Dependence of deformation behavior on grain size and strain rate in an ultrahigh strength-ductile Mn-based TRIP alloy

A novel ultra-high strength TRIP (transformation induced plasticity) steel, with ~1.5. GPa strength and good ductility of ~26% has been produced. The microstructure consists of ultrafine ferrite, and a large volume fraction of austenite. The flow stress was significantly increased by a reduction in the grain size, but the effect of strain rate on the flow stress was negligible. The formation of stress induced martensite was found to increase linearly with strain, and a reduction in the grain size correlated with an increase in the stress required to form the martensite.

The role of thermomechanical routes on the distribution of grain boundary and interface plane orientations in transformed microstructures

In the current study, a series of thermomechanical routes were used to produce different microstructures (i.e., ferrite and martensite) in low-carbon low alloy steels. The five-parameter grain boundary character distribution was measured for all microstructures. The thermomechanical processing route altered the texture of the fully ferritic microstructure and significantly influenced the anisotropy of the grain boundary character distribution. Generally, the population of (111) planes increased with an increase in the γ-fiber texture for the ferritic microstructure, but it did not change the shape of the grain boundary plane distribution at specific misorientations. The most commonly observed boundaries in the fully ferritic structures produced through different routes were {112} symmetric tilt boundaries with the Σ3 = 60 deg/[111] misorientation; this boundary also had a low energy. However, the grain boundary plane distribution was significantly changed by the phase transformation path (i.e., ferrite vs martensite) for a given misorientation. In the martensitic steel, the most populous Σ3 boundary was the {110} symmetric tilt boundary. This results from the crystallographic constraints associated with the shear transformation (i.e., martensite) rather than the low-energy interface that dominates in the diffusional phase transformation (i.e., ferrite).

In situ synchrotron X-ray diffraction studies of the effect of microstructure on tensile behavior and retained austenite stability of thermo-mechanically processed transformation induced plasticity steel

Transmission electron microscopy and in situ synchrotron high-energy X-ray diffraction were used to investigate the martensitic transformation and lattice strains under uniaxial tensile loading of Fe-Mn-Si-C-Nb-Mo-Al Transformation Induced Plasticity (TRIP) steel subjected to different thermo-mechanical processing schedules. In contrast with most of the diffraction analysis of TRIP steels reported previously, the diffraction peaks from the martensite phase were separated from the peaks of the ferrite-bainite α-matrix. The volume fraction of retained γ-austenite, as well as the lattice strain, were determined from the diffraction patterns recorded during tensile deformation. Although significant austenite to martensite transformation starts around the macroscopic yield stress, some austenite grains had already experienced martensitic transformation. Hooke's Law was used to calculate the phase stress of each phase from their lattice strain. The ferrite-bainite α-matrix was observed to yield earlier than austenite and martensite. The discrepancy between integrated phase stresses and experimental macroscopic stress is about 300 MPa. A small increase in carbon concentration in retained austenite at the early stage of deformation was detected, but with further straining a continuous slight decrease in carbon content occurred, indicating that mechanical stability factors, such as grain size, morphology and orientation of the retained austenite, played an important role during the retained austenite to martensite transformation.

Effect of coiling treatment on microstructural development and precipitate strengthening of a strip cast steel

The effect of a simulated coiling treatment on a strip cast Nb-containing steel has been investigated. A lath ferritic supersaturated microstructure was observed in the as-cast condition with no coiling. The microstructure remained lath like during coiling at high temperature (850 °C) and the formation of chemically complex Nb-rich precipitates containing C, N, Si and S was observed. Coiling at an intermediate temperature (700 °C) caused the formation of polygonal ferrite with a dendritic morphology due to chemical micro-segregation. The polygonal ferrite contained Nb(C,N) precipitates. The microstructure remained lath like at the lowest coiling temperature (600 °C). In the latter case the precipitation of Nb-rich clusters was observed, and atom probe tomography revealed them to be ∼85% Fe. Small angle neutron scattering and transmission electron microscopy were used to quantify precipitation kinetics during coiling and the mechanical properties were evaluated with a shear punch apparatus. A yield strength model was developed to describe the observed mechanical behaviour, and this showed that the two largest contributors to strength were the bainitic microstructure and the Nb-rich precipitates. Strategies to further strengthen these materials are suggested.

