Évolution de la microstructure d’un acier inoxydable lean duplex lors du vieillissement

Lean duplex stainless steels are austeno-ferritic steels with lower nickel and molybdenum contents, developed in the late 90's. Considering mechanical properties, corrosion resistance and cost of raw material, this family is an interesting alternative to standard austenitic stainless steels, which currently represent two thirds of stainless steel production. However, lean duplex steels are relatively recent and their thermal stability has been relatively little studied, especially during long term aging. In this study, the microstructural evolution of a lean duplex steel 2101 was studied during isothermal aging at temperatures between 20 °C and 850 °C, from few minutes to several months. Aging kinetics were followed by thermoelectric power measurements (TEP), from which aged states were selected to be characterized by electron microscopy and atom probe tomography. At intermediate temperatures of 350 - 450 °C, Fe-Cr demixing and precipitation of Ni-Mn-Al-Si-Cu occur in the ferrite despite the low nickel content of this grade, leading to an increase in the TEP. For higher temperatures, at about 700 °C, the mechanisms which govern the different microstructural evolutions have been described by a multi-scale approach: the nucleation and growth of M23C6 and Cr2N, observed from few minutes of aging and the σ phase precipitation, observed for longer aging time. The latter is accompanied by a transformation of δ ferrite in γ2 secondary austenite, and by the partial transformation of austenite into martensite during cooling. The effect of different phases on the TEP of the lean duplex steel can be qualitatively described during aging by a rule of mixture.Les aciers inoxydables lean duplex sont une famille d'aciers austéno-ferritiques allégés en nickel et en molybdène, qui s'est développée à la fin des années 1990. Le compromis propriétés mécaniques, propriétés de résistance à la corrosion et coût de matière première place cette famille comme une alternative intéressante aux aciers austénitiques standards, et en particulier aux 304/304L qui représentent actuellement les deux tiers de la production d'acier inoxydable. Cependant, cette famille étant relativement récente, la stabilité en température des aciers lean duplex a été relativement peu étudiée, en particulier lors de maintiens prolongés en température. Dans le cadre de cette thèse, l'évolution microstructurale d'un acier lean duplex 2101 a été étudiée, lors de vieillissements isothermes à des températures comprises entre 20 °C et 850 °C, pour des temps s'échelonnant de quelques minutes à plusieurs mois. Les cinétiques de vieillissement ont été suivies par mesures de pouvoir thermoéléctrique (PTE), à partir desquelles des états vieillis ont été sélectionnés pour être caractérisés par microscopie électronique et par sonde atomique tomographique. A des températures intermédiaires de 350 – 450 °C, la ferrite de l'acier lean duplex 2101 est sujette à la démixtion Fe-Cr et à la formation d'amas enrichis en Ni-Mn-Si-Al-Cu, malgré les faibles teneurs en nickel de cette nuance. Ces phénomènes sont détectés par une forte augmentation du PTE. Pour des températures plus élevées, à 700 °C environ, une approche multi-techniques et multi-échelles a permis de décrire précisément les mécanismes qui régissent les différentes évolutions microstructurales : la germination et la croissance de M23C6 et de Cr2N, observés dès quelques minutes de vieillissement aux joints de phases, la précipitation de la phase σ pour des temps de vieillissement plus importants qui s'accompagne d'une transformation de la ferrite δ en austénite secondaire γ2, et la transformation partielle de l'austénite en martensite lors du refroidissement des échantillons vieillis. L'effet des différentes phases sur le PTE de l'acier lean duplex peut être décrit qualitativement lors du vieillissement par une loi des mélanges

