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Accessible Unlicensed Requires Authentication Published by De Gruyter December 31, 2021

Transformation Plasticity in Carbonitrided PM-Steels: Quantification of Plasticity Effects in Dependence of the Part Density*

Umwandlungsplastizität in karbonitrierten PM-Stählen: Quantifizierung von Plastizitätseffekten in Abhängigkeit von der Bauteildichte
J. M. Damon, S. Dietrich and V. Schulze

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.


* Reworked version of a lecture held at ECHT – Quenching and Distortion Engineering QDE 2021, 26.-18. April 2021, online


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.

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Published Online: 2021-12-31

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