995,26A, Μ.Γ.Ακβεν, Ι.Wεισσ ανδ ϑ.ϑ.ϑονασ, Αχτα mατερ., 1981,29, D.Η.Βρατλανδ, Γρονγ, Η.Σηερχλιφφ, Ο.Ρ.Μψηρ ανδ Σ.Τϕοττα, Αχτα mατερ.,1997,45,

25 31 Σ.Ζαϕαχ, Τ.Σιωεχκι ανδ Μ.Κορχηψνσκψ, Λοω Χαρβον Στεελσ φορ τηε 90 σ, Εδ Ρ.Ασφαηανι ανδ Γ.Τιτηερ, 1993, , Wαρρενδαλε, ΠΑ, ΤΜΣ. 32 Η.ϑ.Γολδσχηmιδτ, Ιντερστιτιαλ Αλλοψσ,1957, 238,Βυττερωορτησ,Λονδον. 33 Κ.Dουσε ανδ Τ.Ν.Βακερ, Τηερmοmεχηανιχαλ Προχεσσινγ οφ Στεελσ, 2000, , Λονδον, ΙΟΜ. 34 Χ.Ψ..Βαρλοω, Β.Ραλπη, Β.Σιλϖερmαν ανδ Α.Ρ.ϑονεσ, ϑ.ματ.σχι, 1979, 4, Ρ.Μ.Ποτησ, ΠηD Τηεσισ, Υνιϖερσιτψ οφ Σηεφφιελδ, Τ.Ν.Βακερ, Ψιελδ, φλοω ανδ φραχτυρε Εδ. Τ. Ν. Βακερ, 1983, , Αππλιεδ Σχιενχε Πυβλισηερσ, Λονδον ανδ Νεω Ψορκ. 37 D.Β.Εϖανσ, Τρανσ. Μετ. Σοχ. ΑΙΜΕ,1965, 233, Κ.Ναριτα, Τρανσ ΙΣΙϑ, 1975,15, Τ. Σιωεχκι, Α.Σανδβεργ, W.Ροβερτσ, ανδ Ρ. Λαγνεβοργ. Τηεmοmεχηανιχαλ Προχεσσινγ οφ Αυστενιτε, Εδ. Α.ϑ. δεαρδο, Γ.Α. Ρατζ ανδ Π.ϑ. Wραψ, , 1982, Wαρρενδαλε, ΠΑ, Μετ. Σοχ. ΑΙΜΕ. 40 Η.Α. ςογελσ, Π. Κονιγ ανδ Κ Η, Πιεηλ, Αρχηιϖ. Εισενη. 1964, 35, Τ.Ν. Βακερ, ϑ. Ιρον Στεελ Ινστ., 1973, 211, Τ.Ν.Βακερ, Μεταλσ Τεχη. 1974, 1, D.Χ. Ηουγητον, Γ.Χ. Wεατηερλψ ανδ ϑ.d. Εmβυρψ, Τηεmοmεχηανιχαλ Προχεσσινγ οφ Αυστενιτε, εδ. Α.ϑ. δεαρδο, Γ.Α. Ρατζ ανδ Π.ϑ. Wραψ, , 1982, Wαρρενδαλε, ΠΑ, Μετ. Σοχ. ΤΜΣ ΑΙΜΕ. 44 W. Ροβερτσ, ΗΣΛΑ Στεελσ, Τεχηνολογψ ανδ Αππλιχατιονσ, εδ. Μ.Κορχηψνσκψ, 33 65, 1984, Μεταλσ Παρκ, ΟΗ, ΑΣΜ. 45 ϑ.στριδ ανδ Κ.Ε. Εαστερλινγ, Αχτα mεταλλ, 1985, 33, Φ.Συν ανδ W.Χυι, ΗΣΛΑ Στεελσ, Προχεσσινγ, Προπερτιεσ ανδ Τεχηνολογψ, 24