The impact of retained austenite characteristics on the two-body abrasive wear behavior of ultrahigh strength bainitic steels

In the current study, a high-carbon, high-alloy steel (0.79 pct C, 1.5 pct Si, 1.98 pct Mn, 0.98 pct Cr, 0.24 pct Mo, 1.06 pct Al, and 1.58 pct Co in wt pct) was subjected to an isothermal bainitic transformation at a temperature range of 473 K to 623 K (200 °C to 350 °C), resulting in different fully bainitic microstructures consisting of bainitic ferrite and retained austenite. With a decrease in the transformation temperature, the microstructure was significantly refined from ~300 nm at 623 K (350 °C) to less than 60 nm at 473 K (200 °C), forming nanostructured bainitic microstructure. In addition, the morphology of retained austenite was progressively altered from film + blocky to an exclusive film morphology with a decrease in the temperature. This resulted in an enhanced wear resistance in nanobainitic microstructures formed at low transformation temperature, e.g., 473 K (200 °C). Meanwhile, it gradually deteriorated with an increase in the phase transformation temperature. This was mostly attributed to the retained austenite characteristics (i.e., thin film vs blocky), which significantly altered their mechanical stability. The presence of blocky retained austenite at high transformation temperature, e.g., 623 K (350 °C) resulted in an early onset of TRIPing phenomenon during abrasion. This led to the formation of coarse martensite with irregular morphology, which is more vulnerable to crack initiation and propagation than that of martensite formed from the thin film austenite, e.g., 473 K (200 °C). This resulted in a pronounced material loss for the fully bainitic microstructures transformed at high temperature, e.g., 623 K (350 °C), leading to distinct sub-surface layer and friction coefficient curve characteristics. A comparison of the abrasive behavior of the fully bainitic microstructure formed at 623 K (350 °C) and fully pearlitic microstructure demonstrated a detrimental effect of blocky retained austenite with low mechanical stability on the two-body abrasion.

Vanadium microalloying for ultra-high strength steel sheet treated by hot-dip metallising

Ultra-high strength steel sheets have been subjected to heat treatments that simulate the thermal cycles in hot-dip galvanising and galvannealing processes and evaluated with respect to their resulting mechanical properties and microstructures. The steels contained suitable contents of carbon (∼0.2%), manganese (1.2%) and chromium (0.4%) to ensure that they could be fully transformed to martensite after austenitisation followed by rapid cooling in a continuous annealing line, prior to galvanising. Different contents of vanadium (0–0.1%) and nitrogen (0.002–0.012%) were used to investigate the possible role of these microalloying elements on the strength of the tempered martensite. Vanadium, especially when in combination with a raised nitrogen content, helps to resist the effect of tempering so that a larger proportion of the initial strengthening is preserved after the galvanising cycle, giving tensile strength levels exceeding 1000 MPa. Different deoxidation practices using aluminium or silicon have also been included. These showed similar strength levels at corresponding carbon contents but the bendability of the Si-killed steel sheet was considerably superior. Microstructural examinations have been made on the annealed steels but the reason for the beneficial effect of vanadium is still not fully explained. It is concluded that microalloying with vanadium is a very promising approach in the development of corrosion-resistant ultra-high strength steel sheet products.

Identification of patients at risk of poor outcomes following hip or knee arthroplasty

