مقاله تاثیر وجود عناصر آلیاژی در ورق های فولادی TRIP دارای نیوبیوم در فرآیند نورد سرد

بخشی از مقاله

چکیده
فولادهای TRIP بر اساس اثر استحاله، تحت تأثیر تغییر شکل و بالاترین ترکیب استحکام و ازدیاد طول پایه ریزی شده اند که انرژی جذب شده بالائی به خاطر استحکام در ازدیاد طول دارند. علاوه بر این، فولادهای TRIP در مقایسه با فولادهای دو فازی، سختی بالائی از خود نشان می دهند. غنی شدن اولیه آستنیت از کربن در طول آنیل بین بحرانی، اتفاق می افتد که در شکل ها نشان داده شده است. سرد شدن نسبتاً آرام اولیه، منجر به غنی شدن آستنیت باقی مانده از کربن می شود که این پایداری آستنیت باقی مانده را افزایش می دهد.

اثر اضافه کردن نیتروژن به فولاد TRIP نورد سرد شده برای فولادهای حاوی %0,2C آنیل شده در دمای 800- 830 و آستمپر شده در 400-450، استحکام و ازدیاد طول را به دنبال داردو توازن بین استحکام کششی و ازدیاد طول را برقرار می کند. چگالی رسوبات ALN - نیترید آلومینیوم - با افزودن نیتروژن، افزایش می یابد.

مقدمه
در دهه های اخیر تلاش های بسیاری برای تولید فولاد های با استحکام بالا و در عین حال با چقرمگی قابل ملاحضه برای استفاده در صنعت خودرو صورت گرفته است. در کنار استحکام بالا نیاز است که شکل پذیری فولاد نیز بالا باشد تا بتوان قطعات پیچیده را تولید کرد .

اصطلاح - Transformation Induced plasticity - TRIP بهبود رفتار تغییر شکل مومسان فولاد در اثر تغییر حالت آستنیت به مارتنزیت در نتیجه ی اعمال نیروهای مکانیکی - اولین بار توسط Zackay در سال 1967 به کار گرفته شد

]فولادهای دو فازی در مقایسه با فولاد های TRIP از عناصر آلیاژی کربن، منگنز و سیلسیم بهره می برد . افزون بر این کروم، مولیبدن و نیوبیوم عناصر آلیاژی متداولی هستند که ممکن است در این فولادها به کار روند. 

هنگامی که آستنیت به یک ساختار نهایی مثل فریت، پرلیت یا بینیت استحاله می یابد، شرایط آستنیت اولیه، به خصوص اندازه ی دانه های آن، جهت ریزکردن بیشتر ریزساختار و دست یابی به خواص مکانیکی عالی بسیار مهم است. واضح است که تشکیل آستنیت - و بنابراین تشکیل دانه های آن - به شدت به ساختار اولیه ی فولاد بستگی دارد 

اثر نیتروژن بر روی خواص مکانیکی ورق های فولادی TRIP نورد سرد شده تست های کششی به منظور مطالعه اثر نیتروژن بر روی خواص مکانیکی فولادهای با ترکیب شیمیایی %0/2C - 0/003-0/015 - N %0/04Al %1/5Si %1/5Mn که اغلب در دمای 800-830 آنیل شده و به دنبال آن در دمای 400- 450 آستمپر شده اند انجام شده است نتایج حاصله حاکی از این می باشد که هم استحکام کششی و هم ازدیاد طول افزایش می یابند و تعادل استحکام کششی در ازدیاد طول با اضافه کردن نیتروژن به فولاد TRIP بهبود داده می شود. مشخص شده است که چگالی رسوبات AlN با اضافه کردن نیتروژن افزایش می یابد کسر حجمی آستنیت باقی مانده به خاطر رسوب AlN افزایش می یابد زیرا رسوبات تغییر شکل آستنیت در طول سرد شدن و آستمپرینگ را به تأخیر می اندازد.کاهش وزن برای بازده سوخت یک فاکتور اصلی است که در ساخت اتومبیل در نظر گرفته می شود. برای پرداختن به چنین نیازهائی تحقیق بر روی توسعه فولادهای استحکام بالا با قابلیت تغییر فرم عالی برای ساخت قسمتهای مختلف اتومبیل انجام می شود.

مشخص شده است که فولاد TRIP یک ترکیب عالی از استحکام و انعطاف پذیر در مقایسه با فولادهای رسوب سخت شده می باشد. تغییر شکل ناشی از کرنش آستنیت باقی مانده موجود در فولاد TRIP که در طول تغییر شکل اتفاق می افتد منجر به تشکیل مارتنزیت می شود. به گونه ای که یک ترکیب نسبتاً خوبی از تغییر فرم و استحکام بدست می آید.