26 Εδ. Γ. Τιτηερ ανδ Σ. Ζηανγ, 43 50, 1992, Wαρρενδαλε (ΠΑ), ΤΜΣ ΑΙΜΕ. 47 Τ.Γλαδmαν, ΗΣΛΑ Στεελσ, Προχεσσινγ, Προπερτιεσ ανδ Τεχηνολογψ, Εδ. Γ.Τιτηερ ανδ Σ. Ζηανγ, 3 14, 1992, Wαρρενδαλε, ΠΑ, ΤΜΣ ΑΙΜΕ. 48 Τ. Σιωεχκι, Α.Σανδβεργ, W.Ροβερτσ, ΗΣΛΑ Στεελσ, Τεχηνολογψ ανδ Αππλιχατιονσ, εδ. Μ.Κορχηψνσκψ, , 1984, Μεταλσ Παρκ, ΟΗ, ΑΣΜ. 49 Κ. Ηε ανδ Τ. Ν. Βακερ: Ματερ. Σχι. Ενγ., 1993, A169, Ρ. Λ. Βοδναρ, Ψ. Σηεν ανδ ς. Φυρδανοωιχζ: Ιρον Στεελmακερ, 1999, 26, Ρ.Μ.Ποτησ, Ρ.Λ.Ηιγγινσον ανδ Ε.ϑ.Παλmιερε, Σχριπτα Ματερ., 2001, 44, Σ Ζαϕαχ, 43 ρδ ΜWΣΠ Χονφ Προχ., ΙΣΣ, 29, 2001, Π. Μαυγισ ανδ Μ. Γουν, Αχτα mατερ. 2005, 53, Α.Ροσε, Βριτιση Στεελ Ρεπορτ, 1979,ΣΛ/ΠΜ/Ρ/Σ2971/4/97/Α 55 Ε.Τ.Τυρκδογαν, Τρανσ ΙΣΣ, Ιρον ανδ Στεελmακερ, 1989, Μαψ, W.Ροβερτσ ανδ Α.Σανδβεργ, Σωεδιση Ινστιτυτε φορ Μεταλσ Ρεπορτ Νο ΙΜ 1489, Στοχκηολm, ς.ραγηαϖαν, Βυλλ. Αλλοψ Πηασε Dιαγραmσ, 1984, 5, Μ.Γ.Φροηβεργ ανδ Η.Γραφ, Σταηλ υνδ Εισεν, 1960, 80, ϑ.η.wοοδηεαδ, Προχ.Σεmιναρ ςαναδιυm ιν ηιγη στρενγτη στεελ, 3 10,Χηιχαγο, 1979,ςανιτεχ, Λονδον 60 Ο Κωον ανδ Α ϑ DεΑρδο, Αχτα mεταλλ. mατερ.1991, 39, ϑ.η.βυχηερ ανδ ϑ.d.γροζιερ, Μετ.Ενγ.Θυαρτ,Αmερ.Σοχ.Μετ.,1965,

27 Table Captions Ταβλε 1 Α ρολλινγ σχηεδυλε τψπιχαλ οφ τηατ υσεδ ιν τηε πρεσεντ ωορκ Ταβλε 2 Μεχηανιχαλ προπερτιεσ οφ τηε στεελσ. Ταβλε 3 ΧηεmΣαγε πρεδιχτιονσ οφ τηε ϖολυmε φραχτιονσ, φ ξ 10 6, οφ φινε πρεχιπιτατεσ φορmεδ ιν φερριτε ατ 600 Χ δυρινγ χοολινγ, βασεδ ον Στεελ ςν χοmποσιτιον, βυτ ωιτη τηρεε λεϖελσ οφ χαρβον,0.06ωτ%,0.01ωτ%,0.001ωτ%, ανδ τηρεε εθυαλιζατιον τεmπερατυρεσ, ωιτη ΑλΝ αχτιϖε. Ταβλε 4 Χαλχυλατεδ σολυβιλιτψ παραmετερσ Α ανδ Β φορ ςν ιν αυστενιτε ανδ φερριτε εθυατιον λογ 10 Κ σ = Α/Τ +Β, ωηερε Κ σ ισ τηε σολυβιλιτψ προδυχτ [ς][ν] ανδ Τ τηε τεmπερατυρε ιν δεγρεεσ Κ. Εθυατιον νυmβερσ ρελατε το Φιγ.9. Figure Captions 1. Σχηεmατιχ διαγραm σηοωινγ τηε προχεσσ ρουτε υσεδ φορ σιmυλατινγ τηιν σλαβ διρεχτ χηαργινγ. Σαmπλεσ οφ τηε στεελ ωερε τακεν ανδ ωατερ θυενχηεδ αφτερ χαστινγ (Α), αφτερ εθυαλισατιον (Β), αφτερ τηε φουρτη ρολλινγ πασσ (Χ) ανδ φροm τηε φιναλ προδυχτ (D). 2 Εφφεχτ οφ τηε σολυβιλιτψ προδυχτ [ς][ν] ον τηε στρενγτη. 3 Ρελατιονσηιπ βετωεεν ςξν ανδ φερριτε γραιν σιζε. 4 Εξπεριmενταλλψ δετερmινεδ σιζε διστριβυτιον φορ σmαλλ παρτιχλεσ φορ Στεελ ς Ν, εθυαλισατιον τεmπερατυρε1050 Χ, ενδ χοολ τεmπερατυρε750 ωιτη αν αϖεραγε διαmετερ 6.5νm. 5 Φινε πρεχιπιτατεσ ιν τηε σιζε ρανγε 4 15νm 6 Dαρκ φιελδ mιχρογραπη ωηιχη σηοωσ α γραιν ον τηε λεφτ ηανδ σιδε, ωηιχη αππεαρσ το βε φρεε οφ παρτιχλεσ, ωηερεασ τηε ριγητ ηανδ γραιν χονταινσ α ρανδοm δισπερσιον. 7 (α, β) ΧηεmΣαγε mοδελλινγ οφ ϖαναδιυm πρεχιπιτατεσ ιν αυστενιτε φορ Στεελσ ς Ν ανδ ς Νβ. 8 Χαλχυλατεδ ϖολυmε φραχτιον οφ φινε πρεχιπιτατεσ ιν φερριτε φορ φουρ στεελσ. 26

