Effects of microstructure on the fracture toughness of ultrahigh-strength steels

During the past five years, real progress has been made in developing steels with yield strengths above 100,000 psi that have considerably better fracture toughness than their predecessors, and, in some instances, toughness superior to that of lower strength steels. The achievement of very high strengths has not been particularly difficult, but the efficient and safe utilization of higher strength materials in constructional applications usually requires a concomitant increase in toughness to assure against brittle failure at stresses below the yield strength. This problem of obtaining higher toughness has proved more difficult, since the general trend historically observed is one of decreasing toughness with increasing strength. This apparent dilemma has prompted more intensive and systematic studies of (1) the interrelationships among fine-scale microstructure, strength, and toughness (2) embrittlement phenomena; (3) the effects of residual or impurity elements; (4) strengthening mechanisms; and (5) the micromechanisms of crack propagation. The results have shown that it is frequently possible to obtain marked improvements in toughness at a given high strength level by (1) controlling microstructure, e.g., the provision of uniform, fine bainite in low-carbon quenched and tempered alloy steels, instead of mixed microstructures; (2) minimizing an embrittling reaction, e.g., the prevention of TiCN grain-boundary precipitation in maraging steels; (3) reducing the impurity element content, e.g., the lowering of sulfur and phosphorus levels in all high-strength steels; (4) selecting a more favorable strengthening mechanism, e.g., intermetallic-compound precipitation hardening in the maraging steels, in place of carbide particle strengthening in the medium-carbon quenched and tempered alloy steels; (5) introducing microstructural heterogeneities that act as microscopic internal crack arrestors, e.g., ‘weak inter-faces’ in high-strength laminar steel composites, or layers of austenite or unaged martensite in maraging steels. Un réel progrés a été effectué, ces cinq dernières années, en ce qui concerne le développement d'aciers à résistance limite excédant 7000 bars, ayant une dureté de rupture bien supérieure à celle de leurs prédécesseurs et, dans certains cas, supérieure à celle d'aciers de plus faible résistance. Ces trés grandes résistances n'ont pas été difficiles à réaliser, mais l'efficacité et la sûreté d'utilisation de matériaux à résistance plus élevée dans le domaine de la construction, doit s'accompagner, généralement, d'une plus grande robustesse du matériau afin d'éviter toute fragilité à des contraintes inférieures à la résistance limite. L'obtention d'une dureté supérieure est un probléme plus difficile à résoudre, car la tendance générale observée au cours des âges est celle d'une moins grande dureté pour une résistance plus élevée. Ce dilemne apparent a donné lieu à des é tudes systématiques poussées sur (1) les relations entre la microstructure sur une petite échelle, la résistance et la dureté; (2) la phénomène de fragilité; (3) les effets des éléments résiduels ou impuretés; (4) les mécanismes de durcissement; (5) les micromécanismes de propagation de la rupture. Les résultats ont montré qu'il est souvent possible d'obtenir une nette amélioration de la dureté à un niveau donné de haute résistance; (1) en contrôlant la microstructure, par ex. l'apporte de bainite uniforme et fin dans les alliages d'acier à faible teneur de carbone, plutôt que des microstructures mixtes; (2) en atténuant la fragilité, par ex. la prets des éléments résiduels ou (3) en réduisant la teneur en impuretés, par ex. en abaissant les taux de sulfure et de phosphore dans tous les aciers à haute résistance; (4) en sélectionnant un mécanisme de durcissement plus favorable, par ex. la précipitation intermétallique-composé durcissant les aciers à maraging, au lieu du renforcement par particules de carbure comme dans les alliages d'acier trempé à moyenne teneur de carbone; (5) en introduisant des hétérogénéités de microstructures qui agissent en tant que stoppeurs internes microcospiques de la rupture, par ex. les 'interfaces faibles' dans les composés d'acier lamellaire à haute résistance, ou des couches d'austénite ou de martensite sans vieillissement dans les aciers maraging. Im Laufe der letzten 5 Jahre sind bedeutende Fortschritte in der Entwicklung von Stählen mit Streckgrenzen von über 100,000 psi erzielt worden, die eine beträchtlich höhere Bruchzähigkeit als ihre Vorgänger besitzen und in manchen Fällen sogar eine Zähigkeit, die grösser als diejenige von Stählen niedrigerer Festigkeit ist. Die Erzielung von sehr hohen Festigkeiten war nicht besonders schwierig, aber die wirksame und sichere Verwendung von hochfesten Werkstoffen in konstruktions-technischen Anwendungen erfordert meist eine gleichzeitige Zunahme der Zähigkeit, um bei Beanspruchungen unterhalb der Streckgrenze vor Sprödbruch sicher zu sein. Dieses Problem der Erzielung grösserer Zähigkeiten hat sich als schwieriger herausgestellt, da wie die Geschichte zeigt, die allgemeine Tendenz zu bestehen scheint, dass bei zunehmender Festigkeit eine Abnahme der Zähigkeit eintritt. Dieses scheinbare Dilemma hat zu eingehenderen und systematischeren Untersuchungen geführt, und zwar (1) der Beziehungen zwischen dem Mikrofeingefüge, der Festigkeit und der Zähigkeit (2) der Die Ergebnisse zeigten, dass es oft möglich ist, bei einem gegebenen Hochfestigkeitsniveau deutliche Verbesserungen der Zähigkeit zu erzielen, und zwar durch (1) Kontrolle des Mikrogefüges, z.B. durch Aufnahme von einheitlichem, feinem Bainit in vergüteten, legierten Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt an Stelle von gemischten Mikrogefügen; (2) Minimalisierung der Versprödungsreaktion. z.B. durch Verhüten einer Abscheidung von TiCN an der Konigrenze in warmbadgehärteten (maraging) Stählen; (3) Verminderung des Gehaltes an Verunreinigungselementen, z. in allen hochfesten Stählen; (4) Wahl eines günstigen Verfestigungsmechanismus, z.B. durch Härtung mit Abscheidung von Zwischenmetallverbindungen in der vergüteten, legierten Stählen mit mittlerem Kohlenstoffgehalt; (5) Einführung von mikrostru Risshemmer dienen, z.B. durch ‘schwache’ Zwischenschichten in hochfesten laminar zusammengesetzten Stählen oder durch Schichten von Austenit oder ungealtertem Martensit in warmbadgehärteten Stählen.