Les arthroplasties totales de la hanche (ATH) et du genou (ATG) sont souvent offertes aux patients atteints de dégénérescence articulaire sévère. Bien qu’efficace chez la majorité des patients, ces interventions mènent à des résultats sous-optimaux dans de nombreux cas. Il demeure difficile d’identifier les patients à risque de résultats sous-optimaux à l’heure actuelle. L’identification de ces patients avant la chirurgie pourrait permettre d’optimiser la gamme de soins et de services offerts et de possiblement améliorer les résultats de leur chirurgie. Ce mémoire a comme objectifs : 1) de réaliser une revue systématique des déterminants associés à la douleur et aux incapacités fonctionnelles rapportées par les patients à moyen-terme suivant ces deux types d’arthroplastie et 2) de développer des modèles de prédiction clinique permettant l’identification des patients à risque de mauvais résultats en terme de douleur et d’incapacités fonctionnelles suivant l’ATH et l’ATG. Une revue systématique de la littérature identifiant les déterminants de la douleur et de la fonction suivant l’ATH et l’ATG a été réalisée dans quatre bases de données jusqu’en avril 2015 et octobre 2014, respectivement. Afin de développer un algorithme de prédiction pouvant identifier les patients à risque de résultats sous-optimaux, nous avons aussi utilisé des données rétrospectives provenant de 265 patients ayant subi une ATH à l’Hôpital Maisonneuve-Rosemont (HMR) de 2004 à 2010. Finalement, des données prospectives sur 141 patients recrutés au moment de leur inclusion sur une liste d’attente pour une ATG dans trois hôpitaux universitaires à Québec, Canada et suivis jusqu’à six mois après la chirurgie ont permis l’élaboration d’une règle de prédiction clinique permettant l’identification des patients à risque de mauvais résultats en terme de douleur et d’incapacités fonctionnelles. Vingt-deux (22) études d’une qualité méthodologique moyenne à excellente ont été incluses dans la revue. Les principaux déterminants de douleur et d’incapacités fonctionnelles après l’ATH incluaient: le niveau préopératoire de douleur et de fonction, un indice de la masse corporelle plus élevé, des comorbidités médicales plus importantes, un état de santé générale diminué, une scolarité plus faible, une arthrose radiographique moins sévère et la présence d’arthrose à la hanche controlatérale. Trente-quatre (34) études évaluant les déterminants de douleur et d’incapacités fonctionnelles après l’ATG avec une qualité méthodologique moyenne à excellente ont été évaluées et les déterminants suivant ont été identifiés: le niveau préopératoire de douleur et de fonction, des comorbidités médicales plus importantes, un état de santé générale diminué, un plus grands niveau d’anxiété et/ou de symptômes dépressifs, la présence de douleur au dos, plus de pensées catastrophiques ou un faible niveau socioéconomique. Pour la création d’une règle de prédiction clinique, un algorithme préliminaire composé de l’âge, du sexe, de l’indice de masse corporelle ainsi que de trois questions du WOMAC préopératoire a permis l’identification des patients à risque de résultats chirurgicaux sous-optimaux (pire quartile du WOMAC postopératoire et percevant leur hanche opérée comme artificielle avec des limitations fonctionnelles mineures ou majeures) à une durée moyenne ±écart type de 446±171 jours après une ATH avec une sensibilité de 75.0% (95% IC: 59.8 – 85.8), une spécificité de 77.8% (95% IC: 71.9 – 82.7) et un rapport de vraisemblance positif de 3.38 (98% IC: 2.49 – 4.57). Une règle de prédiction clinique formée de cinq items du questionnaire WOMAC préopratoire a permis l’identification des patients en attente d’une ATG à risque de mauvais résultats (pire quintile du WOMAC postopératoire) six mois après l’ATG avec une sensibilité de 82.1 % (95% IC: 66.7 – 95.8), une spécificité de 71.7% (95% IC: 62.8 – 79.8) et un rapport de vraisemblance positif de 2.9 (95% IC: 1.8 – 4.7). Les résultats de ce mémoire ont permis d’identifier, à partir de la littérature, une liste de déterminants de douleur et d’incapacités fonctionnelles après l’ATH et l’ATG avec le plus haut niveau d’évidence à ce jour. De plus, deux modèles de prédiction avec de très bonnes capacités prédictives ont été développés afin d’identifier les patients à risque de mauvais résultats chirurgicaux après l’ATH et l’ATG. L’identification de ces patients avant la chirurgie pourrait permettre d’optimiser leur prise en charge et de possiblement améliorer les résultats de leur chirurgie.

Identification of patients at risk of poor outcomes following hip or knee arthroplasty

