بخشی از مقاله
تاثیر عنصر وانادیم و عملیات حرارتی بازگشت بر ساختار و خواص مکانیکی فولادهای میکرو آلیاژی ریختگی
چکیده
پیشرفت تکنولوژی و نیاز روزافزون به فولادهایی با استحکام بالا، قابلیت جوشکاری و چقرمگی مناسب، منجر به استفاده گسترده از فولادهای میکرو آلیاژ در صنایع امروز شده است. در پژوهش حاضر فولاد میکرو آلیاژی حاوی واناديم و ترکیب پایه فاقد عنصر میکرو آلیاژی جهت مقایسه، پس از ریخته گری در کوره القایی، تحت عملیات حرارتی باز گشت قرار گرفتند. در ابتدا مطالعات ریز ساختاری بر روی نمونه ها انجام شد و کسر حجمی پرلیت، اندازه دانه های فریت و فاصله بین لایه های پرلیت در شرایط مختلف اندازه گیری شد. سپس نمونه های کشش و ضربه جهت بررسی خواص مکانیکی تهیه شدند. افزودن عنصر میکروآلیاژی وانادیم در حالت ریختگی باعث افزایش سختی و استحکام می شود که می تواند ناشی از تشکیل رسوبات کاربونیتریدی، افزایش کسر حجمی پرلیت و ریزدانگی فریت باشد. پیرسازی نمونه های ریختگی در زمان و دماهای مختلف نشان داد که عملیات حرارتی بازگشت باعث افزایش سختی و استحکام می شود که می توان آن را به مکانیزم رسوب سختی نسبت داد که سختی ها بسته به دما و زمان عملیات حرارتی باز گشت تغییر می کند. در هر دو حالت ریختگی و پیر سازی شده چقرمگی و انرژی ضربه پایین است که تایید کننده مکانیزم های پیشنهاد شده است.
واژه های کلیدی: فولادهای میکرو آلیاژی، عملیات حرارتی باز گشت، خواص مکانیکی، وانادیم
1- مقدمه
فولاد میکروآلیاژی، فولادی است که ترکیب پایه آن یک فولاد غیر آلیاژی ساختمانی یا در اکثر موارد یک فولاد منگنزی و یا حتی یک فولاد کم آلیاژ است که به آن مقادیر کوچکی از عناصر میکرو آلیاژ اضافه گردیده است. این عناصر اثر قوی و چشمگیری بر یک یا چند خاصیت فولاد می گذارند. مقدار این عناصر معمولا ۱۰۰-۱۰ برابر، کمتر از مقدار عناصر آلیاژی مرسوم است. به عنوان مثال هایی از این عناصر می توان به وانادیم، تیتانیم، نایوبیم، زیرکونیم و بر اشاره کرد. [۱۲] در طول ۵۰ سال گذشته، بیشتر مطالعات انجام شده بر روی نوع کار شده فولادهای میکرو آلیاژ بوده است و مطالعات بسیار کمی بر روی نوع ریختگی این فولادها انجام گرفته است. در نوع کارشده از عملیات ترمومکانیکی برای بدست آوردن ساختار ریز دانه فریتی به همراه رسوب سختی جهت رسیدن به خواص مطلوب استفاده می شود، در حالیکه در نوع ریختگی، رسیدن به خواص مطلوب فقط از طریق عملیات حرارتی امکان پذیر است. اگرچه عملیات مرسوم برای فولاد ریختگی از نوع دارای عناصر میکرو آلیاژی یا فاقد آن Q& T ، N & T یا دیگر روش های متداول می باشد ولی به نظر می رسد بتوان خواص مکانیکی مطلوب قابل استفاده ای در حالت ریختگی ( As - cast ) و فقط تمپر شده بدست آورد. انجام عملیات تمپرینگ یا پیر بازگشتی در دماهای پایین باعث تشکیل رسوبات فاز دوم به صورت کنترل شده می گردد که باعث افزایش استحکام و سختی می شود. رسوبات ایجاد شده، شبه پایدار بوده و همزمان با درشت شدن (Overaging) پایداتر می گردند ولی سختی حاصله کاهش می یابد. عناصر میکرو آلیاژی محلول با نشستن بر روی مرز دانه های آستنیت، انرژی آنها را کاهش داده و مانع از جوانه زنی فریت شده و در نتیجه سختی پذیری را افزایش می دهد. با توجه به این خاصیت عناصر Nb و V و این نکته که حد حلالیت این عناصر در آستنیت بیشتر حد حلالیت آنها در فریت است می توان نتیجه گرفت که با حضور این عناصر می توان از این فولادها در ضخامت های بیشتر نیز استفاده کرد. [۲۴] مکانیزم ایجاد رسوب سختی توسط حضور عناصر میکرو آلیاژ از روش های اصلی استحکام بخشی در فولاد های میکرو آلیاژی می باشد. این عناصر تمایل بسیار زیادی به ترکیب با کربن و نیتروژن دارند و باعث تشکیل ذرات ریز کاربید، نیترید و کاربو نیترید در حین فرایند تمپرینگ می گردند و به طور موثری استحکام را افزایش می دهند. بهبود خواص در فولاد های میکرو آلیاژ ریختگی بستگی به کنترل رسوب گذاری کاربیدها، نیترید ها و کاربو نیترید ها دارد که این امر احتیاج به انتخاب دقیق پارامتر های پروسه عملیات حرارتی دارد. [۴]
