Investigation of The Effect of Quenching and Partitioning Processing on API Graded Steels

Investigation of The Effect of Quenching and Partitioning Processing on API Graded Steels. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF (MS Thesis)
Investigation of The Effect of Quenching and Partitioning Processing on API Graded Steels.pdf - Accepted Version
Restricted to Repository staff only until 13 January 2022.

Download (6MB)

Arabic Abstract

إن الطلب المستمر للفولاذ يتطلب خصائص بناء مايكرونية متطورة تعطي توليفة من الخواص الميكانيكية الجيدة، وبتكلفة منخفضة عن طريق عملية المعالجة الحرارية. إحدى طرق المعالجة الحرارية هي عملية الإخماد والاجتزاء Q&P والتي تقوم بتعزيز خصائص الفولاذ فائقة القوة، ولقد لقيت هذه العملية اهتماماً كبيراً وخاصة بالنظر إلى المنفعة الاقتصادية العائدة منها. وتتم عملية المعالجة الحرارية عن طريق تسخين العينات إلى ما فوق خطAC3 للحصول على مركب الأوستنايت، يتبع ذلك عملية تبريد سريعة في وسط ملحي بحيث يتم غمس العينات في درجة حرارة ما بين درجة بداية ونهاية تكوين المارتنسايت لمدة محددة من الوقت إما على نفس درجة الحرارة وتسمى (عملية الإخماد والإجتزاء من خطوة واحدة) أو على درجة حرارة أعلى وتسمى (عملية الإخماد والإجتزاء من خطوتين) ، وبعد ذلك يتم إخمادها بشكل سريع في وسط مائي إلى درجة حرارة الغرفة . وتهدف مرحلة الإجتزاء إلى تحويل أجزاء من الكربون من مركب المارتنسايت إلى مركب الأوستنايت. ونتيجة لذلك، خليط من مارتنسيت / الأوستينيت مشبع الكربون تكون موجودة في النبية المايكرونية النهائية التي لوحظ أن لها تأثيراً إيجابياً على خصائص المادة المعالجة. في هذه الدراسة، تم تعريض الحديد الصلب API X65 إلى معالجة حرارية عن طريق عملية الإخماد والإجتزاء (Q & P) تحت ظروف معالجة مختلفة. وتم اختبار وفحص الخصائص المجهرية والميكانيكية لتقييم درجة استجابة الفولاذ للمعالجة الحرارية (الإخماد والإجتزاء). البنية المجهرية للفولاذ قبل عملية المعالجة الحرارية تتكون من مركبات الفرايت/البرلايت. المعالجة الحرارية عن طريق التسخين إلى الأوستنايت الجزئي بين خطي AC1 و AC3 ثم عملية الإخماد والإجتزاء ذات الخطوة الواحدة أنتجت بنية مجهرية تتكون من الفرايت شبه المضلع وجزيئات متناثرة من مركب الأوستنايت، ما أدى إلى تحسن في كل من: مقاومة الخضوع بنسة 22%، ومقاومة الشد بنسة 6%، والمتانة بنسة 40% والمرونة بنسبة 14% المعالجة الحرارية عن طريق التسخين إلى الأوستنايت الكلي فوق خط AC3 متبوعاً بعملية الإخماد والإجتزاء ذات الخطوة الواحدة أنتجت بنية مجهرية تتكون من شبكة من شرائح المارتنسايت ومركب الأوستنايت بين الشرائح، ما أدى إلى تحسن في كل من مقاومة الخضوع بنسة 34% ومقاومة الشد بنسبة 40% مع الاحتفاظ بمرونة مناسبة 18% . أما المعالجة الحرارية عن طريق التسخين إلى الأوستنايت الكلي فوق خط AC3 متبوعاً بعملية الإخماد والإجتزاء ذات الخطوتين فقد أنتجت بنية مجهرية تتكون من شبكة من شرائح دقيقة من المارتنسايت مع كمية كبيرة من مركب الأوستنايت بين الشرائح تصل إلى حوالي 20% أدت إلى تحسن مقاومة الشد بنسبة 100% والوصول إلى مستوىGP 1.1 ، وتحسن في مقاومة الخضوع بنسبة 23% مع الاحتفاظ بمستويات المرونة والمتانة قريبة من مستويات ما قبل المعالجة الحرارية

English Abstract

The continual demand for steels with improved microstructures resulting in a good combination of mechanical properties, specially strength and toughness, at low cost and lean chemistry had resulted in the development of quenching and partitioning (Q&P) heat treatment process. The application of Q&P for enhancing the properties of API graded steels, used for pipeline application, has attracted great attention especially considering the economic benefit of the heat treatment process. Q&P heat treatment process entails quenching to a temperature between martensite start Ms and martensite finish Mf temperatures, after which it is followed by a partitioning process either at the quenched temperature or above it. The partitioning stage is aimed to ensure that the untransformed austenite phases are carbon-enriched in order to stabilize the retained austenite to room temperature. Consequently, mixture of martensite/retained austenite microstructure exist in the final microstructure which has been observed to have a positive effect and improved properties on the treated material. In this study, API X65 graded steel was subjected to one-step and two-step quenching and partitioning (Q&P) heat treatment processes under various heat treatment conditions. The microstructures were characterized by XRD, OM, SEM and FE-SEM and the mechanical properties were tested by tensile, microhardness and impact tests to evaluate the response of the steel and assess the properties against untreated sample for possible deployment for pipeline application. Microstructure of as-received API X65 steel showed ferritic-pearlitic structure. After PQ&P heat treatment, the microstructure transformed to a qausi-polygonal ferrite microstructure with randomly distributed fine retained austenite (RA) particles led to significant improvement in yield strength by 22%, ultimate tensile strength by 6%, toughness by 40% and ductility by 14%. The FQ&P heat treatment process transformed the ferritic-pearlitic microstructure to lath martensite matrix and interlath RA microstructure which improved the YS by 34% and UTS improved by 40% with a significant ductility of 18%. The two-step FQ&P process transformed the as received microstructure into fine film-like lath martensite matrix with considerable amounts of interlath RA of ~ 20% led to a superior UTS exceeding 1 GP through the TRIP mechanism without deteriorating the ductility and toughness.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Mechanical
Department: College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor: Fida Hassan, Syed
Committee Members: Fida Hassan, Syed and Nouari, Saheb and Laoui, Tahar
Depositing User: HUSSAIN ALWADEI (g200516490)
Date Deposited: 18 Jan 2021 06:17
Last Modified: 18 Jan 2021 06:17
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141812