بخشی از مقاله
چکیده
یکی از روشهاي افزایش استحکام در فلزات، کاهش اندازه دانه است و بدلیل اینکه افت چندانی در انعطاف پذیري ایجاد نمی کند، روش مناسبی به شمار می رود. فرآیند ترمومکانیکی پیشرفته شامل نورد سرد و آنیل متعاقب، یکی از مناسبترین راهها براي تولید فولاد فوق ریزدانه و بهبود خواص مکانیکی است. در این پژوهش سعی شده با استفاده از درصدهاي مختلف نورد سرد و آنیل بازگشتی در دماها و زمانهاي مختلف، خواص مکانیکی فولاد Fe-13Cr-10Mn-1Ni بر اساس مکانیزم بازگشت مارتنزیت ناشی از کرنش، بهبود یابد. بدین منظور نمونهها در دو درصد متفاوت 50 و 90 نورد سرد شدند و پس از آنیل در دماي 750œC و مدت زمان 15-1400 ثانیه، خواص مکانیکی آنها مورد مقایسه قرار داده شد. بر اساس نتایج بدست آمده، شرایط رسیدن به حالت بهینه استحکام و انعطافپذیري در هر دو نمونه با درصدهاي متفاوت نورد سرد تعیین گردید.
کلمات کلیدي: استحکام و انعطافپذیري، مارتنزیت ناشی از کرنش، فولاد فوق ریزدانه.
مقدمه
فولادهاي زنگنزن آستنیتی اغلب به دلیل خواص خوردگی و جوشپذیري مناسب جهت کاربردهاي بسیاري مورد استفاده قرار میگیرند ولی یکی از مشکلات این فولادها استحکام تسلیم پایین آنهاست. از جمله روشهاي بهبود استحکام، کاهش اندازه دانه است. طبق رابطه مشهور هال پچ کاهش اندازه دانه در یک ماده پلی کریستال اثرات سودمندي در افزایش استحکام ماده دارد. روشهاي متعددي جهت تولید آزمایشگاهی مواد نانوساختار رواج یافتهاند. اما در این روشها مقدار انعطافپذیري به مقدار قابل قبول نمیرسد و اغلب در مقایسه با مواد دانه درشت کمتر است .[1] از جمله دلایل پایین بودن انعطافپذیري در مواد نانوساختار/فوق ریز دانه، میتوان به ناپایداري پلاستیک اشاره کرد. در دانههاي بسیار ریز، ایجاد دانسیته بالایی از نابجاییها ناممکن است و این امر منجر به کاهش قابل ملاحظهاي در قابلیت کرنش سختی مواد فوق ریز دانه میشود. در سالهاي اخیر تولید فولادهاي پراستحکام که همزمان داراي انعطافپذیري بالایی نیز باشند موضوع تحقیقات بسیاري بودهاست 1]و.[2
روشهاي مختلفی از طرف محققین جهت بهبود انعطافپذیري در مواد نانوساختار ارائه شدهاست. از جمله این روشها استفاده از فرآیندهاي ترمومکانیکی است. در سالهاي اخیر به منظور تولید ساختارهاي فوق ریز دانه در آلیاژهاي آستنیتی نیمه پایدار، توجه ویژهاي به روش استحاله مارتنزیتی در اثر کرنش و استحاله بازگشت آن که به اختصار به آن فرآیند SIMRT گفته میشود، معطوف شدهاست .[3] فولادهاي نانوساختار/فوق ریز دانه به دست آمده از فرآیندSIMRT داکتیلیته مناسبی از خود نشان میدهند و کرنشسختی خوبی دارند. این فرآیند بر روي فولادهاي آستنیتی نیمه پایدار انجام میشود و در آن طی انجام کار سرد بر روي فولاد نیمه پایدار، ساختار آستنیتی با شبکه کریستالی fcc به مارتنزیت - - با شبکه کریستالی bcc تبدیل میشود. در اثر ادامه کارسرد ساختار تماماً مارتنزیتی شده و لایههاي مارتنزیت به وجود آمده شکسته میشوند. پس از انجام درصد بالایی از کارسرد، آنیل بازگشتی بر روي نمونهها انجام میشود و سبب استحاله بازگشت مارتنزیت - - به آستنیت نانو ساختار/فوق ریز دانه میگردد.
