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

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 Gefuge wurde durch Rontgendiffraktometrie, lichtoptische Mikroskopie, Hartemessung und Rasterelektronikmikroskopie untersucht. Konzentrationstiefenprofile wurden durch Elektronenstrahlmikroanalyse gemessen. Verschiedene Gefuge bildeten sich in Abhangigkeit von den Nitrierparametern und der Zusammensetzung der Legierungen (insbesondere des Chromgehaltes). Die Bildung von koharenten CrN Ausscheidungen im Anfangsstadium des Nitrierens fuhrte zu einem hydrostatischen Spannungszustand. Die Prasenz des hydrostatischen Spannungszustandes ermoglichte die Aufnahme von Uberschussstickstoff in der Eisenmatrix. Es konnte gezeigt werden, dass der diskontinuierliche Vergroberungsprozess, welcher in einer lamellaren Ausscheidungsmorphologie resultiert, mit der Stickstoffubersattigung zusammenhangt. Hierdurch kann das Auftreten eines Hartegradienten quer durch die Nitrierschicht erklart werden. Spannungstiefenprofile der nitrierten Proben wurden mit der sin^2 (psi) Methode (mittels Rontgendiffraktometrie), zusammen mit Teilschichtabnahme und den entsprechenden Korrekturen (Berucksichtigung der Spannungserholung), durchgefuhrt. Ungewohnliche, nicht monotone Anderungen der Eigenspannung, in Abhangigkeit der Schichttiefe, konnten mit dem Gefuge und der Nitrierschicht in Beziehung gesetzt und somit erklart werden. Eine Beschreibung der Entwicklung der Eigenspannung in Abhangigkeit 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 Gefuge wurde mittels Rontgendiffraktometrie und (mit konventionelle und hochauflosende) Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Bei Proben mit relativ kurzer Nitrierzeit konnten keine separaten VN Reflexe in den Rontgendiffraktogrammen 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 Rontgendiffraktogramme werden als Resultat der koharenten Diffraktion der VN Plattchen mit der tetragonal verzerrten, umliegenden ferritischen Matrix, interpretiert: die tetragonal verzerrte, ferritische Matrix und die Nitridplattchen werden durch ein k.r.z. Gitter dargestellt, wahrend der ubrige Teil der Eisenmatrix durch ein t.r.z. Gitter beschrieben wird. Die Untersuchung des Gefuges mittels hochauflosende Transmissionselektronenmikroskopie hat das Bestehen von extrem kleinen VN Plattchen bestatig; diese Plattchen sind koharent mit der ferritischen Matrix. Das Gluhen bei relativ hohen Temperaturen (bis 750 oC) nach dem Nitrieren, fuhrt zu einer moderaten Vergroberung der Plattchen. Die Vergroberung steht im Zusammenhang mit Gitterstorungen in den VN Plattchen. Dieser Effekt verursacht die segmentierte Erscheinung der Plattchen in den Dunkelfeldbildern. Die spezifischen Veranderungen in den Rontgendiffraktogrammen, als Funktion der Alterung, konnen als Folge des Ubergangs von koharenter nach inkoharent Diffraktion der Nitridplattchen, bezuglich der umliegenden ferritischen Matrix, aufgefasst werden.