Abstract
To optimize heat treatment processes of case hardened components, heat treatment simulations are used to predict surface layer conditions. Only a precise knowledge and modelling of the transformation processes allows a trustworthy prediction of the hardness and residual stresses in the surface zone. The transformation plasticity mechanism plays an essential role in the heat treatment process and its correct simulation has a significant influence on the resulting calculated residual stress profiles and component distortion. Without considering transformation plasticity, simulative residual stresses are significantly overestimated [1]. In this work, powder metallurgical components are pressed and sintered and subsequently carbonitrided for a dilatometric investigation to characterize the correlation between transformation plasticity effect and the density. The results show a dependence of the austenite-martensite volume change that led to a significant difference of 0.5 Vol-%. A model describing the martensite volume change with respect to density is proposed. This also affects the description of the transformation plasticity constants (K) between K = 5 – 6 × 10–5 MPa–1 in dependence of density. With currently available data, the effect of chemical composition and density cannot be separated and quantified and further studies are therefore necessary to allow such a refinement.
Kurzfassung
Zur Optimierung von Wärmebehandlungsprozessen an einsatzgehärteten Bauteilen werden Wärmebehandlungssimulationen zur Vorhersage der Randschichtbedingungen eingesetzt. Nur eine genaue Kenntnis und Modellierung der Umwandlungsprozesse ermöglicht eine zuverlässige Vorhersage der Härte und der Eigenspannungen in der Randschicht. Der Mechanismus der Umwandlungsplastizität spielt eine wesentliche Rolle im Wärmebehandlungsprozess, und ihre korrekte Simulation hat einen erheblichen Einfluss auf die resultierenden berechneten Eigenspannungsprofile und den Bauteilverzug. Ohne Berücksichtigung der Umwandlungsplastizität werden die simulierten Eigenspannungen deutlich überschätzt [1]. In dieser Arbeit werden pulvermetallurgische Bauteile gepresst und gesintert und anschließend karbonitriert, um in einer dilatometrischen Untersuchung den Zusammenhang zwischen dem Effekt der Umwandlungsplastizität und der Dichte zu charakterisieren. Die Ergebnisse zeigen eine Abhängigkeit der Austenit-Martensit-Volumenänderung, die zu einem signifikanten Unterschied von 0,5 Vol-% führte. Es wird ein Modell zur Beschreibung in Abhängigkeit von der Dichte vorgeschlagen. Dies betrifft auch die Beschreibung der Umwandlungsplastizitätskonstanten (K) zwischen K = 5 – 6 × 10–5 MPa–1 in Abhängigkeit von der Dichte. Mit den derzeit verfügbaren Daten kann der Einfluss der chemischen Zusammensetzung und der Dichte nicht getrennt und quantifiziert werden, sodass weitere Studien erforderlich sind, um eine solche Verfeinerung zu ermöglichen.
Acknowledgement
This research was supported by the AiF (grant number 19887 N) within the IGF program from the Federal Ministry of Economic Affairs and Energy (BMWi). The authors thank Höganäs AB for the provision of the material as well as Leibniz-IWT Bremen for the heat treatment of the dilatometry specimens. Warmest thanks go to Dr. Gibmeier for retained austenite measurements and the IAM-AWP (Chemical Analysis Unit) for the elemental analysis.
Danksagung
Diese Forschung wurde von der AiF (Förderkennzeichen 19887 N) im Rahmen des IGF-Programms des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) unterstützt. Die Autoren danken der Höganäs AB für die Bereitstellung des Materials sowie dem Leibniz-IWT Bremen für die Wärmebehandlung der Dilatometrie-Proben. Ein herzliches Dankeschön geht an Herrn Dr. Gibmeier für die Rückhaltung der Austenitmessungen und an das IAM-AWP (Abteilung Chemische Analyse) für die Elementaranalyse.