فرآیند SIMRT بر روي آلیاژهاي آستنیتی متعددي مورد بررسی قرار گرفته است. مانند آلیاژهاي سري [4] 200، سري[5] 300 و آلیاژهاي سهتایی .[6] Fe-Cr -Ni با این وجود همچنان افت شدید انعطافپذیري و سختی یکی از چالشهاي اصلی در این رابطه است. بر این اساس در این پژوهش سعی شده با مقایسه شرایطی مثل درصد نورد سرد و دما و زمان آنیل، شرایط بهینه فرآیند ترمومکانیکی جهت حصول ساختار فوق ریز دانه در این فولاد تعیین گردید.
روش تحقیق
ترکیب شیمیایی فولاد به کار رفته در این تحقیق در جدول 1 نشان داده شدهاست. در ابتدا به منظور انحلال کاربیدها و فاز مضر فریت دلتا عملیات آنیل انحلالی به مدت 150 دقیقه در دماي 1200œC انجام گرفت. سپس عملیات ترمومکانیکی شامل نورد سرد و آنیل بر روي نمونههاي آماده شده اعمال گردید. در این پژوهش نورد سرد نمونهها با ضخامت اولیه 12 میلیمتر توسط دستگاه نورد دو غلتکی نوع 2/4 RM-125D انجام شد. به منظور بررسی تأثیر درصد نورد سرد، نمونهها در مقادیر %50 و %90 تحت نورد سرد قرار گرفتند و نهایتاً در دماي 750œC و زمانهاي 60-1200 ثانیه، به منظور بازگشت مارتنزیت به آستنیت تحت عملیات آنیل بازگشت قرار گرفتند. میزان مارتنزیت در نمونههاي نورد شده و نمونههاي آنیل شده بوسیله دستگاه فریتوسکوپ مدل FMP30E-S ساخت شرکت Fisher آلمان اندازهگیري شد. نمونههاي آزمون کشش براساس استاندارد ASTM-E8 تهیه شدند و با دستگاه Hounsfield با سرعت فک 2 mm/min انجام شد. همچنین جهت بررسی ساختار نمونهها میکروسکوپ نوري و میکروسکوپ SEM-TKD مورد استفاده قرارگرفت.
نتایج و بحث
نمونههاي آنیل انحلالی شده به عنوان نمونههاي اولیه جهت انجام فرآیند نورد سرد مورد استفاده قرار گرفتند. شکل 1 منحنی تغییرات میزان تشکیل مارتنزیت ناشی از کرنش را بر حسب درصد کاهش ضخامت، در کرنش اعمالی در دماي محیط و نرخ کرنش ثابت در فولاد زنگنزن کم نیکل مورد تحقیق نشان میدهد. در %50 کاهش ضخامت، فولاد کاملاً ساختار مارتنزیتی داشته و در ضمن حداقل میزان نورد سردي است که میتوان ساختارتماماً مارتنزیتی بدست آورد. با ادامه فرآیند تغییر شکل تا %90 نورد سرد، مقدار مارتنزیت تغییر چندانی نداشته و فقط دچار تغییر شکل میشود.
اثر دما و زمان آنیل بازگشتی بر روي رفتار بازگشت مارتنزیت ناشی از کرنش در نمونه با %50 و %90 نورد سرد در شکل 2 براي آنیل در دماي 750œC ارائه شدهاست. براي درك اثر درصد نورد سرد بر نرخ بازگشت، تحت شرایط ثابت دماي آنیل، دو نمونه با درصد نورد مختلف با یکدیگر مورد مقایسه قرار گرفتند. در دماي 750œC نرخ بازگشت براي هر دو درصد نورد به شدت افزایش پیدا میکند، به طوري که پس از زمان دقیقه4 امکان بازگشت تقریباً به طور کامل فراهم میشود. تحت این شرایط در مدت زمان 4 دقیقه آنیل، در حدود %93 بازگشت در نمونه با %50 نورد رخ میدهد و طی همین زمان براي نمونه %90 نورد؛ %98 بازگشت در ساختار رخ میدهد. مطابق با نمودار نرخ بازگشت براي ساختار سلول-نابجایی به خصوص در زمانهاي اولیه آنیل، در مقایسه با مارتنزیت لایهاي بیشتر است. در مورد ساختار
