بخشی از مقاله
چکیده
هدف از این مقاله، ارزیابی خواص مغناطیسی، مکانیکی و مشخصهیابی ریزساختار فولاد HSLA-100 ساخت داخل پس از پیرسازی است. به این منظور، فرایند آستنیته در دمای 900 درجه سانتیگراد بهمدّت 60 دقیقه و سرمایش سریع در آب سرد انجام شد. سپس فرایند پیرسازی در دمای 600 درجه سانتیگراد بهمدّت 60 دقیقه صورت گرفت. ریزساختار توسط میکروسکپ الکترونی روبشی گسیل میدانی - FESEM - بررسی شد. برای بررسی خواص مغناطیسی از دستگاه مغناطومتر ارتعاشی - VSM - و دستگاه اندازهگیری ظرفیت القای مغناطیسی - LCR - استفاده شد. برای ارزیابی خواص مکانیکی، آزمونهای سختیسنجی ویکرز و کشش انجام شد. مشاهده شد که فرایند پیرسازی در مقایسه با حالت سرمایش سریع، موجب کاهش کسر حجمی ریزساختار لایهای و افزایش فاصله میانگین بین لایهها شد. با انجام فرایند پیرسازی، نیروی وادارندگی مغناطیسی نسبت به شرایط سریع سردشده از 4/5 به 3/0 اورستد و نفوذپذیری اولیه نسبی مغناطیسی از حدود 76 به 66 کاهش یافت. سختی پس از پیرسازی و سرمایش سریع نزدیک به هم و بهترتیب برابر 300 و 310 ویکرز و استحکام تسلیم بهترتیب برابر 900 و 1050 مگاپاسکال بهدست آمد. پس از فرایند پیرسازی، درصد ازدیاد طول نسبی در مقایسه با عملیات سرمایش سریع، از 13 تا 19 افزایش یافت.
کلمات کلیدی: فولاد HSLA-100، نیروی وادارندگی، ظرفیت القای مغناطیسی، خواص مکانیکی، پیرسازی.
مقدمه
فولاد HSLA-100 استحکامیافته با مس که توسط فرایند حرارتیمکانیکی نورد شده، دارای کربنی کمتر از 0/06 درصد وزنی است .[1] کمترین استحکام تسلیم این فولاد حدود 700 مگاپاسکال و چقرمگی ضربه آن در دمای -85 درجه سانتیگراد تقریباً 80 ژول است .[2] این فولاد علاوه بر ویژگی استحکام تسلیم بالا و کربن کم، جایگاه ویژهای در مواد با خاصیت مغناطیسی نرم دارد .[3] از جمله کاربردهای مغناطیسی فولاد HSLA-100 در شافتها، پرههای ژنراتور و بدنههای زیردریایی است. در ژنراتور بهدلیل القاء پتانسیل در اثر تغییر شار مغناطیسی ناشی از حرکت سریع پره و شافت، خواص مغناطیسی نرم با حداقل اتلاف انرژی مغناطیسی لازم است. اهمیت خواص مغناطیسی بدنه زیردریایی ناشی از عوامل مربوط به عدم آشکارسازی در رادار استیکی. از عواملِ عدم آشکارسازی بدنه زیردریایی در رادار، کاهش نیروی وادارندگی بدنه به کوچکی نیروی مغناطیسی زمین است. بنابراین، برای استفاده از فولاد در ژنراتور و بدنه زیردریایی لازم است که خاصیت مغناطیس نرم ایجاد شود. علاوه بر این، با استفاده از ارزیابی خواص مغناطیسی، میتوان فرایند تولید را بهصورت غیرمخرب، کنترل نمود.
