Influence of grain refiner treatment on the fatigue behaviour of Hadfield steels for machinery applications
Torniainen, Julius (2026)
Diplomityö
2026
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20260617100074
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20260617100074
Tiivistelmä
This thesis investigates how the addition of Grain Refiner (GR) affects the properties of Hadfield steel. The study focused on changes in microstructure, microhardness, and cyclic fatigue life. X-ray diffraction, optical microscopy (OM), SEM-EDS analysis, Vickers hardness testing, and tension-tension cyclic fatigue testing with 3D Digital Image Correlation (DIC) were used to evaluate the influence.
According to the results, the GR treatment did not lead to grain refinement as expected. Instead, the average grain size increased from 260.02 μm in N1 to 374.29 μm and 392.36 μm in N2 and N3, respectively. SEM-EDS analysis revealed that cerium-containing particles attached to existing iron-manganese oxides instead of forming new nucleation sites. This promoted grain growth and reduced hardness in accordance with the Hall–Petch relationship.
Under constant-amplitude cyclic loading, sample N2 exhibited a longer high-cycle fatigue (HCF) life than the reference material. However, at higher stress levels, close to the low-cycle fatigue (LCF) regime, sample N1 performed slightly better. Coarser austenite grains in the modified samples led to more localized plastic deformation, observed as multiple DIC strain hotspots across the gauge section. Cerium-rich particle clusters were also associated with secondary crack formation and earlier final fracture. Tässä diplomityössä arvioidaan rakeen hienontajan (Grain refiner, GR) lisäyksen vaikutusta Hadfield-teräksen ominaisuuksiin. Tutkimuksessa tarkastellaan mikrorakenteen, mikrokovuuden ja syklisen väsymiskäyttäytymisen muutoksia röntgendiffraktion, optisen mikroskopian (OM), pyyhkäisyelektronimikroskopian (SEM-EDS), Vickers-kovuuskokeen sekä veto-veto-syklisen kuormituskokeen ja 3D digital Image Correlation (DIC) -menetelmän avulla.
Kokeelliset tulokset osoittivat, että GR-käsittely ei hienontanut raerakennetta odotetusti. Austeniittiraekoko kasvoi 260,02 μm:stä (N1) arvoihin 374,29 μm ja 392,36 μm (N2 ja N3). SEM-EDS analyysin perusteella ceriumia sisältävät partikkelit kiinnittyivät olemassa oleviin rauta-manganioksideihin sen sijaan, että ne olisivat muodostaneet uusia ydintymiskeskuksia. Tämä edisti rakeiden kasvua ja alensi kovuutta hall-petch-suhteen mukaisesti.
Vakioamplitudisessa syklisessä kuormituksessa näyte N2 saavutti pidemmän väsymisiän suurisyklisessä kuormituksessa kuin vertailunäyte. Korkeammilla jännitystasoilla, lähellä pienisyklistä väsymisaluetta (LCF), näyte N1 suoriutui kuitenkin hieman paremmin. Karkeammat austeniittirakeet GR-käsitellyissä näytteissä johtivat paikallisempaan plastiseen muodonmuutokseen, mikä näkyi useina DIC-menetelmällä havaittuina venymäkeskittyminä. Ceriumrikkaat partikkelikasautumat liittyivät myös sekundaaristen säröjen muodostumiseen ja aikaisempaan murtumiseen.
According to the results, the GR treatment did not lead to grain refinement as expected. Instead, the average grain size increased from 260.02 μm in N1 to 374.29 μm and 392.36 μm in N2 and N3, respectively. SEM-EDS analysis revealed that cerium-containing particles attached to existing iron-manganese oxides instead of forming new nucleation sites. This promoted grain growth and reduced hardness in accordance with the Hall–Petch relationship.
Under constant-amplitude cyclic loading, sample N2 exhibited a longer high-cycle fatigue (HCF) life than the reference material. However, at higher stress levels, close to the low-cycle fatigue (LCF) regime, sample N1 performed slightly better. Coarser austenite grains in the modified samples led to more localized plastic deformation, observed as multiple DIC strain hotspots across the gauge section. Cerium-rich particle clusters were also associated with secondary crack formation and earlier final fracture.
Kokeelliset tulokset osoittivat, että GR-käsittely ei hienontanut raerakennetta odotetusti. Austeniittiraekoko kasvoi 260,02 μm:stä (N1) arvoihin 374,29 μm ja 392,36 μm (N2 ja N3). SEM-EDS analyysin perusteella ceriumia sisältävät partikkelit kiinnittyivät olemassa oleviin rauta-manganioksideihin sen sijaan, että ne olisivat muodostaneet uusia ydintymiskeskuksia. Tämä edisti rakeiden kasvua ja alensi kovuutta hall-petch-suhteen mukaisesti.
Vakioamplitudisessa syklisessä kuormituksessa näyte N2 saavutti pidemmän väsymisiän suurisyklisessä kuormituksessa kuin vertailunäyte. Korkeammilla jännitystasoilla, lähellä pienisyklistä väsymisaluetta (LCF), näyte N1 suoriutui kuitenkin hieman paremmin. Karkeammat austeniittirakeet GR-käsitellyissä näytteissä johtivat paikallisempaan plastiseen muodonmuutokseen, mikä näkyi useina DIC-menetelmällä havaittuina venymäkeskittyminä. Ceriumrikkaat partikkelikasautumat liittyivät myös sekundaaristen säröjen muodostumiseen ja aikaisempaan murtumiseen.