بخشی از مقاله
تاثیر اندازه و جهت گیری دانه بر ساختار نابجایی ها در مراحل اولیه ی تغییرشکل کششی TWIPsy93
چکیده
در این تحقیق تاثیر اندازه و جهت گیری دانه بر ریزساختار فولاد در کرنش حقیقی TWIP اثر این تحقيق، تاثیر انلازد جهت گیری دانه ریزساختار فولاد مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج TEM نشان می دهد که در اندازه دانه ی ۱۸/۴um، ساختار نابجایی ها به جهت گیری دانه بستگی داشته که نتیجه ی آن مشاهده ی نابجایی ها با ساختارهای صفحه ای و غیر صفحهای درهم پیچیده قبل از آغاز دوقلویی شدن مکانیکی است. با این حال، بدون توجه به جهت گیری دانه، عمدتا نابجایی های درهم پیچیده در اندازه دانه یl۲/۱ مشاهده میشود. علاوه بر این، علت توقف دوقلویی شدن مکانیکی در نتیجه ی ریزدانه شدن در کرنش های بالاتر با توجه به تغییر در ساختار نابجایی ها در مراحل اولیه ی تغییرشکل بررسی شده است.
کلمات کلیدی: فولاد TWIP، نابجایی، جهت گیری، دوقلویی مکانیکی.
مقدمه
اخیراً، بکارگیری فولادهای پرمنگنز آستنیتی که در آنها به علت پایین بودن انرژی نقص در چیده شدن (SFE)، تحولاتی مانند دوقلویی شدن و استحاله ی مارتنزیتی همراه با لغزش نابجایی ها در تغییر شکل پلاستیکی مشارکت زیادی دارند، مورد توجه قرار گرفته است. از سوی دیگر فولادهای "TWIP به علت خواص مکانیکی عالی از نظر ترکیب مناسبی از استحکام و انعطاف پذیری می توانند در صنعت اتومبیل سازی جایگاه ویژه ای را در آینده داشته باشند. باید توجه داشت که تشکیل مرزهای دوقلویی های مکانیکی به عنوان موانع قوی در برابر حرکت نابجایی ها باعث افزایش کار سختی لحظهای و دستیابی به این خواص مکانیکی در فولادهای TWIP می گردد ۲،۱. تحقیقات متعددی برای بررسی تاثیر برخی از پارامترها بر روی تحولات ریزساختاری و خواص مکانیکی فولادهای TWIP انجام گرفته است. به عنوان مثال، یجی و همکارانش تاثیر اندازه دانه را بر خواص مکانیکی آنها نشان داد که دوقلویی شدن مکانیکی با ریزدانه شدن به شدت متوقف می شود. از سوی دیگر به خوبی مشخص است که آغاز دوقلویی شدن مکانیکی نیازمند یک دانسیته نابجایی بحرانی است. همچنین وابستگی دوقلویی شدن مکانیکی به جهت گیری دانه ها نیز در برخی از فولادهای پرمنگنز تک کریستال و پلی کریستال مشاهده شده است بنابراین، برای درک بهتر علت توقف دوقلویی شدن مکانیکی با ریزدانه شدن، باید ساختار نابجایی ها قبل از دوقلویی شدن با توجه به اثر جهت گیری بر آن مطالعه گردد. به همین منظور، در این پژوهش چگونگی تاثیر اندازه و جهت گیری دانه بر تشکیل دوقلویی مکانیکی از نظر تاثیر ساختار نابجایی ها خصوصاً در مراحل اولیه ی تغییر شکل در یک فولاد TWIP مد نظر قرار گرفته است.
مواد و روش انجام آزمایشها
به منظور تهیه ی نمونههایی با اندازه دانهی مختلف، ورقهای نورد آبسرد شلـه از فولاد با ترکیبات شیمیایی و ضخامت mm ۱ در یک کوره با اتسمقر معمولی و دمای C"۸۵۰ به مدت ۵ و ۶۰ دقیقه نگهداری و سپس در هوا سرد شد. جزئیات مربوط به نمونه سازی و چگونگی انجام آزمایشهای کشش و TEM در مرجع ارائه شده است.