وجود مقدار زیاد عنصر مس - حدود 1/6 درصد وزنی - در ترکیب شیمیایی، موجب شده است که فرایند پیرسازی یکی از مراحل اصلی تولید این فولاد محسوب شود .[4] بهطور ایدهآل در زمینه فریتی حدود 0/8 درصد وزنی مس حل میشود، در حالیکه حدود 1/6 درصد وزنی مس در ترکیب شیمیایی فولاد HSLA-100 وجود داردحداکثر. حلالیّت مس در آستنیت در دمای 1450 درجه سانتیگراد، حدود 12 درصد وزنی است. با انجام عملیات حرارتی آستنیته، عمده مس موجود در ترکیب شیمیایی در زمینه آستنیت حل میشود. سرمایش سریع پس از آستنیتهشدن باعث ایجاد یک محلول جامد فوقاشباع از مس میشود. زمانیکه فولاد سریع سردشده تحت فرایند پیرسازی قرار میگیرد، ضمن کاهش چگالی نابجایی، مس از حالت فوقاشباع خارج میشود و در زمینه رسوب مینماید. رسوب مس تا دمای پیرسازی 600 درجه سانتیگراد بهصورت بسیار ریز - حدود 10 الی 13 نانومتر - و همسیما1 با زمینه است. تشکیل رسوبات همسیمای مس بهدلیل افزایش سطح رسوب در اثر عبور نابجایی موجب افزایش استحکام تسلیم و سختی میشود .[5] همچنین، با کاهش چگالی نابجایی در فرایند پیرسازی، نیروی وادارندگی مغناطیسی کاهش مییابد؛ زیرا نابجاییها حرکت دیواره حوزه مغناطیسی 2 - DW - را کند میکنند. تشکیل رسوبات مس که خیلی کوچکتر از اندازه ضخامت دیواره حوزه مغناطیسی - حدود 20 الی 50 نانومتر - هستند مانعی برای حرکت دیواره حوزههای مغناطیسی بهشمار نمیآیند .[1] با افزایش دمای پیرسازی بیش از 600 درجه سانتیگراد، رسوبات مس از حالت همسیما خارج میشوند. غیرهمسیمایی رسوبات مس با زمینه بر اساس نظریه اوروان3 باعث افت استحکام تسلیم و سختی میشود .[6] علاوه بر این، پیرسازی در دمای بالاتر از 600 درجه سانتیگراد باعث خواهد شد که رسوبات مس رشد کنند و اندازه آنها به حدی رسد که جلوی حرکت دیواره حوزههای مغناطیسی را بگیرند و نیروی وادارندگی را افزایش دهند .[7]
پاندا4 و همکارن، رفتار تغییرشکل فولاد HSLA-100 در دماهای پیرسازی 350 الی 700 درجه سانتیگراد را توسط منحنی پسماند مغناطیسی ارزیابی نمودند .[7] نتیجه گرفتند که در دماهای ابتدایی پیرسازی، استحکام تسلیم افزایش مییابد. همچنین با تغییرشکل فولاد پیرشده در دماهای ابتدایی، نیروی وادارندگی در نقطه تسلیم افزایش مییابد .[7] داس1 و همکاران، پژوهشی مانند تحقیق حاضر را بر فولاد HSLA-100 انجام دادند .[1] آنها فرایند پیرسازی را در دماهای 300 الی 700 درجه سانتیگراد بهمدّت 60 دقیقه انجام نمودند. نتیجه شد که در دماهای اولیه پیرسازی - از 300 تا 500 درجه سانتیگراد - ، نیروی وادارندگی کاهش و سختی افزایش یافته است .[1] ترافدر2 و همکاران، با استفاده از انتشارات بارخاوزن 3 - MBE - اثر پیرسازی در دماهای 350 الی 700 درجه سانتیگراد بر خواص مغناطیسی فولاد HSLA-100 را بررسی نمودند .[8] متوجه شدند که در دمای پیرسازی 600 درجه سانتیگراد بیشترین انتشارات بارخاوزن ایجاد شده است .[8]
در این مقاله با استفاده از خواص مغناطیسی، تغییرات ریزساختاری و مکانیکی فولاد HSLA-100 در فرایند پیرسازی تحلیل میشود. علاوه بر این، پژوهش حاضر کمک میکند که با استفاده از خواص مغناطیسی، فرایند پیرسازی را در چرخه تولید فولاد HSLA-100 بهصورت غیرمخرب کنترل نمود.
روش تحقیق
فولاد HSLA-100 توسط صنعت بومیسازی مواد فلزی در شرکت فولاد اسفراین ریختهگری و در شرکت اکسین اهواز نورد و عملیات حرارتی شده است. عملیات حرارتی شامل دو مرحله بوده است؛ مرحله اول آستنیتهشدن در دمای 900 الی 950 درجه سانتیگراد بهمدّت 60 دقیقه و مرحله دوم، پیرسازی در دمای 650 درجه سانتیگراد بهمدّت 60 دقیقه. ترکیب شیمیایی توسط دستگاه نشر جرقهای - کوانتومتری - مدل IERC ساخت شرکت اسپکتروم مکس4 آلمان، اندازهگیری و با استاندارد NAVSEA T9074 مقایسه شد - جدول - 1 .[2] همانطور که مشخص است اکثر عناصر تشکیلدهنده در محدوده استاندارد قرار دارند و فاصلهگرفتن میزان عناصری همچون نیکل و گوگرد از محدوده استاندارد قابل اغماض است.
جدول -1 ترکیب شیمیایی فولاد HSLA-100 برحسب درصد وزنی در مقایسه با استاندارد [2] NAVSEA T9074
