Microstructural Reasons for the Scattering of Impact Toughness Values of Low Carbon Low Alloy Hot Rolled Steel During Multiple Charpy Impact Tests

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

In order to assess the effect of the microstructure on the scattering of the impact toughness of hot-rolled steel, samples were examined after Charpy impact tests at a temperature of −60° C. The microstructure of the samples under the fracture surface has been studied. It has been experimentally shown that most of the cleavage facets are located in martensite-bainite interlayers in the ferrite-pearlite microstructure, which are formed in the axial region of the rolled product. Despite the fact that the proportion of martensite-bainite interlayers in the microstructure does not exceed 4%, their size and location relative to the applied stresses determine the impact toughness of standard transverse samples. The minimum values of impact toughness correspond to the largest total width of martensite-bainite interlayers and the highest concentration of Mn, Si and P. To assess the effect of the formation of martensite-bainite interlayers on the impact toughness, an indicator of the inhomogeneity of the microstructure C is proposed, taking into account both the width of the interlayers and the concentration heterogeneity in Mn, Si, and P.

About the authors

K. G Vorkachev

A. A. Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Email: KGV@imet.ac.ru
Moscow, Russian Federation

M. M Kantor

A. A. Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Moscow, Russian Federation

V. A Bozhenov

A. A. Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Moscow, Russian Federation

K. A Solntsev

A. A. Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Moscow, Russian Federation

References

  1. Кантор М.М., Боженов В.А. Рассеяние значений ударной вязкости низколегированной стали в критическом интервале хладноломкости // Материаловедение. 2013. № 11. С. 3–15.
  2. Krauss G. Solidification, segregation, and banding in carbon and alloy steels // Metall. Mater. Trans. B. 2003. V. 34. P. 781–792. https://doi.org/10.1007/s11663-003-0084-z
  3. Kirkaldy J.S., Brigham R.J., Domian H.A., Ward R.G. A study of banding in skelp by electron-probe microanalysis // Can. Metall. Q. 1963. V. 2. P. 233–241.
  4. Takahashi T., Ponge D., Raabe D. Investigation of orientation gradients in pearlite in hypoeutectoid steel by use of orientation imaging microscopy // Steel Res. Int. 2007. V. 78. № 1. P. 38–41. https://doi.org/10.1002/srin.200705857
  5. Кантор М.М., Воркачев К.Г. Микроструктура и субструктура перлита доэвтектоидных ферритно-перлитных сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. 2017. № 5. С. 265–271.
  6. Кантор М.М., Воркачев К.Г., Челпанов В.И., Солнцев К.А. Сростки доэвтектоидного и перлитного ферритов в низкоуглеродистой низколегированной стали // Неорган. материалы. 2020. Т. 56. № 12. С. 1388–1392. https://doi.org/10.31857/S0002337X20120088
  7. Guo F., Wang X., Liu W., Shang C., Misra R.D. K., Wang H., Zhao T., Peng C. The influence of centerline segregation on the mechanical performance and microstructure of X70 pipeline steel // Steel Res. Int. 2018. V. 89. Р. 1800407. https://doi.org/10.1002/srin.201800407
  8. Kovalyova T., Issagulov A., Kovalev P., Kulikov V., Kvon S., Arinova S. Structural anisotropy parameters’ effect on the low-temperature impact strength of alloy steels in rolled products // Metals. 2023. V. 13. № 7. Р. 1157. https://doi.org/10.3390/met13071157
  9. Guo F., Liu W., Wang X., Misra R.D.K., Shang C. Controlling variability in mechanical properties of plates by reducing centerline segregation to meet strain-based design of pipeline steel // Metals. 2019. V. 9. № 7. Р. 749. https://doi.org/10.3390/met9070749
