The dynamic transformation (DT) of austenite to ferrite above the Ae3 temperature was studied in a plain C-Mn and a Nb microalloyed steel. Compression and torsion tests were carried out over the temperature range 880 °C to 1350 °C applied at a strain rate of 1 s⁻¹. The deformation temperatures were all above the ortho and para-equilibrium Ae3 transformation temperatures. These experiments were performed in a 95%Ar - 5%H2 atmosphere (on the MTS machines) and in a vacuum (Gleeble 3800 system), and all the samples were water quenched immediately after straining. In this work, the optical and electron microscopy images provided evidence of the presence of dynamically formed ferrite plates. These plates have near identical orientations and coalesce into polygonal grains upon continued straining.

The occurrence of dynamic transformation is explained here by introducing the concept of transformation softening. The net softening during transformation is considered as the driving force for the phase change. This is given by the difference between the flow stress of the work hardened austenite at the critical strain and the yield stress of the fresh Widmanstätten ferrite that takes its place. The latter is estimated from hardness data. The obstacle to the transformation consists of three parts:​ i) the Gibbs energy difference between austenite and Widmanstätten ferrite, ii) the shear accommodation work that is imposed on the neighborhood by the transformation, and iii) the dilatation work associated with making room for the lower density ferrite. This approach was validated using test results on a plain C-Mn steel compressed at temperatures well above the Ae3. It is shown in this way that DT ferrite can be formed at any temperature within the austenite phase field. These observations are consistent with the calculated Gibbs energy difference between the austenite and ferrite, which displays a peak approximately midway between the Ae3 and the delta ferrite formation temperature.

The present thermodynamic analysis can also be used to determine the effect of alloying element addition. In order to assess the effects of Mn and Si addition on the transformation, the high temperature flow stress data obtained by Wray (1984) by means of tensile tests on four Fe-Mn-Si alloys were employed to identify how these alloying additions affect the driving and opposing forces. The present model shows that the addition of Mn increases both the driving force for transformation as well as the energy barrier to ferrite formation. Conversely, while Si addition increases the driving force, it simultaneously decreases the free energy obstacle to the transformation. This then increases the temperature range over which DT can take place.

Torsion simulations of strip rolling were performed on a C-Mn and a Nb microalloyed steel to determine the effect of DT on the rolling load. Pass strains of 0.4 were applied at a strain rate of 1 s⁻¹ with interpass times in the range 0.5s to 5s. For additional realism, simulations were carried out under both isothermal and continuous cooling conditions. It was observed that the flow stress levels and MFS’s decrease significantly during the simulations. This softening is associated with the formation of ferrite. Optical microscopy revealed that the volume fraction of DT ferrite increased continuously from pass to pass. The fraction of DT ferrite formed and retained was significantly higher when short interpass times were employed. When long intervals were used, the ferrite tends to retransform back into austenite. These observations indicate that the dynamic transformation of ferrite occurs displacively while the retransformation back into austenite takes place by a diffusional mechanism. The nucleation and growth of the ferrite reduce the rolling load and modify the microstructure. Comparison of the behaviors of the C-Mn and Nb steels indicates that Nb addition retards both the forward as well as the reverse transformation.

La transformation dynamique (TD) de l’austénite en ferrite au-dessus de la température Ae3 a été étudiée dans un alliage microallié au Nb et dans un acier au C-Mn. Des essais de torsion et de compression ont été réalisés pour une gamme de températures allant de 880°C à 1350°C avec une vitesse de déformation de 1 s⁻¹. Les températures de déformation étaient toutes audessus de la température Ae3. Ces expériences ont été réalisées sous une atmosphère de composition 95%Ar - 5%H2 (dans une machine MTS) et sous vide (dans une machine Gleeble 3800), et l’ensemble des éprouvettes ont été trempées à l’eau immédiatement après la fin de la déformation. Dans ce travail, les observations au microscope optique et électronique fournissent la preuve de la présence de plaques de ferrite formées dynamiquement. Ces plaques ont des orientations presque identiques et se transforment en grains polygonaux pendant la déformation.

La présence de la transformation dynamique est expliquée en introduisant le concept de la transformation par adoucissement. L’adoucissement présent lors de la transformation est considéré comme la force motrice du changement de phase. Elle provient de la différence entre la contrainte d’écoulement de l’austénite écrouie à la déformation critique et la limite d’élasticité de la nouvelle ferrite de Widmanstätten qui la remplace. La limite d’élasticité est estimée par des essais de dureté. Trois phénomènes s’opposent à cette transformation :​ i) la différence d’énergie de Gibbs entre l’austénite et la ferrite de Widmanstätten, ii) le cisaillement imposé au voisinage de la zone en transformation, iii) la dilatation due à la plus faible densité de la ferrite. Cette approche a été validée en utilisant des résultats de tests de compression sur l’acier C-Mn à des températures supérieures à la température Ae3. Ces résultats montrent que la transformation dynamique de la ferrite dans la phase austénitique peut avoir lieu à n’importe quelle température. Ces observations sont en accord avec les calculs de différence d’énergie de Gibbs entre l’austénite et la ferrite, qui présente un maximum à mi-chemin entre la température Ae3 et la température de formation de la ferrite delta.

Cette analyse thermodynamique peut également être utilisée pour déterminer les effets des éléments d’addition. Wray (1984) a évalué les contraintes d’écoulement à haute température par l’intermédiaire d’essais de traction sur quatre alliages Fe-Mn-Si. Ces résultats sont utilisés pour identifier comment le Mn et le Si impactent les forces motrices et les forces d’opposition. Le modèle montre que l’addition de Mn augmente à la fois la force motrice de la transformation dynamique ainsi que l’énergie d’activation de la formation de la ferrite. Inversement, si l’addition de Si augmente également la force motrice, elle diminue simultanément l’énergie d’activation de la transformation dynamique. Ce qui a pour conséquence d’augmenter la gamme de températures dans laquelle la transformation dynamique peut avoir lieu.

Des simulations de laminage par l’intermédiaire d’essais de torsion ont été réalisées sur des aciers microallié au Nb et au C-Mn afin de déterminer les effets de la transformation dynamique sur la force de laminage. Des passes de déformation de 0,4 ont été appliquées avec une vitesse de déformation de 1 s⁻¹ et entrecoupées par des interpasses sans déformation ayant un temps allant de 0,5 à 5 s. Pour plus de réalisme, des simulations ont été réalisées dans des conditions de refroidissements continus. Il a été observé que les niveaux des contraintes d’écoulement ainsi que la contrainte d’écoulement moyenne diminuent significativement pendant les simulations. Cet adoucissement est associé à la formation de ferrite. Les observations au microscope optique ont révélées que la fraction volumique de ferrite transformée dynamiquement augmente de manière continue à chaque passe. La fraction de ferrite transformée dynamiquement était significativement plus importante lors de temps d’interpasses courts. Lors de longs intervalles de temps, la ferrite a tendance à se transformer à nouveau en austénite. Ces observations indiquent que la transformation dynamique de la ferrite se réalise de manière ‘displacive’, tandis que la transformation de la ferrite en austénite se réalise selon un mécanisme diffusif. La germination et la croissance de la ferrite réduisent la force de laminage et modifient la microstructure. Les comparaisons entre les aciers au C-Mn et au Nb indiquent que l’ajout de Nb retarde aussi bien les deux transformations.