Microstructure evolution of a lean duplex stainless steel during aging

Les aciers inoxydables lean duplex sont une famille d'aciers austéno-ferritiques allégés en nickel et en molybdène, qui s'est développée à la fin des années 1990. Le compromis propriétés mécaniques, propriétés de résistance à la corrosion et coût de matière première place cette famille comme une alternative intéressante aux aciers austénitiques standards, et en particulier aux 304/304L qui représentent actuellement les deux tiers de la production d'acier inoxydable. Cependant, cette famille étant relativement récente, la stabilité en température des aciers lean duplex a été relativement peu étudiée, en particulier lors de maintiens prolongés en température. Dans le cadre de cette thèse, l'évolution microstructurale d'un acier lean duplex 2101 a été étudiée, lors de vieillissements isothermes à des températures comprises entre 20 °C et 850 °C, pour des temps s'échelonnant de quelques minutes à plusieurs mois. Les cinétiques de vieillissement ont été suivies par mesures de pouvoir thermoéléctrique (PTE), à partir desquelles des états vieillis ont été sélectionnés pour être caractérisés par microscopie électronique et par sonde atomique tomographique. A des températures intermédiaires de 350 – 450 °C, la ferrite de l'acier lean duplex 2101 est sujette à la démixtion Fe-Cr et à la formation d'amas enrichis en Ni-Mn-Si-Al-Cu, malgré les faibles teneurs en nickel de cette nuance. Ces phénomènes sont détectés par une forte augmentation du PTE. Pour des températures plus élevées, à 700 °C environ, une approche multi-techniques et multi-échelles a permis de décrire précisément les mécanismes qui régissent les différentes évolutions microstructurales : la germination et la croissance de M23C6 et de Cr2N, observés dès quelques minutes de vieillissement aux joints de phases, la précipitation de la phase σ pour des temps de vieillissement plus importants qui s'accompagne d'une transformation de la ferrite δ en austénite secondaire γ2, et la transformation partielle de l'austénite en martensite lors du refroidissement des échantillons vieillis. L'effet des différentes phases sur le PTE de l'acier lean duplex peut être décrit qualitativement lors du vieillissement par une loi des mélanges.Lean duplex stainless steels are austeno-ferritic steels with lower nickel and molybdenum contents, developed in the late 90's. Considering mechanical properties, corrosion resistance and cost of raw material, this family is an interesting alternative to standard austenitic stainless steels, which currently represent two thirds of stainless steel production. However, lean duplex steels are relatively recent and their thermal stability has been relatively little studied, especially during long term aging. In this study, the microstructural evolution of a lean duplex steel 2101 was studied during isothermal aging at temperatures between 20 °C and 850 °C, from few minutes to several months. Aging kinetics were followed by thermoelectric power measurements (TEP), from which aged states were selected to be characterized by electron microscopy and atom probe tomography. At intermediate temperatures of 350 - 450 °C, Fe-Cr demixing and precipitation of Ni-Mn-Al-Si-Cu occur in the ferrite despite the low nickel content of this grade, leading to an increase in the TEP. For higher temperatures, at about 700 °C, the mechanisms which govern the different microstructural evolutions have been described by a multi-scale approach: the nucleation and growth of M23C6 and Cr2N, observed from few minutes of aging and the σ phase precipitation, observed for longer aging time. The latter is accompanied by a transformation of δ ferrite in γ2 secondary austenite, and by the partial transformation of austenite into martensite during cooling. The effect of different phases on the TEP of the lean duplex steel can be qualitatively described during aging by a rule of mixture

Study of Microstructural Evolutions in Lean Duplex 2101 during Aging

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Modeling of Precipitation Hardening during Coiling of Nb–Mo Steels

Nb–Mo low-alloyed steels are promising advanced high strength steels (AHSS) because of the highly dislocated bainitic ferrite microstructure conferring an excellent combination of strength and toughness. In this study, the potential of precipitation strengthening during coiling for hot-strip Nb–Mo-bearing low-carbon steels has been investigated using hot-torsion and aging tests to simulate the hot-rolling process including coiling. The obtained microstructures were characterized using electron backscatter diffraction (EBSD), highlighting the effects of Nb and Mo additions on formation and tempering of the bainitic ferrite microstructures. Further, the evolution of nanometer-sized precipitates was quantified with high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM). The resulting age hardening kinetics have been modelled by combining a phenomenological precipitation strengthening model with a tempering model. Analysis of the model suggests a narrower coiling temperature window to maximize the precipitation strengthening potential in bainite/ferrite high strength low-alloyed (HSLA) steels than that for conventional HSLA steels with polygonal ferrite/pearlite microstructures.Other UBCNon UBCReviewedFacult

Modeling of Precipitation Hardening during Coiling of Nb-Mo Steels

© 2018, MDPI AG. All rights reserved. Nb–Mo low-alloyed steels are promising advanced high strength steels (AHSS) because of the highly dislocated bainitic ferrite microstructure conferring an excellent combination of strength and toughness. In this study, the potential of precipitation strengthening during coiling for hot-strip Nb–Mo-bearing low-carbon steels has been investigated using hot-torsion and aging tests to simulate the hot-rolling process including coiling. The obtained microstructures were characterized using electron backscatter diffraction (EBSD), highlighting the effects of Nb and Mo additions on formation and tempering of the bainitic ferrite microstructures. Further, the evolution of nanometer-sized precipitates was quantified with high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM). The resulting age hardening kinetics have been modelled by combining a phenomenological precipitation strengthening model with a tempering model. Analysis of the model suggests a narrower coiling temperature window to maximize the precipitation strengthening potential in bainite/ferrite high strength low-alloyed (HSLA) steels than that for conventional HSLA steels with polygonal ferrite/pearlite microstructures.status: publishe

Precipitation and Phase Transformations in 2101 Lean Duplex Stainless Steel During Isothermal Aging

cited By 5International audienceThe effect of isothermal aging at 963 K (690 °C) on the microstructure of a 2101 lean duplex stainless steel, with the composition Fe-21.5Cr-5Mn-1.6Ni-0.22N-0.3Mo, was investigated using a multi-technique and multi-scale approach. The kinetics of phase transformation and precipitation was followed from a few minutes to thousands of hours using thermoelectric power measurements; based on these results, certain aging states were selected for electron microscopy characterization. Scanning electron microscopy, electron back-scattered diffraction, and transmission electron microscopy were used to quantitatively describe the microstructural evolution through crystallographic analysis, chemical analysis, and volume fraction measurements from the macroscopic scale down to the nanometric scale. During aging, the precipitation of M23C6 carbides, Cr2N nitrides, and σ phase as well as the transformation of ferrite into austenite and austenite into martensite was observed. These complex microstructural changes are controlled by Cr volume diffusion. The precipitation and phase transformation mechanisms are described. © 2015, The Minerals, Metals & Materials Society and ASM International