بخشی از مقاله
تأثیر دما و تغییر شکل بر اندازه دانه آستنیت و سختی در یک فولاد میکرو آلیاژی
چکیده
فولادهای میکرو آلیاژی طی ۳۰ سال استفاده در صنعت آهنگری به صورت روزافزونی جایگزین فولادهای سختی کاری شونده شده اند. طی این مدت مطالعات بسیار زیادی بر روی این فولادها صورت گرفته و از آنجا که این فولادها به صورت آهنگری شده و بدون نیاز به عملیات حرارتی مورد استفاده قرار می گیرند، کنترل پارامترهای آهنگری نقش اساسی در کنترل خواص نهایی قطعه آهنگری شده دارد. در این تحقیق یک فولاد میکرو آلیاژی متوسط کربن حاوی V- Ti مورد مطالعه قرار گرفته و اثر دما و درصد تغير شكل بر اندازه دانه آستنیت مورد بررسی قرار گرفته است. لقمه های آهنگری ابتدا در دمای ۱۲۵۰°C پیش گرم شده و سپس در سه دمای مختلف به مقادیر ۲۰ تا ۷۰٪ توسط یک برس مکانیکی تغییر شکل یافتند. نتایج نشان میدهد افزایش درصد تغییر شکل ساختار یکنواخت تری را به دنبال دارد، به عبارت دیگر در نمونه هایی که تحت تغییر شکل زیاد قرار می گیرند، اندازه دانه آستنیت مستقل از دمای آهنگری است، و چنانچه قطعه ای تغییر شکل زیادی حین آهنگری نیاز داشته باشد می تواند در محدوده وسیعی از دما تحت آهنگری قرار گرفته و با وجود این ساختار یکسان برسد. واژه های کلیدی: آهنگری، آستنبت، میکرو آلیاژ، اندازه دانه
مقدمه
در ۳۰ سال اخیر فولادهای میکرو آلیاژی به علت شرایط خاصی که دارند به شدت مورد توجه صنایع شکل دهی قرار گرفته اند. فولادهای میکرو آلیاژی فولادهایی هستند که بدون عملیات حرارتی به خواص فولادهای سختی کاری و برگشت داده شده در طی عملیات ترمومکانیکی دست می یابند[۱-۴]. این قابلیت در فولادهای میکرو آلیاژی ناشی از رسوبات تشکیل شده از ترکیب عناصر میکرو آلیاژی با کربن و نیتروژن موجود میباشد. این رسوبات با کنترل اندازه دانه و استحکام دهی رسوبی خواص جالب توجهی به آنها میدهند[۵]. میزان تأثیر گذاری این رسوبات به شدت تحت تأثیر شرایط ترمومکانیکی می باشد[۶] یکی از صنایعی که در آن فولادهای میکرو آلیاژی به میزان معتنابهی کاربرد یافته است، صنایع آهنگری می باشد. در فرایند آهنگری پارامترهای ترمومکانیکی زیادی دخیل هستند که برخی از آنها عبارتند از : دمای پیش گرم، دمای آهنگری، سرعت سرد کردن از این دما و میزان تغيير شكل [۶] قابل ذکر است ریزساختار و خواص مکانیکی فولادی که تحت عملیات ترمومکانیکی قرار می گیرد به شدت وابسته به اندازه دانه آستنیت می باشد [۷] و کاهش اندازه دانه آستنیت، در نهایت باعث بهبود خواص مکانیکی می گردد[1]. تغییرات اندازه دانه با زمان در دمای ثابت به شکل زیر تعریف می شود
در این رابطه اندازه دانه، m و A أعدادی ثابت، Q انرژی اکتیواسیون برای رشد دانه، Tدمای نگهداری و R ثابت گاز هاست [۹]
با افزایش دما، حلالیت رسوبات افزایش می یابد که برای رسوبات وانادیوم روابط زیر ارائه شده است:
در این روابط T دمای کلوین و [C]، [V] و [N] به ترتیب درصد وزنی عناصر کربن، وانادیوم و نیتروژن در فولاد می باشد[۱۰-۱۱]. هدف از این تحقیق بررسی اثر عوامل ترمومکانیکی از قبیل دمای تغییر شکل، مدت نگهداری در این دما و میزان تغییر شکل بر روی اندازه دانه آستنیت، می باشد. به این منظور نمونه ها آستنیته شده و در دماهای مختلف تحت تغییر شکل های متفاوتی قرار گرفتند. نتایج نشان دهنده آن است که با افزایش تغییر شکل اثر دما براندازه دانه آستنیت کاهش می یابد.
