Microstructures and mechanical properties of precipitation-hardened medium Mn steel processed by room-temperature quenching and partitioning process

Abstract

This thesis describes the design of the precipitation-hardened medium Mn steel for room-temperature quenching and partitioning process, and the variation of microstructures and mechanical properties upon partitioning temperature was investigated. The chemical composition of investigated steel was designed by theoretical calculation with the CCEθ model considering VC precipitation. The proposed chemical composition of RT Q&P steel is Fe-7Mn-0.3C-3Ni-1Al-1.5Si-1.2Cu-0.3V (wt. %), expected to have sufficient retained austenite fraction and suppressed the formation of fresh martensite during final quenching process.

The sample austenitized at 900 oC, followed by partitioning, showed high ductility but low yield strength due to the high fraction (28.9%) of retained austenite, which originated from the small prior austenite grain size. Thus, the austenitization temperature was determined to be 1000 °C 1 h, which showed higher YS than austenitization at 900 °C.

The samples austenitized at 1000 oC, followed by partitioning at 200 and 300 °C for 10 minutes showed an excellent strength-ductility combination. The presence of tempered martensite and VC precipitation could contribute to the high YS of the materials. The high strain hardening rate is owing to the continuous TRIP effect. This originated from the high mechanical stability of retained austenite owing to the enriched carbon content and the film-like morphology. However, partitioning at 400 and 500 °C resulted in severe ductility loss. The fresh martensite phase in QP400 and martensite/austenite island structure in QP500 caused embrittlement by the intergranular fracture mechanism.

In this study, the chemical composition and process are designed of precipitation-hardened RT-Q&P steel and the effect of austenitization and partitioning temperature on microstructure and mechanical properties are studied. As a result, austenitized at 1000 oC for 1 hour and partitioned at 200 oC for 10 minutes sample exhibits excellent mechanical properties of the UTS of 1.6 GPa and an elongation of 23.8%. For the optimized mechanical properties of hot-rolled RT Q&P steel, the design of an austenitization annealing process for proper microstructure and a partitioning heat treatment process to prevent brittle structure formation should be considered.|본 논문에서는 다양한 석출 강화 효과를 위해 Cu, Ni, Al 및 V 등의 원소를 갖는 상온 퀜칭 & 파티셔닝 강의 공정을 설계하고, 파티셔닝 열처리 온도에 따른 미세조직과 기계적 성질 변화를 연구하였다. 연구된 상온 Q&P 강의 조성은 VC석출이 고려된 CCEθ 모델을 적용하여 이론적 계산을 통해 설계되었다. 그 결과, 상온 Q&P공정 후 후레쉬 마르텐사이트가 형성되지 않으면서, 충분한 잔류 오스테나이트 상 분율이 예상되는Fe -7Mn-0.3C-3Ni-1Al-1.5Si-1.2Cu-0.3V (wt. %) 로 결정되었다.

연구된 상온 Q&P강은 900°C에서 1시간 오스테나이트화 열처리 및 파티셔닝된 시편은, 비교적 작은 구 오스테나이트 결정립크기 (prior austenite grain size)로 인해 형성된 높은 분율과 큰 결정립크기의 잔류 오스테나이트의 영향으로 높은 연신율과 낮은 항복강도를 보였다. 따라서, 본 연구에서는 높은 항복강도를 확보하기 위해 오스테나이트화 열처리 공정을 1000 °C 1 시간으로 설정하였다.

1000°C에서 1시간 및 200 °C 와300 °C의 온도에서 파티셔닝 열처리한 시편은 마르텐사이트 템퍼링, VC석출 및 높은 탄소를 함유한 필름형태의 잔류 오스테나이트의 높은 안정성으로 인해 우수한 강도, 연신율 및 소성가공경화 효과를 보였다. 그러나 400 °C의 파티셔닝 시편에서는 취성 성질을 갖는 후레쉬 마르텐사이트상 및 500 °C 시편에서 마르텐사이트-오스테나이트 조직 (Martensite/austenite island)이 형성되었고, 이 조직들은 균열이 구 오스테나이트 결정립계 (prior austenite grain boundary)를 따라 전파되는 입계 파괴를 야기하여 심한 연신율 감소를 보였다.

본 연구에서는 3세대 고강도강인 Q&P강의 조성 및 공정을 설계하였고, 오스테나이트화 및 파티셔닝 열처리 조건이 미세조직과 기계적 성질에 미치는 영향을 연구하였다. 그 결과, 1000 oC 1시간 및 200 oC 10분 열처리 공정조건에서, 1.6GPa의 인장강도와 23.8%의 연신율을 보이며 높은 기계적성질을 이끌어내었다. 열간압연 상온 Q&P강의 높은 기계적 성질을 위해서는 적절한 미세조직을 위한 오스테나이트화 열처리와 취성을 갖는 조직형성 방지를 위한 파티셔닝 열처리 공정 설계가 최적의 물성을 위해 필수적으로 고려 되어야한다.