28 9 Σολυβιλιτψ οφ ϖαναδιυm νιτριδε ιν αυστενιτε ανδ φερριτε. Πασσ Νυmβερ Μιλλ Σεττινγ mm Dεφορmατιον Περ Πασσ % Εθυαλισατιον Τεmπερατυρε Χ Εντρψ Ρολλινγ Τεmπερατυρε Χ Τψπιχαλ Φινιση Ρολλινγ Τεmπερατυρε Χ Ταβλε 1 Α ρολλινγ σχηεδυλε τψπιχαλ οφ τηατ υσεδ ιν τηε πρεσεντ ωορκ 27

29 Στεελ Χονδιτιον Equalisation Temp. ( C) End Cool Temp ( C) α Grain Size (μm) LYS (MPa) Τενσιλε Προπερτιεσ UYS (MPa) UTS (MPa) EL (%) p+ δ (MPa) Χηαρπψ Τουγηνεσσ 20 C 13J ITT ( C) V Bainite V-N V-Ti V-Nb V-Nb- Ti V-Zr Ταβλε 2 Μεχηανιχαλ προπερτιεσ οφ τηε στεελσ. 28

30 0.06wt%C VN VC Total V particles VN/Total 1050 Χ Χ Χ wt%C VN VC Total V particles VN/Total 1050 Χ Χ Χ wt%C VN VC Total V particles VN/Total 1050 Χ Χ Χ Ταβλε 3 ΧηεmΣαγε πρεδιχτιονσ οφ τηε ϖολυmε φραχτιονσ, φ ξ 10 6, οφ φινε πρεχιπιτατεσ φορmεδ ιν φερριτε ατ 600 Χ δυρινγ χοολινγ, βασεδ ον Στεελ ςν χοmποσιτιον, βυτ ωιτη τηρεε λεϖελσ οφ χαρβον,0.06ωτ%,0.01ωτ%,0.001ωτ%, ανδ τηρεε εθυαλιζατιον τεmπερατυρεσ, ωιτη ΑλΝ αχτιϖε. 29

31 Αυστενιτε Φερριτε Εθν Α Β Ρεφερενχε Εθν. Α Β Ρεφερενχε Ταβλε 4 Χαλχυλατεδ σολυβιλιτψ παραmετερσ Α ανδ Β φορ ςν ιν αυστενιτε ανδ φερριτε υσινγ εθυατιον λογ 10 Κ σ = Α/Τ +Β, ωηερε Κ σ ισ τηε σολυβιλιτψ προδυχτ [ς][ν] ανδ Τ τηε τεmπερατυρε ιν δεγρεεσ Κ. Εθυατιον νυmβερσ ρελατε το Φιγ.9. 30

32 Melting A B C D Ingot Hot Casting Stripped Equalization Rolling Cooling Coiling Φιγ. 1.Σχηεmατιχ διαγραm σηοωινγ τηε προχεσσ ρουτε υσεδ φορ σιmυλατινγ τηιν σλαβ διρεχτ χηαργινγ. 31

33 Yield Strength V V-N V-Ti-N Strength, MPa Dispersion Strengthening V-Nb V-Nb-Ti V-Zr VxN Φιγ. 2 Εφφεχτ οφ τηε σολυβιλιτψ προδυχτ [ς] [Ν] ον τηε στρενγτη. 32

34 Φιγ3 Ρελατιονσηιπ βετωεεν ςξν ανδ φερριτε γραιν σιζε. 33

35 , Περχεντ παρτιχλεσ Παρτιχλε διαmετερ νm Φιγ 4 Εξπεριmενταλλψ δετερmινεδ σιζε διστριβυτιον φορ σmαλλ παρτιχλεσ φορ Στεελ ς Ν, εθυαλισατιον τεmπερατυρε1050 Χ ανδ ενδ χοολ τεmπερατυρε 750, ωιτη αν αϖεραγε παρτιχλε διαmετερ οφ 6.5νm. 34

36 100νm Φιγ 5 Σmαλλ πρεχιπιτατεσ ιν τηε σιζε ρανγε 4 15νm ωιτη ονε λαργερ χυβοιδ παρτιχλε 0.25 mιχρον Φιγ 6 Dαρκ φιελδ mιχρογραπη ωηιχη σηοωσ α γραιν ον τηε λεφτ ηανδ σιδε, ωηιχη αππεαρσ το βε φρεε οφ παρτιχλεσ, ωηερεασ τηε ριγητ ηανδ γραιν χονταινσ α ρανδοm δισπερσιον. 35

37 Φιγ.7 ΧηεmΣαγε mοδελλινγ οφ ϖαναδιυm πρεχιπιτατεσ ιν αυστενιτε φορ Στεελσ ς Ν ανδ ς Νβ 36

38 Volume Fraction of Fine Carbonitrieds Temperature, o C V-N V-Ti-N V-Nb V-Nb-Ti Φιγ. 8 Χαλχυλατεδ ϖολυmε φραχτιον οφ φινε πρεχιπιτατεσ ιν φερριτε φορ φουρ στεελσ 37

39 Φιγ 9 Σολυβιλιτψ οφ ϖαναδιυm νιτριδε ιν αυστενιτε ανδ φερριτε 38

40 39