Carbides in martensitic medium carbon low alloyed tool steels studied with small angle scattering techniques, electron microscopy and atom probe tomography

• Medium carbon low alloyed tool steels are used today in various areas to shape plastics, nonferrous metals, and steels, and they are crucial in the manufacturing industry. To be effective, tool steels must be strong and tough, and have high wear resistance and temperature stability. To achievethe desired properties, materials are alloyed so that secondary phaseparticles precipitate during processing, especially during the tempering of martensitic steels. However, the hardening contribution relates to the size,volume fraction and number density of precipitates, controlled by alloy composition and heat-treating parameters. It is therefore essential to understand how, where, and when the particles nucleate and how the precipitation sequence and kinetics are affected by alloying additions,tempering temperature, and time.This work is aimed to study carbide precipitation in two commercial low-alloy tool steel using small-angle neutron and X-ray scattering. To support these methods, samples were characterized with transmission electronmicroscopy (TEM) and atom probe tomography (APT). With a combination of high-resolution techniques, it was possible to establish the precipitation sequence in these steels. It was also possible with various small angle scattering techniques to determine the evolution of volume fraction and number density of precipitates as a function of tempering parameters.First, small angle neutron scattering (SANS) was used, which is an excellent method for bulk quantification of small precipitates in steel. It was possible with SANS to broadly study the precipitation process depending on annealing temperature and time. However, it is difficult with regular small angle scattering (SAS) to distinguish particle types with overlapping size distributions. To possibly separate the scattering signal from different carbide types, measurements were carried out with polarized small angle neutron scattering (SANSPOL) and anomalous small-angle X-ray scattering(ASAXS). With ASAXS it was possible to isolate the signal from molybdenum-rich carbides from other types of carbides.With SANSPOL, it was possible to follow the enrichment of alloy elements in cementite. The appearance of cementite can be described as an iron-richcore with a chromium-enriched shell. The partitioning of substitutional elements affects the stability of cementite and the alloy carbides. It was also possible with SANSPOL, during heating, to follow the initial precipitation of particles.Results from different experimental methods have been compared with precipitation simulations using thermodynamics-based precipitationmodeling. Equilibrium calculations indicates the possible stability ofdifferent precipitates, and the kinetics are captured with tools such as TCPRISMA to simulate structure evolution during tempering. Hardness measurements were made to correlate structure evolution to mechanical properties.

• Verktygsstål används idag inom en mängd olika områden för att förädla plaster, metaller och stål, och är således viktiga inom tillverkningsindustrin. Utmärkande egenskaper för verktygsstål är kombinationen av styrka,seghet, nötningsbeständighet och värmebeständighet vid applikationen. För att nå dessa egenskaper legeras materialen så att partiklar av sekundära faser skiljs ut under tillverkningen, framför allt under anlöpning av martensitiska stål. Vid anlöpning genomgår materialet en isotermvärmebehandling vid500–600°C under ca 1–4 timmar. Detta är oftast tillräckligt för att nå den optimala kombinationen av små partiklar (1–10 nm) med hög nummertäthet som effektivt härdar materialet. Det optimala härdningsbidraget varierar dock beroende på legeringssammansättning och anlöpningsparametrar. Det är således viktigt att förstå hur, var och när partiklarna kärnbildas, och hur partikelutskiljningen påverkas av legeringstillsatser och anlöpningstemperatur och tid. Detta är viktig information som kan användasför en mer effektiv legeringsutveckling.Målet med detta projekt har varit att studera partikelutskiljning i två kommersiella låglegerade verktygsstål med hjälp av lågvinkelspridning av neutroner (SANS) och röntgenstrålar (SAXS). För att underlätta utvärderingen av spridningsdata har prover även utvärderats i transmissionselektronmikroskop och med atomsondstomografi. Olika varianter av lågvinkelspridning har använts, både ex-situ och in-situ, för att utvärdera möjligheten studera utskiljning i kommersiella verkstygstål. Till en början utvärderades prover med lågvinkelspridning av neutroner(SANS), med vilka det var möjligt att i stora drag studera utskiljningsförloppet beroende på anlöpningstemperatur och tid. Dock fanns det osäkerheter kring resultaten kopplat till överlappande storleksfördelningar av olika karbidtyper. För att bättre kunna separera spridningssignalen från olika karbidvarianter genomfördes mätningar med ”anomal lågvinkel röntgenspridning” (ASAXS). Med vilket det var möjligtatt isolera signalen från molybdenrika karbider från övriga typer av karbider.Med lågvinkelspridning av polariserade neutroner (SANSPOL) var det möjligt att följa anrikningen av legeringselement i cementit karbider, vars utseende kan beskrivas som en järnrik kärna med ett kromanrikat skal, vilket tros påverka både stabiliteten av cementit och utskiljningsförloppet av legeringskarbider. Det var även möjligt att med SANSPOL, under uppvärmning, följa den initiala utskiljningen av partiklar. Resultaten jämfördes med jämvikts- och utskiljningsberäkningar med Thermo-Calcoch TC-PRISMA. Mekaniska egenskaper korrelerades med hjälp avhårdhetsmätningar.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Materialteknik -- Metallurgi och metalliska material (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Materials Engineering -- Metallurgy and Metallic Materials (hsv//eng)

Nyckelord

Low alloyed tool steel

Martensite

Small angle scattering

Scanning transmission electron microscopy

Energy dispersive x-ray spectroscopy; atom probe tomography; Scanning precession electron diffraction; Precipitation; carbides; Tempering.

Materials Science and Engineering

Teknisk materialvetenskap

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)