Fracture toughness of five different reactor pressure vessel steels was characterized in the transition temperature region by the ASTM E1921-97 standard method using Charpy-sized small specimens. T he predominant fracture mode of the tested steels was transgranular cleavage in the test conditions. A statistical analysis based on the Weibull distribution was applied to the interpretation of the scattered fracture toughness data. The size-dependence of the measured fracture toughness values was also well predicted by means of the Weibull probabilistic analysis. The measured fracture toughness transition curves followed the temperature-dependence of the ASTM master curve within the expected scatter bands. Therefore, the fracture toughness characteristics in the transition region could be described by a single parameter, so-called the reference temperature (T。), for a given steel. The determined reference temperatures of the tested materials could not be correlated with the conventional index temperatures from Charpy impact tests.
This study investigates the effects of isothermal holding temperature and time on the microstructure, hardness and Charpy impact properties of medium-carbon bainitic steel specimens. Medium-carbon steel specimens with different bainitic microstructures are fabricated by varying the isothermal conditions and their microstructures are characterized using OM, SEM and EBSD analysis. Hardness and Charpy impact tests are also performed to examine the correlation of microstructure and mechanical properties. The microstructural analysis results reveal that granular bainite, bainitic ferrite, lath martensite and retained austenite form differently in the specimens. The volume fraction of granular bainite and bainitic ferrite increases as the isothermal holding temperature increases, which decreases the hardness of specimens isothermally heat-treated at $300^{\circ}C$ or higher. The specimens isothermally heat-treated at $250^{\circ}C$ exhibit the highest hardness due to the formation of lath martensite, irrespective of isothermal holding time. The Charpy impact test results indicate that increasing isothermal holding time improves the impact toughness because of the increase in volume fraction of granular bainite and bainitic ferrite, which have a relatively soft microstructure compared to lath martensite for specimens isothermally heat-treated at $250^{\circ}C$ and $300^{\circ}C$.
The effect of aging treatment on the microstructure and mechanical properties of super duplex stainless steel with W was investigated. The phase was precipitated mainly at the early stage of aging and a lower aging temperature under $750^{\circ}C$, but the phase was formed after long-term aging treatment between $600^{\circ}C$ and $900^{\circ}C$. The volume fraction of the phase increased with aging temperature up to $750^{\circ}C$ and then decreased up to $900^{\circ}C$. With an increase in the aging time, the volume fraction phase at the early stage of aging increased slightly, and then increased rapidly beyond a certain time. The rapid increase in the tensile strength and hardness and decrease in the elongation and impact toughness were measured with aging temperatures up to $750^{\circ}C$. On the other hand, the tensile strength and hardness decreased slightly, and the elongation and Charpy impact toughness were unchanged with aging temperatures over $750^{\circ}C$. The tensile strength and hardness increased rapidly at the early stage of aging, and then increased slowly beyond a certain time. The elongation and Charpy impact toughness decreased rapidly at the early stage of aging, and then remained unchanged beyond a certain time. The phase that formed at the early stage of aging and the lower aging temperature had a considerable effect on the elongation and Charpy impact toughness of the super duplex stainless steel with W.
Fracture energy values KV have been measured on cast steel, used in the container manufacture, by instrumented Charpy impact testing. This material has a large ductility on the upper transition region at $+20^{\circ}C$ and a ductile tearing with an expended plasticity before a brittle fracture on the lower transition region at $-20^{\circ}C$. To assess the fracture toughness of this material we use, the $K_{IC}$-KV correlations to measure the critical stress intensity factor $K_{IC}$ on the lower transition region and the dynamic force - displacement curves to measure the critical fracture toughness $J{\rho}_C$, the essential work of fracture ${\Gamma}_e$ on the upper transition region. It is found, using the $K_{IC}$-KV correlations, that the critical stress intensity factor $K_{IC}$ remains significant, on the lower transition region, which indicating that our testing material preserves his ductility at low temperature and it is apt to be used as a container's material. It is, also, found that the $J_{\rho}-{\rho}$ energetic criterion, used on the upper transition region, gives a good evaluation of the fracture toughness closest to those found in the literature. Finally, we show, by using the ${\Gamma}_e-K_{IC}$ relation, on the lower transition region, that the essential work of fracture is not suitable for the toughness measurement because the strong scatter of the experimental data. To complete this study by a numerical approach we used the ANSYS code to determine the critical fracture toughness $J_{ANSYS}$ on the upper transition region.
This study is concerned with tensile and Charpy impact properties of high-strength bainitic steels fabricated by controlled rolling process. Six kinds of steels were fabricated by varying finish rolling temperature, start cooling temperature, and cooling rate, and their microstructures and tensile and Charpy impact properties were investigated. Their effective grain sizes were also characterized by the electron backscatter diffraction analysis. The microstructures of the steels rolled in the single phase region were most similar to those of the steels rolled in the two phase region. The steels cooled from $700{^{\circ}C}$ were composed mainly of granular bainites, while those cooled from $600{^{\circ}C}$ contained a number of bainitic ferrites, which resulted in the decrease in ductility and upper shelf energy in spite of the increase in strength. In the steels cooling from $600^{\circ}C$, fine acicular ferrites were well formed when the cooling rate was slow, which led to the best combination of high ductility, high upper shelf energy, and low energy transition temperature according to the decrease in the overall effective grain size due to the presence of acicular ferrites having smaller effective grain size.