۲- روش تحقیق به منظور مطالعه تاثير عنصر میکرو آلیاژی وانادیم و عملیات حرارتی بازگشت بر ریز ساختار و خواص مکانیکی، فولاد میکرو آلیاژی حاوی وانادیم و یک ترکیب پایه فاقد عناصر میکرو آلیاژ، مطابق با ترکیب شیمیایی ارایه شده در جدول ۱ بصورت بلوک هایی به ابعاد در کوره القایی ریخته گری و تهیه شدند. سپس ترکیبات ریخته گری شده در دماهای مختلف که در جدول ۳ آورده شده است تحت عملیات پیرباز گشتی قرار گرفتند. برای هر حالت ۲ نمونه در نظر گرفته شد. پس از عملیات حرارتی، سختی نمونه ها در مقیاس برینل و با نیروی Kgf ۵، ۱۸۷ اندازه گیری شد. از هر نمونه ۳ بار و مجموعا برای هر حالت عملیات حرارتی ۶ عدد سختی اندازه گیری و میانگین نتایج گزارش شد. با توجه به نتایج به دست آمده برای سختی، نمونه های کشش و ضربه مطابق با استاندارد ASTM-E6 و E23 --566 ASTM تهیه شدند و برای هر حالت ۳ نمونه تهیه گردید. نمونه های متالوگرافی پس از سنباده زنی و پولیش، توسط محلول نایتال ۲٪ حکاکی شدند و ریز ساختار مربوطه با استفاده از سیستم آنالیز تصویری ImageAnalyzer مجهز به میکروسکوپ نوری OLYMPUS انجام شد و درصد فاز پرلیت، اندازه دانه فریت و فاصله متوسط بین لایه های پرلیت برای حالت های مختلف به دست آمد. برای این کار از بزرگنمایی ۷۵۰ استفاده شد و برای هر نمونه حدود ۱۵ تصویر مورد ارزیابی قرار گرفت و متوسط مقادیر محاسبه شد. سپس سطح شکست توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی بررسی شد.
٣- نتایج و بحث بررسی های متالوگرافی بر روی نمونه های عملیات حرارتی شده نشان داد که ریز ساختار در حالت عملیات حرارتی شده شامل فریت - پرلیت می باشد که به همراه آن فریت تیغه ای (Widmanstatten) نیز مشاهده می شود. تصاویر متالوگرافی نمونه های عملیات حرارتی شده و ریختگی در بزرگنمایی ۱۰۰ × و همچنین تصویر SEM ساختار فریتی - پرلیتی در شکل های ۱-۷ نشان داده شده اند که البته تغییرات ریز ساختاری قابل توجهی در اثر افزودن عنصر میکرو آلیاژی در مقایسه با حالت پایه مشاهده نمی شود. نتایج سختی سنجی و نتایج حاصل از آزمایش کشش و ضربه که میانگین ۳ نمونه است در جدول ۲ و ۳ نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می شود در اثر عملیات حرارتی بازگشت استحکام کششی و استحکام تسلیم نسبت به حالت پایه فاقد عنصر میکرو آلیاژی افزایش می یابد که نشان می دهد حضور عنصر میکرو آلیاژی وانادیم باعث بهبود چشمگیر خواص می شود. استحکام تسلیم و کششی در این آلیاژ ها از فاکتور های مختلفی، از جمله مقادیر مختلف پرلیت، فواصل بین لایه ای پرلیت و همچنین تشکیل رسوبات کاربونیتریدی متاثر است. کسر حجمی پرلیت تشکیل شده در این فولادها در حالت ریختگی و عملیات حرارتی شده در جدول ۴ آورده شده است. نتایج نشان می دهد که در حالت ریختگی مقدار پرلیت در اثر افزودن عنصر میکرو آلیاژ افزایش می یابد ولی در حالت تمپر شده نسبت به حالت پایه درصد پرلیت کاهش یافته است. در مورد تاثیر وانادیم بر سختی پذیری اثرات متفاوتی بیان شده است. بخشی از وانادیم به شکل کاربید و نیترید باعث ریز دانگی شده و سختی پذیری را کاهش می دهد وليكن وانادیم بشكل محلول در آستنیت سختی پذیری را افزایش می دهد. به عبارت دیگر دو فاکتور مختلف درصد پرلیت ساختار را تحت تاثیر قرار می دهند. از طرفی عنصر کاربید