Delayed Cracking of Metastable Low-Nickel Austenitic Stainless Steels

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2015-10-02
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2015
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
95 + app. 65
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 115/2015
Abstract
Metastable austenitic stainless steels can be susceptible to delayed cracking after forming processes. The objective of this research was to explain the high susceptibility of low-Ni high-Mn austenitic stainless steels to delayed cracking, and to clarify the role of the different contributing factors, i.e. solute hydrogen, strain-induced α'-martensite and tensile residual stresses, in the phenomenon. Susceptibility of seven austenitic stainless steels, both conventional Fe-Cr-Ni grades and low-Ni grades, to delayed cracking was investigated by means of deep drawing Swift cup tests. Residual stresses in the cups were measured with X-ray diffraction and a ring slitting method. Volume fraction of strain-induced α'-martensite was determined with a Ferritescope. Hydrogen content of the test materials was analysed with hot extraction, melt extraction and thermal desorption spectroscopy. Hardness of α'-martensite and austenite phases was measured using nanoindentation. Additionally, a constant load tensile testing arrangement was developed and applied for systematic study on the role of different contributing factors in delayed cracking kinetics. The presence of α'-martensite was a necessary prerequisite for delayed cracking to occur in austenitic stainless steels with typical internal hydrogen concentrations (< 5.5 wppm). Cracking proceeded through α'-martensite phase. Martensitic transformation substantially increased the magnitude of residual stresses in deep-drawn cups. Alloying elements of the stainless steels influenced the sensitivity to delayed cracking through their effect on the austenite stability and properties of α'-martensite. According to nanoindentation measurements the hardness of α'-martensite correlated with the level of residual stresses. Critical combinations of residual stress, α´-martensite and hydrogen content for delayed cracking were specified for each test material. Explanations for the high susceptibility of low-Ni grades were their high residual stresses after forming, and high internal hydrogen content. Lowering the hydrogen content by annealing markedly lowered the risk of delayed fracture. Constant load tensile testing results demonstrated the role of α'-martensite as a medium for hydrogen diffusion. Hydrogen content seemed to have the strongest effect on time to fracture, which supports the assumption that cracking requires hydrogen accumulation at regions of high stress. The results of this research work can be utilized in the design of demanding forming applications, to avoid the risk of delayed fracture. Increased understanding of the delayed cracking phenomenon enables the development of novel cost-efficient, high-strength stainless steels and wider usage of current austenitic stainless steels.

Metastabiilit austeniittiset ruostumattomat teräkset voivat olla alttiita viivästyneelle murtumalle muovauksen jälkeen. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selittää matalan nikkelipitoisuuden austeniittisten ruostumattomien terästen korkeaa alttiutta viivästyneelle murtumiselle ja selvittää ilmiöön vaikuttavien tekijöiden, kuten materiaaliin liuenneen vedyn, muovauksen aiheuttaman α'-martensiitin ja jäännösjännitysten merkitys. Seitsemän austeniittisen ruostumattoman teräksen, sekä Fe-Cr-Ni- että matalanikkelisten lajien, alttiutta viivästyneelle murtumiselle tutkittiin Swiftin kuppikokeiden avulla. Syvävedetyistä kupeista määritettiin jäännösjännitykset röntgendiffraktiolla ja jännitysten laukeamiseen perustuvalla menetelmällä. Muovauksen aiheuttaman α'-martensiitin määrä mitattiin ferriittimittarilla. Koemateriaalien vetypitoisuus määritettiin kolmella eri