In this study, three kinds of bainitic steel plates are manufactured by varying the chemical compositions and their microstructures are analyzed. Tensile and Charpy impact tests are performed at room and low temperature to investigate the correlation between microstructure and mechanical properties. In addition, heat affected zone (HAZ) specimens are fabricated by a simulation of welding processes, and the HAZ microstructure is analyzed. The base steel that has the lowest carbon equivalent has the highest volume fraction of acicular ferrite and the lowest volume fraction of secondary phases, so the strength is the lowest and the elongation is the highest. The Mo steel has a higher volume fraction of granular bainite and more secondary phases than the base steel, so the strength is high and the elongation is low. The CrNi steel has the highest volume fraction of the secondary phases, so the strength is the highest and elongation is the lowest. The tensile properties of the steels, namely, strength and elongation, have a linear correlation with the volume fraction of secondary phases. The Mo steel has the lowest Charpy impact energy at $-80^{\circ}C$ because of coarse granular bainite. In the Base-HAZ and Mo-HAZ specimens, the hardness increases as the volume fraction of martensite-austenite constituents increases. In the CrNi-HAZ specimen, however, hardness increases as the volume fraction of martensite and bainitic ferrite increases.
Materials used for a reactor pressure vessel(RPV) are required high strength and toughness, which determine the safety margin and life of a reactor. Ni-Mo-Cr low alloy steel shows better mechanical properties than existing RPV steels due to higher Ni and Cr contents compared to the existing RPV steels. The present study focuses on effects of Ni, Cr contents on the cleavage fracture toughness of Ni-Mo-Cr low alloy steels in the transition temperature region. The fracture toughness was characterized by a 3-point bend test of precracked Charpy V-notch(PCVN) specimens based on ASTM E1921-08. The test results indicated that the fracture toughness was considerably improved with an increase of Ni and Cr contents. Especially, control of Cr content was more effective in improving fracture toughness than manipulating Ni content, though Charpy impact toughness was changed more extensively by adjusting Ni content. These differences between changes in the fracture toughness and that in the impact toughness were derived from microstructural features, such as martensite lath size and carbide precipitation behavior.
This study is concerned with the effect of Cu and B addition on microstructure and mechanical properties of high-strength bainitic steels. Six kinds of steels were fabricated by varying alloying elements and hot-rolling conditions, and their microstructures and tensile and Charpy impact properties were investigated. Their effective grain sizes were also characterized by the electron back-scatter diffraction analysis. The tensile test results indicated that the B- or Cu-containing steels had the higher yield and tensile strengths than the B- or Cu-free steels because their volume fractions of bainitic ferrite and martensite were quite high. The B- or Cu-free steels had the higher upper shelf energy than the B- or Cu-containing steels because of their higher volume fraction of granular bainite. In the steel containing 10 ppm B without Cu, the best combination of high strengths, high upper shelf energy, and low energy transition temperature could be obtained by the decrease in the overall effective grain size due to the presence of bainitic ferrite having smaller effective grain size.
In this study, microstructural investigation was conducted on the separation phenomenon occurring during Charpy impact tests of API X80 linepipe steels. Particular emphasis was placed on the role of microstructural phases present in the API X80 steels such as acicular ferrite, bainite, and hard secondary phases. Detailed microstructural analysis of fractured impact specimens showed that highly elongated bainite worked as prior initiation sites for separations, and that the number and length of separations increased with increasing volume fraction of bainite. In the steels having high work hardenability, tearing-shaped separations were found because the hammer-impacted region was seriously hardened during the impact test, which led to the reduction in the impact toughness. As the test temperature decreased, the tendency of separations increased, but separations were not observed when the cleavage fracture prevailed at very low temperatures. Thus, the minimization of the formation of bainite and secondary phases in the steels would be beneficial for preventing or minimizing separations because separations deteriorated low-temperature impact toughness.
This study is concerned with effects of complex oxides on Charpy impact toughness of heat affected zone (HAZ) of API X80 linepipe steels. Three kinds of steels were fabricated by varying alloying elements such as Ti, Al, and Mg and hot-rolling conditions to form complex oxides, and their microstructures and Charpy impact properties were investigated. The number of complex oxides present in the steel containing excess Ti, Al, and Mg was twice larger than that in the conventional steels, while their size ranged from 1 to $3{\mu}m$ in the three steels. After the HAZ simulation test, the steel containing a number of oxides contained about 20 vol.% of acicular ferrite in the simulated HAZ, together with bainitic ferrite and martensite, whereas the HAZ microstructure of the conventional steels consisted of bainitic ferrite and martensite with a small amount of acicular ferrite. This formation of acicular ferrite in the oxide-containing steel was associated with the nucleation of acicular ferrite at complex oxides, thereby leading to the great (five times or more) improvement of Charpy impact toughness over the conventional steels.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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