به کاربردن پدیده TRIP برای تولید فولاد با استحکام فوق العاده بالا بدون کاهش قابلیت تغییر شکل توجه بسیاری از سازنده های فولاد را به خود جلب کرده است.

مشاهده شده است که کربن، منگنز و سیلسیم عناصر آلیاژی تقریباً موثر برای فولادهای TRIP هستند اینچنین عناصر برای پایدار کردن آستنیت باقی مانده به خاطر جلوگیری از رسوب کاربید در طول واکنش بینیت مشارکت دارند.

به هر حال فولادهایی با مقادیر بالای سیلسیم مشکلاتی را در فرآیند جوش مطرح و ایجاد می کنند. به منظور کاهش مقدار چنین عناصری بدون کاهش استحکام و انعطاف پذیری تحقیقاتی انجام شده است و راه حل هایی نیز پیشنهاد شده است.

فولادهای TRIP حاوی آلومینیوم پیشنهاد شده است و اثرات Al و Si بر روی خواص TRIP مقایسه شده است.

تغییر فاز مشابهی برای سیکلهای حرارتی مختلف آزمایش شده است تا اپتیمم و مقدار بهینه عملیات حرارتی برای فولادهای TRIP مشخص شود.

اثر نیتروژن بر روی پدیده TRIP به ندرت از طریق اضافه کردن نیتروژن که می تواند تشکیل رسوبات بدهد و بر روی رفتار تغییر شکل و استحاله در فولادهای TRIP تأثیر بگذارد، گزارش شده است.

خواص مکانیکی
شکل - 1 - تغییر استحکام کششی - Ts - 1 ازدیاد طول - El - 2 و استحکام تسلیم - Ys - 3 به عنوان تابعی از مقدار نیتروژن در فولادهای حاوی %0/2C را نشان می دهد.

شکل : 1 خواص مکانیکی به عنوان تابعی از مقدار نیتروژن برای فولادهای آنیل شده در 830 C و سپس آستمپر شده در دمای .400 C

مقدار %0/03 نیتروژن اجتناب ناپذیر است و بعنوان یک ناخالصی در فرآیند ذوب باقی می ماند. نیتروژن عملاً با استفاده از گاز نیتروژن در فرآیند ذوب برای فولادهای با نیتروژن بالاتر از %0/01 اضافه می شود.

آزمایشات نشان داده اند که هم استحکام و هم ازدیاد طول برای فولادهای با مقدار نیتروژن %0/01 و حتی بالاتر از این مقدار از فولادهایی که مقدار %0/003 نیتروژن دارند بیشتر است.

بنابراین مشخص شده است که تعادل استحکام در ازدیاد طول برای فولادی که نیتروژن به آن اضافه شده نسبت به فولادهایی که بدون نیتروژن هستند بالاتر است.

اثر رسوب ALN بر روی ویژگیهای آستنیت باقی مانده

میکروساختار و خواص مکانیکی فولادهای TRIP نورد سرد شده به شرایط آنیل وابسته است. با رجوع به سیکلهای حرارتی معمولی فولادهای TRIP به کار برده شده در خط آنیل پیوسته همانطور که در شکل - 2 - نشان داده شده است روشن است که در طول آنیل بحرانی آستنیت در دو مرحله اصلی تشکیل می شود.

شکل :2 شماتیک دیاگرام سیکل حرارتی

در ابتدا جوانه زنی لحظه ای آستنیت در کلونی های پرلیت و یا مرزدانه کاربیدها اتفاق می افتد و به دنبال آن این جوانه ها بطور آهسته به داخل فریت رشد می کنند.

در طول آنیل برای یک زمان کوتاه دمای آنیل باید برای اطمینان از کامل حل شدن کاربیدها بالا باشد تا یک میکروساختار دو فازی شامل فریت و آستنیت شکل بگیرد.

این نکته حائز اهمیت است که رسوبات می توانند استحاله و اندازه دانه در فولادهای TRIP را در طول فرآیند آنیل تحت تأثیر قرار دهند. به منظور تأثیر و بررسی اثر رسوب بر روی مورفولوژی و خواص مکانیکی لازم است رسوبات بدون محلول جامد عناصر اضافه شده تشکیل شوند. مثلاً به عنوان مثال استخراج اثر رسوبات در

فولادهایی که نیوبیوم به آن اضافه شده به خاطر Nb در محلول جامد شکل است.