menetelmällä. Muovatuista materiaaleista mitattiin α'-martensiitin ja austeniitin kovuus nanoindentaatiolla. Lisäksi kehitettiin koejärjestely vakiovoima-vetokeisiin, joilla tutkittiin systemaattisesti eri tekijöiden vaikutusta viivästyneen murtumisen kinetiikkaan. Viivästynyttä murtumista ei tapahtunut stabiileissa austeniittisissa ruostumattomissa teräksissä, joihin ei muodostunut muovauksessa α'-martensiittia, tyypillisillä valmistuksen jälkeisillä vetypitoisuuksilla (< 5.5 wppm). Metastabiileissa materiaaleissa viivästyneet murtumat etenivät α'-martensiittifaasia pitkin. Nanoindentaatiomittausten perusteella α'-martensiitin kovuus korreloi jäännösjännitystason kanssa. Tutkittaville materiaaleille määritettiin kriittiset jäännösjännitysten, α'-martensiitin ja vetypitoisuuden tasot, jotka aiheuttavat viivästyneitä murtumia. Matalan nikkelipitoisuuden terästen korkeaa alttiutta viivästyneelle murtumiselle selittävät niiden korkea jäännösjännitystaso ja korkea vetypitoisuus. Vetypitoisuuden alentaminen hehkutuksella alensi merkittävästi murtumisriskiä. Vakiovoima-vetokokeiden tulokset havainnollistivat α'-martensiitin roolia vedyn diffuusiossa. Vetypitoisuudella oli suuri vaikutus murtumisaikaan, mikä tukee käsitystä, että murtuminen edellyttää vedyn kerääntymistä jännityskeskittymien alueelle. Tämän tutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää viivästyneen murtumisen välttämiseksi suunniteltaessa vaativia muovaussovelluksia. Ilmiön syvällinen ymmärtäminen tukee uusien kustannustehokkaiden, lujien ruostumattomien terästen kehittämistä sekä olemassa olevien teräslaatujen laajempaa käyttöä.
Description
Supervising professor
Hänninen, Hannu, Prof., Aalto University, Department of Engineering Design and Production, Finland
Thesis advisor
Talonen, Juho, Dr., Outokumpu Oyj, Finland
Keywords
metastable low-nickel austenitic stainless steels, delayed cracking, hydrogen, strain-induced martensite, residual stress, metastabiili vähänikkelinen austeniittinen ruostumaton teräs, viivästynyt murtuminen, vety, venymän aiheuttama martensiitti, jäännösjännitys
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Papula, S., Talonen, J., Hänninen, H., Effect of residual stress and straininduced alpha’-martensite on delayed cracking of metastable austenitic stainless steels, Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 45, Issue 3 (2014), p. 1238-1246.
    DOI: 10.1007/s11661-013-2090-3 View at publisher
  • [Publication 2]: Papula, S., Talonen, J., Todoshchenko, O., Hänninen, H., Effect of internal hydrogen on delayed cracking of metastable low-Ni austenitic stainless steels, Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 45, Issue 11 (2014), p. 5270-5279.
    DOI: 10.1007/s11661-014-2465-0 View at publisher
  • [Publication 3]: Papula, S., Talonen, J., Hänninen, H., Delayed cracking of metastable low-nickel austenitic stainless steel studied with constant load tensile testing, Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures. In press.
    DOI: 10.1111/ffe.12301 View at publisher
  • [Publication 4]: Papula, S., Saukkonen, T., Talonen, J., Hänninen, H., Delayed cracking of metastable austenitic stainless steels after deep drawing, accepted for publication in ISIJ International, Vol. 55, No. 10 (2015).
    DOI: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2015-078 View at publisher
  • [Publication 5]: Pulkkinen, H., Papula, S., Todoshchenko, O., Talonen, J., Hänninen, H., Effect of inclusions and precipitates on hydrogen embrittlement of Mn-alloyed austenitic stainless steels, Steel Research International, Vol. 84 (2013), p. 966-974.
    DOI: 10.1002/srin.201200305 View at publisher
  • [Publication 6]: Ortega, S., Papula, S., Saukkonen, T., Talonen, J. and Hänninen, H., Characterization of delayed cracking in deep-drawn Swift cups of metastable austenitic stainless steels, Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures, Vol. 38, (2015), p. 29-39.
    DOI: 10.1111/ffe.12206 View at publisher
Citation