نتایج
اندازه دانه جوی ۱۸/۴um
در شکل ۱ نتایج بدست آمده از بررسی های خطوط کی کوچی توسط TEM و تصویر قطبی معکوس بدست آمده برای ۲۷ دانه مجزا برای فولاد TWIP با اندازه دانه um! ۱۸/۴ و در کرنش حقیقی ۰/۰۶ ارایه شده است. با توجه به شکل، دو نوع مختلف از ساختار نابجایی در این دانه ها مشاهده می گردد: ۱) ساختار نابجایی های صفحهای و ساختار نابجایی های غیر صفحه ای درهم پیچیده. در اولی، نابجایی ها تقریباً به شکل صاف بر روی صفحات لغزش قرار گرفته اند، حال آنکه در دومی، ترتیب قرار گیری نابجایی ها نامنظم است و مخلوطی از نابجایی های صاف و انحنادار را میتوان پیدا کرد. تشکیل هریک از این دو ساختار نابجایی ها به جهتگیری دانه بستگی دارد. از سوی دیگر، هیچ گونه دوقلویی مکانیکی در این مرحله از تغییر شکل مشاهده نمی گردد.
از میان ۲۷ دانه بررسی شده در شکل ۱، ۱۸ دانه دارای ساختار نابجایی صفحهای هستند و تصویر TEM برخی از آنها نیز ارایه شده است. از شکل به خوبی مشخص است که در دانه هایی که جهت آنها نزدیک به ۱۱۱ || است، صفحهای شدن نابجایی ها به راحتی اتفاق میافتد. حال آنکه در دانه هایی که جهت گیری آنها نزدیک به [۱۰] است، ساختار نابجایی ها به نابجایی های درهم پیچیده تبدیل می شود.
از سوی دیگر تحقیقات انجام گرفته توسط Ueji و همکارانش بر روی فولاد TWIP درشت دانه نشان میدهد که تشکیل دوقلویی های مکانیکی نیز به صورت مرجح اتفاق افتاده و میزان دوقلویی شدن در دانه هایی که جهت گیری آنها نزدیک به [۱۱۱] است، بیشتر است.
اندازه دانه در شکل ۲ نتایج بدست آمده از بررسی های TEM برای ۳۲ دانه مجزا در فولاد TWIP با اندازه دانه ی imل ۲/۱ و کرنش حقیقی ۰/۰۶ ارایه شده است. از شکل به خوبی مشخص است که از میان ۳۲ دانه بررسی شده، تنها ۷ دانه دارای ساختار نابجایی های صفحه ای بوده و مابقی دانه ها دارای ساختار نابجایی های در هم پیچیده هستند. همچنین تصویر قطبی معکوس نیز بیانگر آن است که جهت گیری دانه ها تاثیر چندانی بر ساختار نابجایی ها در این اندازه دانه ندارد.
علاوه براین، تحقیقات انجام گرفته توسط Ueji و همکارانش ۳ نشان می دهد که در فولاد TWIP ریزدانه ، تشکیل دوقلویی های مکانیکی حتی در دانه هایی که جهت گیری آنها نزدیک به [۱۱۱] میباشد نیز متوقف شده است. به عبارت دیگر ریزدانه شدن به تنهایی و به عنوان یک عامل مهم و مستقل از تاثیر بافت، باعث محدودیت در دوقلویی شدن مکانیکی در فولادهای TWIP میگردد.
بحث:
نتایج ارایه شاده در قسمت قبل به خوبی نشان قی ڈھا۔ که تائیر پارامترهایی ماننا۔ اندازد دانه جهت گیری بر چگونگی دوقلویی شدن مکانیکی را میتوان از طریق ساختار نابجایی های تحلیل کرد. علاوه براین، به نظر می رسد که تشکیل نابجایی ها با ساختار صفحهای قبل از دوقلویی شدن مکانیکی در فولاد TWIP ضروری است. در ادامه ضمن بررسی عوامل موثر در تشکیل نابجایی های صفحه ای در فلزات FCC چگونگی تبدیل این ساختار به دوقلویی های مکانیکی نیز مد نظر قرار گرفته است.
