Nitriding of iron-based alloys : residual stresses and internal strain fields

Abstract

Different iron-chromium alloys (4, 8, 13 and 20 wt.% Cr) were nitrided in NH3/H2 gas mixtures at 580 ºC. The nitrided microstructure was investigated by X-ray diffraction, light microscopy, hardness measurements and scanning electron microscopy. Composition depth-profiles of the nitrided zone were determined by electron probe microanalysis. Various microstructures develop, depending on the nitriding conditions and the alloy composition (chromium content). The initial development of coherent, sub-microscopical CrN nitrides leads to a state of hydrostatic stress allowing the uptake of excess nitrogen dissolved in the ferrite matrix. It is shown that the outcome of the subsequent discontinuous coarsening process, which leads to a lamellar microstructure, has a close relation to the nitrogen supersaturation. As a result, the occurrence of a distinct gradient in hardness across the nitrided zone can be understood. Residual stress-depth profiles of the nitrided specimens were measured using the (X-ray) diffraction sin^2 (psi) method in combination with cumulative sublayer removals and correction for corresponding stress relaxations. Unusual, nonmonotonous changes of stress with depth could be related to the microstructure of the nitrided zone. A model description of the evolution of the residual stress as function of depth and nitriding time is given. Specimens of Fe-2.23 at.% V alloy were nitrided in a NH3/H2 gas mixture at 580 ºC. The nitrided microstructure was investigated by X-ray diffraction, and (conventional and high resolution) transmission electron microscopy. For specimens homogeneously nitrided during relatively short times no separate VN reflections developed but instead sidebands associated with ferrite reflections, most pronouncedly for the Fe-200 reflection, appeared. The diffractograms measured for the different specimens were interpreted as the result of coherent diffraction of the nitride platelets with the surrounding ferrite matrix, which is tetragonally distorted: the distorted ferrite matrix and the nitride platelets are represented by a single b.c.t. lattice, whereas the remaining part of the ferrite is described by a b.c.c. lattice. Analysis of the microstructure of the nitrided specimens using high resolution transmission electron microscopy investigations confirmed the existence of very tiny VN platelets, coherent with the surrounding matrix. Annealing at elevated temperatures (up to 750 ºC) after nitriding led to (moderate) coarsening of the nitride precipitates. The coarsening is associated with the occurrence of local disruptions/bending of lattice planes in the VN platelet. This effect causes that the VN platelets appear segmented in the diffraction contrast images. The specific changes in the X-ray diffractograms, as function of the stage of aging, could be consistently described as consequence of the transition from coherent to incoherent diffraction of the nitride platelets with reference to the surrounding ferrite matrix.

Verschiedene Eisen-Chrom Legierungen (4, 8, 13 und 20 Gew.% Cr) wurden in einer NH3/H2 Gasmischung bei 580 ºC nitriert. Das nitrierte Gefüge wurde durch Röntgendiffraktometrie, lichtoptische Mikroskopie, Härtemessung und Rasterelektronikmikroskopie untersucht. Konzentrationstiefenprofile wurden durch Elektronenstrahlmikroanalyse gemessen. Verschiedene Gefüge bildeten sich in Abhängigkeit von den Nitrierparametern und der Zusammensetzung der Legierungen (insbesondere des Chromgehaltes). Die Bildung von kohärenten CrN Ausscheidungen im Anfangsstadium des Nitrierens führte zu einem hydrostatischen Spannungszustand. Die Präsenz des hydrostatischen Spannungszustandes ermöglichte die Aufnahme von Überschussstickstoff in der Eisenmatrix. Es konnte gezeigt werden, dass der diskontinuierliche Vergröberungsprozess, welcher in einer lamellaren Ausscheidungsmorphologie resultiert, mit der Stickstoffübersättigung zusammenhängt. Hierdurch kann das Auftreten eines Härtegradienten quer durch die Nitrierschicht erklärt werden. Spannungstiefenprofile der nitrierten Proben wurden mit der sin^2 (psi) Methode (mittels Röntgendiffraktometrie), zusammen mit Teilschichtabnahme und den entsprechenden Korrekturen (Berücksichtigung der Spannungserholung), durchgeführt. Ungewöhnliche, nicht monotone Änderungen der Eigenspannung, in Abhängigkeit der Schichttiefe, konnten mit dem Gefüge und der Nitrierschicht in Beziehung gesetzt und somit erklärt werden. Eine Beschreibung der Entwicklung der Eigenspannung in Abhängigkeit der Schichttiefe wird vorgeschlagen. Proben bestehend aus Fe-2.23 At.% V - Legierungen wurden in einer NH3/H2 Gasmischung bei 580 ºC nitriert. Das nitrierte Gefüge wurde mittels Röntgendiffraktometrie und (mit konventionelle und hochauflösende) Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Bei Proben mit relativ kurzer Nitrierzeit konnten keine separaten VN Reflexe in den Röntgendiffraktogrammen beobachtet werden. Neben den Reflexen der Eisenmatrix konnten sogenannte „Sidebands“ beobachtet werden. Diese „Sidebands“ treten in Verbindung mit den Reflexen der Eisenmatrix auf (insbesondere in Verbindung mit dem Fe-200 Reflex). Die aufgenommenen Röntgendiffraktogramme werden als Resultat der kohärenten Diffraktion der VN Plättchen mit der tetragonal verzerrten, umliegenden ferritischen Matrix, interpretiert: die tetragonal verzerrte, ferritische Matrix und die Nitridplättchen werden durch ein k.r.z. Gitter dargestellt, während der übrige Teil der Eisenmatrix durch ein t.r.z. Gitter beschrieben wird. Die Untersuchung des Gefüges mittels hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie hat das Bestehen von extrem kleinen VN Plättchen bestätig; diese Plättchen sind kohärent mit der ferritischen Matrix. Das Glühen bei relativ hohen Temperaturen (bis 750 ºC) nach dem Nitrieren, führt zu einer moderaten Vergröberung der Plättchen. Die Vergröberung steht im Zusammenhang mit Gitterstörungen in den VN Plättchen. Dieser Effekt verursacht die segmentierte Erscheinung der Plättchen in den Dunkelfeldbildern. Die spezifischen Veränderungen in den Röntgendiffraktogrammen, als Funktion der Alterung, können als Folge des Übergangs von kohärenter nach inkohärent Diffraktion der Nitridplättchen, bezüglich der umliegenden ferritischen Matrix, aufgefasst werden.