روش تحقیق در این تحقیق از فولاد میکرو آلیاژی 30MSV6 که در صنایع خودروسازی کاربر دارد ( با ترکیب شیمیایی جدول 1) بیلت های (لقمه های آهنگری استوانه ای شکل با قطر ۴۵ mm و طول mm ۶۰ تهیه گردید. سپس این لقمه ها توسط کوره القایی در دمای ۱۲۵۰°C به مدت ۵ دقیقه تحت پیش گرم قرار گرفتند. در این دما تمامی رسوبات حاوی وانادیوم باتوجه به رابطه ۲ و ۳ و ترکیب شیمیایی فولاد آمده در جدول 1، به طور کامل حل می شوند. بعد از خروج لقمه ها از کوره تا رسیدن به دماهای ۱۱۰۰، ۱۰۰۰ و ۹۰۰ در هوا خنک و توسط پرس آهنگری تحت کاهش ارتفاع هایی به میزان ۲۰، ۵۰ و ۷۰ درصد قرار گرفتند. پس از اعمال این تغییر شکل به مدت ۰، ۳۰، ۶۰ و ۲۰۰ ثانیه در همین دما نگهداری و سپس در آب کوئنچ و بالاخره در دمای ۵۰۰°C و به مدت دو ساعت تحت عملیات برگشت قرار گرفتند. از نمونه هایی که به روش فوق تهیه شده بودند، نمونه های متالوگرافی تهیه شد.
این نمونه ها مانت و پس از سنگ زنی و پولیش تحت عملیات اچ قرار گرفتند. محلول اچ حاوی ۱۰۰ cc اسید پیکریک فوق اشباع در آب مقطر، ۱gr کلرید مس و چند قطره ماده خیس کننده (ماده شوینده) بود که در دمای ۹۰°C و به مدت ۲۰ تا ۳۰ ثانیه مورد استفاده قرار گرفت. در نهایت عکس های متالوگرافی توسط میکروسکوپ نوری تهیه شد و نمونه ها، تحت آزمایش سختی سنجی قرار گرفتند. برای تعیین اندازه دانه آستنیت از روش خط متقاطع (Intercept method) استفاده گردید.
نتایج و تحلیل
تغییر شکل ۲۰%
در شکل منحنی تغییرات سختی بر اساس زمان نگهداری در دماهای مختلف رسم شده است. همچنان که نتایج این شکل نشان می دهد در تغییر شکلی ثابت ۲۰٪ تغییرات سختی به شدت وابسته به دمای آهنگری می باشد، به طوری که در دمای ۱۱۰۰ تا ۶۰ ثانيه اندازه سختی تقریبا ثابت می باشد. با توجه به ترکیب شیمیایی فولاد که در جدون ا نشان داده شده است و همچنین روابط ۲ و ۳ رسوبگذاری ترکیبات وانادیوم در دمای ۱۱۰۰°C غیرممکن است و آنچنانکه از شکل ۲ مشاهده می شود در این دما اندازه دانه آستنیت هم ثابت است که این دو عامل مهم می تواند دلایل ثابت ماندن میزان سختی باشند.| در ۲۰۰۰ تا ۳۰ سختی افت ناچیزی دارد و از آن به بعد تا ۶۰۵ سختی افزایش و سپس تا ۲۰۰۹ تغییرات بسیار اندک است. علت چنین رفتاری را می توان چنین بیان کرد که در دمای ۱۰۰۰°C تا ۳۰ ثانیه کاهش مقدار سختی ناشی از رشد دانه می باشد که در شکل ۲ این امر مشاهده می شود. البته ممکن است رسوباتی نیز در این مرحله ايجاد شوند ولی اثر منفی کاهش سختی ناشی از رشد دانه ها بیشتر است. از این زمان به بعد اثر مثبت افزایش سختی ناشی از ایجاد رسوبات بیشتر می شود که در نهایت با شیب تندی سختی افزایش می یابد تا اینکه در ۶۰۵ اثر رشد دانه آستنیت، اثر رسوبات را خنثی می کند و بنابراین سختی تقریبا ثابت می ماند [۱۲] در ۹۰۰ تا ۳۰ سختی افت پیدا کرده و از ۳۰s تا ۶۰ افت سختی شدید می شود و از دو تا ۲۰۰۵ سختی مجددا افزایش می یابد. علت این امر را می توان چنین بیان کرد که در ۹۰۰C دانه های آستنیت طی ۳۰ s ابتدایی پس از تغییر شکل درشت شده و از آن به بعد تا ۶۰ سختی به علت افرایش سرعت رشد دانه های آستنیت و به حداکثر رسیدن آن به شدت کاهش می یاید و پس از ۶۰۵ سرعت ایجاد رسوبات افزایش و به تبع آن مقدار سختی افزایش می یابد. [۱۲] شكل ۲ تغییرات اندازه دانه آستنیت را در دماهای مختلف نشان می دهد. مشاهده می شود که در دمایC ۱۱۰۰ اندازه دانه آستنیت تقريبا ثابت است ولی در دماهای ۱۰۰۰ و ۹۰۰، با افزایش زمان، اندازه دانه های آستیت بزرگتر می شود. مسئله