عوامل موتر بر تشکیل نابجاییها با ساختار صفحهای از نظر دسته بندی ساختار نابجایی ها در مراحل اولیه تغییر شکل در فلزات FCC، میتوان آنها را در دو گروه اصلی دسته بندی کرد ۷-۸ : ۱) مواد با لغزش صفحهای و ۲) مواد با لغزش موجی . در گروه اول، نابجایی ها به صورت ردیف های صفحه ای قرار گرفته که با افزایش کرنش باعث ایجاد یک شبکه در ساختار می شوند. در حالی که در گروه دوم، نابجاییها به صورت دسته های درهم پیچیده در ساختار ظاهر می شوند که با افزایش کرنش دانسیته نابجایی های در هم پیچیده افزایش مییابد. البته ذکر این نکته در اینجا ضروری است که گروه دوم را می توان به دو زیر گروه تقسیم بندی کرد: ۱) نابجاییهای درهم ییچیده دو بعدی (ساختار سلولی) و ۲) نابجایی های درهم پیچیده سه بعدی. یکی از پارامترهای تاثیرگذار بر ساختار نابجایی ها در فلزات SFE ،FCC است. با کاهش SFE و مشکل شدن لغزش متقاطع، نابجایی ها در برخی از مواد با ترتیب قرار گیری صفحهای در ساختار ایجاد می شوند. حال آنکه در فلزات FCC با SFE بالا که لغزشی به صورت موجی شکل است، نابجایی ها در نتیجه آسان تر بودن لغزش متقاطع به صورت نابجایی های درهم پیچیده دو بعدی ایجاد می شوند. در این نوع از مواد، با افزایش کرنش، توزیع نابجایی ها به صورت تصادفی است و اکثر نابجاییها در اطراف نواحی تقریباً بدون نابجایی (سلولها) قرار می گیرند. در فلزات FCC با ساختار نابجایی های درهم پیچیده سه بعدی تقریباً تمامی نابجایی ها بدون نظم مشخصی درهم پیچیده شدهاند. از مشخصه این ساختارها بالا بودن دانسیته نابجایی ها است که در نتیجه فعال شدن سیستم های متعدد لغزش به وجود می آیند. به عنوان مثال با کاهش اندازه دانه و افزایش استحکام ماده، دوقلویی شدن در یک فولاد TWIP ریزدانه متوقف میگردد و در نتیجه سیستمهای متعدد لغزش برای ادامه تغییر شکل فعال می شوند که نتیجه آن به وجود آمدن ساختار نابجایی درهم پیچیده سه بعدی است. به عبارت دیگر به علت کم بودن SFE، مشکل بودن بازیابی دینامیکی از طریق لغزش متقاطع و افزایش تنش بحرانی برای دوقلویی شدن با کاهش اندازه ی دانه، دانسیته بالای نابجایی ها به جای ساختار سلولی دو بعدی به صورت ساختار درهم پیچیده سه بعدی ایجاد می گردند. هر چند پایین بودن SFE در فلزات FCC به عنوان عامل اصلی ایجاد نابجایی های صفحهای در ساختار تغییرشکل یافته شناخته می شود، اما حالتهای متناقض متعددی نیز وجود دارد. در برخی آلیاژها علی رغم بالا بودن SFE همچنان لغزش صفحهای مشاهده شده و هیچگونه سلولی در ساختار تغییر شکل یافته حتی تا مراحل پایانی ایجاد نمیگردد. این مشاهدات بیانگر آن است که SFE تنها پارامتر موثر در تعیین حالت لغزش ماده (صفحه ای یا موجی) نیست. در دیگر تحقیقات انجام گرفته به منظور تعیین عوامل موثر بر صفحهای شدن نابجایی ها مشخص گردید که پیدایش نظم کم دامنها (SRO) نیز می تواند در ایجاد ساختار نابجایی های صفحهای موثر باشد ۷-۸. بالا بودن کسر اتمی عناصر آلیاژی در محلول های جامد یا وجود رسوبات منظم در آلیاژهای سختی رسوبی از جمله پارامترهای موثر در تشکیل ()SR میباشند. با توجه به آنکه SFE فولاد TWIP مورد استفاده در این تحقیق در محدود متوسط قرار دارد (۴۰ml/mi-)، بنابراین نقش SFE در صفحه ای شدن ساختار نابجایی ها کم اثر میباشد. از سوی دیگر، به علت بالا بودن کسر اتمی عناصر آلیاژی و همچنین عدم وجود کربن کافی به منظور تشکیل رسوبات کاربیدی در ریزساختار (عدم مشاهده رسوبات در بررسی های TEM)، به نظر می رسد که بخش اصلی این عناصر آلیاژی به صورت حل شده در زمینه آستنیتی قرار دارند. بنابراین می توان گفت صفحه ای شدن نابجایی ها در مراحل اولیه تغییر شکل فولاد TWIP عمدتاً در اثر وجود SRO در ماده میباشد. ارتباط میان SRO و لغزش صفحهای را می توان به این صورت بیان کرد: در هنگام فعال شدن یک منبع تولید نابجایی مانند فرانک-رید، نابجایی جلویی که بر روی یک صفحه لغزش در شبکه FCC حرکت می کند با مانع SRO برخورد می کند. در اثر فعالیت منبع، دیگر نابجایی ها پشت نابجایی اول تجمع می کنند. با افزایش تعداد نابجایی های تجمع یافته، انرژی