References
1 Kaiser, D.: Experimentelle Untersuchung und Simulation des Kurzzeitanlassens unter Berücksichtigung thermisch randschichtgehärteter Zustände am Beispiel von 42CrMo4. Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Karlsruhe, 2019, DOI:10.5445/IR/100010027810.5445/IR/1000100278Search in Google Scholar
2 Danninger, H.; Dlapka, M.: Heat Treatment of Sintered Steels – what is different? HTM J. Heat Teatm. Mat. 73 (2018) 3, pp. 117–130, DOI:10.3139/105.11035310.3139/105.110353Search in Google Scholar
3 Koistinen, D. P.; Marburger, R. E.: A general equation prescribing the extent of the austenite-martensite transformation in pure iron-carbon alloys and plain carbon steels. Acta Metal. (1959) 1, pp. 59–60, DOI:10.1016/0001-6160(59) 90170-110.1016/0001-6160(59)90170-1Search in Google Scholar
4 Damon, J.; Dietrich, S.; Schulze, V.: Implications of carbon, nitrogen and porosity on the gamma-alpha’ martensite phase transformation and resulting hardness in PM-steel Astaloy 85Mo. J. Mat. Res. Techn. 9 (2020) 4, pp. 8245–8257, DOI:10.1016/ j. jmrt.2020.05.03510.1016/j.jmrt.2020.05.035Search in Google Scholar
5 Goldschmidt, H. J.: Advances in X-Ray Analysis. Plenum Press 5 (1962), pp. 191–212Search in Google Scholar
6 Moyer, J. M.; Ansell, G. S.: The volume expansion accompanying the martensite transformation in iron-carbon alloys. Metall. Trans. A 6 (1975) 9, p. 1785, DOI:10.1007/BF0264230810.1007/BF02642308Search in Google Scholar
7 Besserdich, G.: Untersuchungen zur Eigenspannungs- und Verzugsausbildung beim Abschrecken von Zylindern aus den Stählen 42 CrMo 4 und Ck 45 unter Berücksichtigung der Umwandlungsplastizität. Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Karlsruhe, 1993Search in Google Scholar
8 Leblond, J. B.; Devaux, J.; Devaux, J. C.: Mathematical modelling of transformation plasticity in steels I: Case of ideal-plastic phases. Int. J. Plast. 5 (1989) 6, pp. 551–57210.1016/0749-6419(89)90001-6Search in Google Scholar
9 Greenwood, G. W.; Johnson, R. H.: The deformation of metals under small stresses during phase transformations. Proc. R. Soc. Lond. A 283 (1965) 1394, pp. 403–422, DOI:10.1098/rspa.1965.002910.1098/rspa.1965.0029Search in Google Scholar
10 Abrassart, F.: Influences des transformations martensitiques sur les propriétés des alliages du système Fe-Ni-Cr-C. Dissertation. Université de Nancy, Nancy, 1972Search in Google Scholar
11 Faninger, G.; Hartmann, U.: Physikalische Grundlagen der quantitativen röntgenographischen Phasenanalyse (RPA). HTM Härterei-Techn. Mitt. 27 (1972), pp. 233–244Search in Google Scholar
12 Zwigl, P.; Dunand, D. C.: A numerical model of transformation superplasticity for iron. Mater. Sci. Eng. A, 262 (1999) 1-2, pp. 166–172, DOI:10.1016/S0921-5093(98)00991-510.1016/S0921-5093(98)00991-5Search in Google Scholar
13 Trapp, N.: Methoden und Strategien zur Simulation der Wärmebehandlung komple-xer Bauteile aus 20 MnCr 5. Dissertation, Universität Karlsruhe, Shaker Verlag, Düren, 2011. – ISBN: 978-3-84400-107-5Search in Google Scholar
14 Besserdich, G.; Mueller, H.; Macherauch, E.: Experimentelle Erfassung der Umwandlungsplastizität und ihre Auswirkungen auf Eigenspannung und Verzüge. HTM Härterei-Tech. Mitt. 50 (1995), pp. 369–389Search in Google Scholar
15 Dalgic, M.; Löwisch, G.: Transformation plasticity at different phase transformations of bearing steel. Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 37 (2006) 1, pp. 122–127, DOI:10.1002/MAWE.20050097110.1002/MAWE.200500971Search in Google Scholar
16 Franz, C.; Besserdich, G.; Schulze, V.; Müller, H.; Löhe, D.: Influence of Transformation Plasticity on Residual Stresses and Distortions due to the Heat Treatment of Steels with Different Carbon Content. MSF 490-491 (2005), pp. 47–52, DOI:10.4028/ www.scientific.net/MSF.490-491.4710.4028/0-87849-969-5.47Search in Google Scholar
17 Schiffmacher, A.: Dilatometrische Untersuchung an Stählen mit unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten zur Ermittlung von temperaturgefügeabhängigen Werkstoffkennwerten für die Simulation von Wärmebehandlungsprozessen. Dissertation, Karlsruhe, 2002Search in Google Scholar
18 Ahrens, U.: Beanspruchungsabhängiges Umwandlungsverhalten und Umwandlungsplastizität niedrig legierter Stähle mit unterschiedlich hohen Kohlentoffgehalten. Dissertation, Universität Paderborn, Paderborn, 2003Search in Google Scholar
19 Gräßlin, M.: Modellierung der isothermen Bainitumwandlung und Martensitbildung unter axialen Druckspannungen am Vergütungsstahl 42CrMo4. Bachelorthesis, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Karlsruhe, 2018Search in Google Scholar
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