زاى وانادیم به شکل محلول با نشستن بر روی مرز دانه های آستنیت از استحاله آستنیت به فریت جلوگیری کرده و باعث کاهش دمای استحاله به دماهای پایین تر و در نتیجه افزایش درصد فریت می شود. از طرف دیگر رسوبات حاصل از این عنصر می توانند مکان های مرجع برای جوانه زنی کلونی های پرلیت باشند و پرلیت زایی را ترغیب کنند. در نمونه حاوی وانادیم در حالت ریختگی دمای تشکیل این رسوبات پایین است. در نتیجه فرصت کافی برای تشکیل این رسوبات تا استحاله آستنیت به فریت وجود ندارد. ولی در حالت تمپر شده به دلیل وجود فرصت بیشتر ساختار به سمت تعادلی یعنی فریت زایی و کاهش درصد پرلیت، پیشرفت کرده است. برای حصول اطمینان از این توجیه نمونه ها به مدت ۲۴ ساعت در دمای ۶۰۰ در کوره تحت عمليات تمپر قرار گرفتند. در صد پرلیت حاصل از این ساختار ها در جدول ۵ آورده شده است. نتایج تایید کننده مکانیزم پیشنهاد شده است. یکی دیگر از مکانیزم های استحکام بخشی کاهش اندازه دانه فریت است. نتایج حاصل از اندازه گیری اندازه دانه فریت در ساختارهای ریختگی و تمپر شده در جدول ۶ آورده شده است. افزایش کسر حجمی پرلیت غالبا باعث ریز دانگی فریت می شود زیرا پرلیت از رشد دانه های فریت در حین استحاله جلوگیری می کند. بنابراین افزایش استحکام در ساختار ریختگی در اثر افزودن وانادیم بعنوان یک عنصر ریز کننده دانه توجیه می شود. در نمونه های تمپر شده اندازه دانه های فریت تغییر قابل ملاحظه ای از خود نشان نمی دهد که عدم افزایش انرژی ضربه نمونه های تمپر شده تایید کننده عدم کاهش اندازه دانه های فریت می باشد [ ۸، ۱۰] . نتایج حاصل از آزمایش ضربه نمونه های ریختگی و عملیات حرارتی شده در جدول ۲ و ۳ آورده شده است. نتایج نشان می دهد که انرژی ضربه در حالت ریختگی پایین می باشد که پس از عملیات حرارتی نیز بهبود قابل توجهی از خود نشان نمی دهد. انرژی ضربه متاثر از عوامل مختلفی از جمله اندازه دانه های فریت، فاصله بین لایه های پرلیت و اندازه و شکل رسوبات می باشد. هر چه فاصله بین لایه های پرلیت کمتر باشد پرلیت از چقرمگی بهتری برخوردار می شود در نتیجه انرژی ضربه افزایش می یابد. نتایج حاصل از اندازه گیری فاصله بین لایه های پرلیت در حالت ریختگی و تمپر شده در جدول ۵ نشان داده شده است. نتایج نشان می دهد که در حالت ریختگی در اثر افزودن عنصر وانادیم فاصله متوسط بین لایه ها کاهش یافته است. در کاهش چقرمگی تحقیقات نشان می دهد که عناصر میکرو آلیاژی با مهاجرت به مرز دانه های آستنیت و شیفت دمای استحاله به دماهای پایین تر باعث تشکیل پرلیت هایی با فاصله بین لایه ای کمتر می شوند. در اثر عمليات تمپر و افزایش ضریب نفوذ کربن در اثر افزایش دما و وجود فرصت کافی برای نفوذ کربن، لایه های پرلیت ضخیم تر شده و در نتیجه به افت انرژی ضربه کمک می کنند [۵۲]. همچنین احتمالا در حالت ریختگی در حین انجماد رسوبات درشتی تشکیل شده اند که اگرچه باعث افزایش استحکام شده اند ولی همزمان انرژی ضربه را کاهش داده اند و تاثیر عنصر وانادیم را به عنوان یک عنصر ریز کننده دانه و در نتیجه بهبود دهنده چقرمگی بی اثر کرده اند. پس از عملیات حرارتی بازگشت علاوه بر رسوبات تشکیل شده در حین انجماد که بدون تغییر در ساختار باقی مانده اند، احتمالا یکسری رسوبات جدید نیز در اثر عملیات حرارتی پیرباز گشتی تشکیل شده اند. رسوبات تشکیل شده جدید نیز در کاهش چقرمگی و یا عدم افزایش آن موثر بوده اند. بررسی سطح شکست این نمونه ها تایید کننده شکست ترد این ترکیبات است که در شکل ۸ و ۹ آورده شده است. اگرچه این رسوبات که(10-100nm) نمی توان توسط حرارتی تشکیل می شوند را بعلت ریز بودن ( در حین عملیات میکروسکوپ الکترونی روبشی مشاهده کرد دهد.