خواص مکانیکی فولادی که نیتروژن به آن اضافه شده است
همانطور که شکل - - 3 نشان می دهد موقعی که نیتروژن به فولاد اضافه می شود استحکام آن به اندازه 30-50 Mpa و ازدیاد طول آن به اندازه 3-7% افزایش می یابد.

شکل:3 اندازه دانه فریت + بینیت و آستنیت باقیمانده حاصل شده توسط EBSD در ورق نورد سرد شده فولادهای S و S-N آنیل شده در 830 C و سپس آستمپر شده در .400 C

تعادل استحکام کششی در ازدیاد طول به اندازه حدود %30 مقدار اولیه با اضافه کردن %0/01 نیتروژن به فولاد بیشتر می شود. همانطور که در شکل - 4 - و - 5 - مشاهده می شود فولادهایی که نیتروژن به آنها اضافه شده است نسبت به فولاد TRIP بدون نیتروژن - البته با صرف نظر از دمای آنیل - خواص بهتری از خود نشان می دهند.

شکل :4خواص مکانیکی به عنوان تابعی از دمای آنیل بین بحرانی فولادهای تمپر شده در .400 C

شکل :5 خواص مکانیکی به عنوان تابعی از دمای آستمپر فولادهای آنیل شده در .830 C

بنابراین می توان نتیجه گرفت که اضافه شدن نیتروژن اثر قوی و موثری بر روی بالا بردن استحکام و ازدیاد طول با کاهش هزینه دارد. تغییرات کسر حجمی آستنیت باقی مانده و سرعت کرنش سختی به عنوان تابعی از کرنش در شکل - 6 - به ترتیب موجود است.

شکل:6 تغییرات درصد آستنیت باقیمانده بر حسب کرنش حقیقی نکته قابل توجه این جا می باشد که استحاله آستنیت باقی مانده به مارتنزیت در طول تغییر شکل منجر به تولید نابجائی می شود و بنابراین نتیجه اش افزایش تنش سیلان می باشد.

گذشته از این مارتنزیت تولید شده باعث افزایش در سرعتهای کرنش سختی می شود که علت آن نابجائی های تولید شده در فصل مشترک های بین فریت و مارتنزیت می باشد.

می توان مطالب فوق را در رابطه با رفتار فولاد TRIP چنین بیان کرد که در این فولاد ازدیاد طول بالا می رود زیرا استحاله آستنیت باقیمانده شروع گلویی شدن را به تأخیر می اندازد.

مشاهده شده است که پایداری آستنیت باقی مانده در مقابل تبدیل به مارتنزیت تحت تأثیر کرنش با کاهش اندازه، افزایش می یابد. بنابراین آستنیت باقی مانده که دانه بندی آن بزرگ باشد ناپایدار شده و در کرنش کم به مارتنزیت تبدیل می شود - تغییر فاز می دهد - در حالیکه آستنیت باقی مانده که اندازه دانه اش کوچک باشد پایدارتر می باشد و می تواند تا کرنشهای بالاتری باقی بماند.

تحقیق و آزمایشاتی که توسط jonge و همکارانش انجام شد نشان می دهد که بیشترین آستنیت باقی مانده با اندازه ذره ای بالاتر از 1 m در کرنش حدود %5 به مارتنزیت تغییر شکل می دهند. شایان ذکر است که هیچگونه توافقی منحصر به فردی در رابطه با اثر اندازه ذرات آستنیت باقی مانده بر روی انعطاف پذیری وجود ندارد. تعدادی از محققان معتقدند که آستنیت باقی مانده به اندازه ذرات کوچکتر از 1 m به آن TRIP کمک نمی کند در حالیکه برخی دیگر به این امر معتقدند که ذرات آستنیت کوچکتر اثر کمی بر روی داکتیلیتی - انعطاف پذیری - دارند به خاطر اینکه آستنیت باقی مانده با اندازه زیر میکرون پایداری مکانیکی از خود نشان می دهند حتی بعد از تغییر شکل %10 هم این پایداری قابل مشاهده است.

فولادهای دو فازی
در بین AHSS ها فولادهای دو فازی که در حال افزایش یافتن هستند وسیعترین و بیشترین استفاده را در صنعت اتومبیل دارند. علت آن این است که فولادهای دو فازی ترکیب عالی از استحکام و نرمی را ارائه می دهند و در یک زمان مشابه قابلیت تولید آن نسبت به بقیه فولادها آسان است.

برخی از خواص مکانیکی فولادهای دو فازی در جدول - 1 - مشاهده می گردد.

جدول :1 فولادهای دو فازی و خواص مکانیکی آنها