ای که در اینجا جالب توجه است بالا بودن اندازه دانه آستنیت در دماهای پایین تر است که شاید دلیل این پدیده فاصله زمانی طولانی تر برای رسیدن از دمای پیش گرم به دمای اعمال تغییر شکل در دماهای پایین تر باشد و از طرفی میزان تغییر شکل به حدی نیست که این میزان رشد دانه ناشی از زمان لازم تا رسیدن به دمای تغییر فرم را خنثی کند. از این رو اندازه دانه های بزرگتری در دماهای پایین تر به دست می آید. تغیر شکل ۵۰٪ در شکل ۳ در تغییر شکل ثابت ۵۰٪ تغییرات سختی بر اساس زمان نگهداری در دماهای مختلف رسم شده است. در دمای ۱۱۰۰°C، با افزایش زمان نگهداری مقدار سختی تا ۲۰۰۵ به تدریج کاهش می یابد که میزان این کاهش در فاصله زمانی ۳۰ تا ۶۰ ثانیه به حداکثر می رسد. علت این امر، عدم وجود رسوب در این دماها و رشد ممتد دانه ها می باشد و کاهش شدیدتر سختی در فاصله زمانی 30-60 S به علت افزایش سرعت رشد در این فاصله زمانی است که در شکل ۴ نیز نشان داده شده است [۱۲] در دمای C° ۱۰۰۰ تا ۲۰۵ کاهش سختی شدیدی مشاهده میشود و سپس افزایش شدید سختی تا ۶۰ S مشاهده می گردد. در نهایت مجددا سختی تا ۲۰۰۵ کاهش می یابد. کاهش سختی در ۳۰ ثانیه آغازین، ناشی از درشت شدن دانه هاست و علت پیشی گرفتن اثر منفی درشت شدن نسبت به اثر مثبت ایجاد رسوبات بالا بودن دمای اعمال تغییر شکل است چون در دمای بالا میزان حلالیت عناصر بالاتر است؛ سپس تا ۶۰ به علت ایجاد رسوب نیترید وانادیوم افزایش سختی رخ می دهد. قابل ذکر است که در این دما رسوب کاربید وانادیوم نمی تواند شکل بگیرد، زیرا این رسوب دمای حلالیت پایینی دارد. در نهایت تا S ۲۰۰ کاهش سختی به علت افزایش اثر منفی درشت شدن رسوبات و دانه ها اتفاق می افتد [۱۲] در دمای ۹۰۰°C تا ۳۰۵ سختی افزایش می یابد که علت آن رسوبات ایجاد شده به علت کرنش ( Strain induced precipitation) است و بعد از این زمان تا زمان ۶۰۵ سختی به علت درشت شدن رسوبات و اندازه دانه، کاهش می یابد؛ سپس تا ۲۰۰۵ سختی ثابت می ماند که این امر به علت کاهش سرعت رشد رسوبات و دانه و خنثی شدن آن با اثر مثبت ایجاد رسوبات میباشد .
در شکل ۴ تغییرات اندازه دانه آستنیت با زمان نگهداری در دماهای مختلف مشاهده میشود. در دمای ۱۱۰۰°C اندازه دانه آستنیت بزرگتر از دو دمای دیگر است و نکته قابل توجه تطابق تقریبی در منحنی به دست آمده در دماهای ۱۰۰۰ و C° ۹۰۰ است. اندازه دانه آستنیت با افزایش زمان نگهداری در هر دمایی افزایش می یابد که این امر با رابطه ۱ تطابق دارد. تغییر شکل ۷۰٪ در شکل ۵ منحنی تغیرات سختی بر اساس زمان نگهداری در دماهای مختلف در تغییر شکل ثابت ۷۰٪ آورده شده است. در این منحنی دیده میشود که تغییرات سختی به شدت وابسته به دما و زمان می باشد. در دمای ۱۱۰۰°C سختی به صورت مند کاهش می یابد و شدت این کاهش در زمان ۳۰ تا ۶۰ حداکثر است. علت این امر عدم امکان رسوبگذاری در این دما میباشد که بدین ترتیب تنها عامل موثر بر سختی، رشد دانه خواهد بود که باعث کاهش سختی می گردد [۱۳]. در دمای ۱۰۰۰°C سختی تا ۳۰۵ کاهش و سپس تا ۶۰S افزایش و از آن به بعد مجددا تا ۲۰۰۵ کاهش می یابد. چنین رفتاری را می توان ناشی از آن دانست که طی ۳۰۵ ابتدایی پس از تغير شكل اثر درشت شدن اندازه دانه بر ایجاد رسوبات پیشی می گیرد و سختی کاهش می یابد و سپس تا ۶۰۵ تشکیل رسوبات بر درشت شدن دانه غلبه کرده و اثر کاهش سختی درشت شدن دانه ها را از بین می برد که موجب افزایش سختی می گردد و در نهایت تا ۲۰۰۵ با درشت شدن رسوبات و ادامه رشد دانه ها، سختی کاهش می یابد[12-13].