Les arthroplasties totales de la hanche (ATH) et du genou (ATG) sont souvent offertes aux patients atteints de dégénérescence articulaire sévère. Bien qu’efficace chez la majorité des patients, ces interventions mènent à des résultats sous-optimaux dans de nombreux cas. Il demeure difficile d’identifier les patients à risque de résultats sous-optimaux à l’heure actuelle. L’identification de ces patients avant la chirurgie pourrait permettre d’optimiser la gamme de soins et de services offerts et de possiblement améliorer les résultats de leur chirurgie. Ce mémoire a comme objectifs : 1) de réaliser une revue systématique des déterminants associés à la douleur et aux incapacités fonctionnelles rapportées par les patients à moyen-terme suivant ces deux types d’arthroplastie et 2) de développer des modèles de prédiction clinique permettant l’identification des patients à risque de mauvais résultats en terme de douleur et d’incapacités fonctionnelles suivant l’ATH et l’ATG. Une revue systématique de la littérature identifiant les déterminants de la douleur et de la fonction suivant l’ATH et l’ATG a été réalisée dans quatre bases de données jusqu’en avril 2015 et octobre 2014, respectivement. Afin de développer un algorithme de prédiction pouvant identifier les patients à risque de résultats sous-optimaux, nous avons aussi utilisé des données rétrospectives provenant de 265 patients ayant subi une ATH à l’Hôpital Maisonneuve-Rosemont (HMR) de 2004 à 2010. Finalement, des données prospectives sur 141 patients recrutés au moment de leur inclusion sur une liste d’attente pour une ATG dans trois hôpitaux universitaires à Québec, Canada et suivis jusqu’à six mois après la chirurgie ont permis l’élaboration d’une règle de prédiction clinique permettant l’identification des patients à risque de mauvais résultats en terme de douleur et d’incapacités fonctionnelles. Vingt-deux (22) études d’une qualité méthodologique moyenne à excellente ont été incluses dans la revue. Les principaux déterminants de douleur et d’incapacités fonctionnelles après l’ATH incluaient: le niveau préopératoire de douleur et de fonction, un indice de la masse corporelle plus élevé, des comorbidités médicales plus importantes, un état de santé générale diminué, une scolarité plus faible, une arthrose radiographique moins sévère et la présence d’arthrose à la hanche controlatérale. Trente-quatre (34) études évaluant les déterminants de douleur et d’incapacités fonctionnelles après l’ATG avec une qualité méthodologique moyenne à excellente ont été évaluées et les déterminants suivant ont été identifiés: le niveau préopératoire de douleur et de fonction, des comorbidités médicales plus importantes, un état de santé générale diminué, un plus grands niveau d’anxiété et/ou de symptômes dépressifs, la présence de douleur au dos, plus de pensées catastrophiques ou un faible niveau socioéconomique. Pour la création d’une règle de prédiction clinique, un algorithme préliminaire composé de l’âge, du sexe, de l’indice de masse corporelle ainsi que de trois questions du WOMAC préopératoire a permis l’identification des patients à risque de résultats chirurgicaux sous-optimaux (pire quartile du WOMAC postopératoire et percevant leur hanche opérée comme artificielle avec des limitations fonctionnelles mineures ou majeures) à une durée moyenne ±écart type de 446±171 jours après une ATH avec une sensibilité de 75.0% (95% IC: 59.8 – 85.8), une spécificité de 77.8% (95% IC: 71.9 – 82.7) et un rapport de vraisemblance positif de 3.38 (98% IC: 2.49 – 4.57). Une règle de prédiction clinique formée de cinq items du questionnaire WOMAC préopratoire a permis l’identification des patients en attente d’une ATG à risque de mauvais résultats (pire quintile du WOMAC postopératoire) six mois après l’ATG avec une sensibilité de 82.1 % (95% IC: 66.7 – 95.8), une spécificité de 71.7% (95% IC: 62.8 – 79.8) et un rapport de vraisemblance positif de 2.9 (95% IC: 1.8 – 4.7). Les résultats de ce mémoire ont permis d’identifier, à partir de la littérature, une liste de déterminants de douleur et d’incapacités fonctionnelles après l’ATH et l’ATG avec le plus haut niveau d’évidence à ce jour. De plus, deux modèles de prédiction avec de très bonnes capacités prédictives ont été développés afin d’identifier les patients à risque de mauvais résultats chirurgicaux après l’ATH et l’ATG. L’identification de ces patients avant la chirurgie pourrait permettre d’optimiser leur prise en charge et de possiblement améliorer les résultats de leur chirurgie.

Premature thermal fatigue failure of aluminium injection dies with duplex surface treatment

The premature failure of an aluminium injection die with a duplex surface treatment (plasma nitriding and physical vapor deposition coating) was investigated, in an effort to identify the causes of such premature failure of the component. The manufacturing and the operating conditions were documented. Analytical tools were used, including scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray capability, X-ray diffraction, and instrumented microhardness testing. Preliminary observations showed a microstructure of coarse tempered martensite, and a considerably rough surface with porosity and cracks. A detailed analysis of crack initiation sites identified sulfur inclusions in the subsurface, underneath the coating. A further revision of the processing conditions revealed that a sulfur-impregnated grinding stone had been used to polish the die. The chemical composition of such grinding stone matched that of the inclusions found in the subsurface of the failed component. Thus, searched causes of premature failure could be discussed on the lights of the present findings.