  10. Bertolo V., Jiang Q., Scholl S., Petrov R.H., Hangen U., Walters C., Sietsma J., Popovich V. A comprehensive quantitative characterization of the multiphase microstructure of a thick-section high strength steel // J. Mater. Sci. 2022. V. 57. P. 7101–7126. https://doi.org/10.1007/s10853-022-07121-y
  11. Wang X., Wang X., Liu W., Shang C. Effect of segregation band on the microstructure and properties of a wind power steel before and after simulated welding // Metals. 2024. V. 14. № 1. Р. 129. https://doi.org/10.3390/met14010129
  12. Кантор М.М., Воркачев К.Г., Боженов В.А., Солнцев К.А. Ударная вязкость низкоуглеродистых низколегированных сталей с ферритно-бейнитной микроструктурой по результатам множественных испытаний // Неорган. материалы. 2024. Т. 60. № 2. С. 257–273.
  13. Штремель М.А. Информативность измерений ударной вязкости // Металловедение и термическая обработка металлов. 2008. № 11. С. 37–51.
  14. Pineau A. Development of the local approach to fracture over the past 25 years: theory and applications // Int. J. Fract. 2006. V. 138. P. 139–166. https://doi.org/10.1007/s10704-006-0035-1
  15. Chen J.-H., Cao R. Micromechanism of cleavage fracture of metals: a comprehensive microphysical model for cleavage cracking in metals. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2014. P. 1289.
  16. Wright S.I., Nowell M.M. EBSD image quality mapping // Microsc. Microanal. 2006. V. 12. № 1. P. 72–84. https://doi.org/10.1017/S1431927606060090
  17. Wright S.I., Nowell M.M., Field D.P. A review of strain analysis using electron backscatter diffraction // Microsc. Microanal. 2011. V. 17. № 3. P. 316–329. https://doi.org/10.1017/S1431927611000055
  18. Ping D.H., Guo S.Q., Imura M., Liu X., Ohmura T., Ohnuma M., Lu X., Abe T., Onodera H. Lath formation mechanisms and twinning as lath martensite substructures in an ultra low-carbon iron alloy // Sci. Rep. 2018. V. 8. Р. 14264. https://doi.org/10.1038/s41598-018-32679-6
  19. Sugiyama M., Takei M., Sekida S., Maruyama N. Characterization of hierarchical lath martensite microstructure in low carbon steels using ultra-high voltage TEM and SEM-EBSD analysis // IOP Conf. Ser: Mater. Sci. Eng. 2022. V. 1249. P. 012020. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1249/1/012020
  20. Белый А.П., Исаев О.Б., Матросов Ю.И., Носоченко А.О. Центральная сегрегационная неоднородность в непрерывнолитых листовых заготовках и толстолистовом прокате. / Под ред. Синельникова В.А. М.: Металлургиздат, 2005. 133 с.
  21. Hillert M., Höglund L., Ågren J. Role of carbon and alloying elements in the formation of bainitic ferrite // Metall. Mater. Trans. A. 2004. V. 35. P. 3693–3700. https://doi.org/10.1007/s11661-004-0275-5
  22. Sherby O.D., Wadsworth J., Lesuer D.R., Syn C.K. Revisiting the structure of martensite in iron-carbon steels // Mater. Trans. 2008. V. 49. № 9. P. 2016–2027. https://doi.org/10.2320/matertrans.MRA2007338
  23. Morris Jr.J.W., Kinney C., Pytlewski K., Adachi Y. Microstructure and cleavage in lath martensitic steels // Sci. Technol. Adv. Mater. 2013. V. 14. Р. 014208. https://doi.org/10.1088/1468-6996/14/1/014208
  24. Тылкин М.А., Большаков В.И., Одесский П.Д. Структура и свойства строительной стали. М.: Металлургия, 1983. 287 с.
  25. Одесский П.Д. О современных проблемах испытаний на ударный изгиб сталей для металлических конструкций // Зав. лаборатория. Диагностика материалов. 2001. Т. 67. № 7. С. 50–56.
  26. Кудря А.В., Соколовская Э.А. Глава 23. Наблюдение и измерение разрушения материалов с неоднородной структурой. перспективные материалы и технологии. Монография. В 2-х томах. Т. 2. / Под ред. Клубовича В.В. Витебск: ВГТУ, 2017. C. 436–453.
  27. Zhang X.Z., Knott J.F. The statistical modelling of brittle fracture in homogeneous and heterogeneous steel microstructures // Acta Mater. 2000. V. 48. № 9. P. 2135–2146. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(00)00055-0

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).