بخشی از مقاله
چکیده
در دهه اخیر فولادهاي نانوبینایتی به عنوان مواد بسیار مناسب براي استفاده درصنایع هوایی، دفاعی و زرهی، راهآهن، خودروسازي معرفی شدهاند. بررسیها نشان میدهد با اضافه کردن برخی عناصر، تولید فولادهاي بینایتی با ساختار صفحات نازك امکانپذیر میباشد. اولین قدم در تولید فولادهاي نانوبینایتی انتخاب ترکیب شیمیایی مناسب است. در این تحقیق، فولادهایی مشابه فولادهاي کربن متوسط و کربن بالا با درصدهاي مختلفی از عناصري تاثیرگذار بر سینتیک استحاله بینایتی یعنی Co، Nb و Al مهندسی و طراحی گردید. این عناصر به دلیل نسبت اثرشان برسرعت، کیفیت و سینتیک استحاله بینایتی و ایجاد صفحات با ضخامت نانو در بینایت در ترکیب شیمیایی فولادهاي طراحی شده در نظر گرفته شدند.
جهت دستیابی به شمش با کیفیت از نظر ناخالصیها و آخالها، ذوب و ریختهگري توسط کوره القایی تحت اتمسفر کنترل شده و تصفیه مواد به وسیله عملیات ESR انجام شد. سپس خواص فولاد تولیدي از نظر ساختار، ریزساختار و خواص مکانیکی مورد بررسی و آزمایش قرار گرفت.مقایسه خواص مکانیکی فولادهاي تولید شده با دیگر فولادهاي فوق مستحکم، نشان از خواص مکانیکی عالی آنها دارد که تاثیر درصد وزنی عناصر فولادهاي مورد بررسی بر استحکام و درصد ازدیاد طول و ریزساختار مورد تحلیل واقع شدهاست.
کلمات کلیدي: فولاد نانو بینایتی، تولید، خواص مکانیکی، ریزساختار.
مقدمه
بینایت در فولاد ساختار پیچیدهاي است که تداعی کننده استحکام و چقرمگی میباشد. مزیت کاربردي فولادهاي بینایتی، استحکام بالا، انعطافپذیري و جوشپذیري مناسب میباشد. در کاربردهایی که ضربه و سایش به صورت همزمان وجود دارد، مشکل اصلی طراح انتخاب آلیاژي با چقرمگی مناسب است به صورتی که سختی و انرژي ضربه بالا داشته باشد. معمولا حفظ انعطافپذیري و انرژي ضربه بالا در سختیهاي بالا مشکل و در برخی موارد غیرممکن میباشد. برخی مواد پیشرفته داراي این خصوصیات میباشند که در موارد خاص به کار میروند و به علت بالا بودن هزینه تولید و مواد اولیه مقرون به صرفه نیستند .[3-1]
از جمله مشخصههاي این نوع فولادها که مطالعه بر روي آنها را دشوار ساخته، طبیعت دوگانه آنهاست. به این صورت که استحاله بینایتی از بعضی جهات شبیه به دگرگونی پرلیتی و از برخی جنبهها مشابه استحاله مارتنزیتی میباشد. بینایت مخلوط غیرلایهاي و دوفازي - فریت و سمنتیت - است و زمانی به وجود میآید که سرعت رشد دو فاز محصول متفاوت باشد 1]و.[2 مورفولوژي بینایت به صورت سوزنی شکل ظاهر میشود و رشد لایهها به صورت صفحهاي - شبیه مارتنزیت - است. اما تفاوت اساسی آن با مارتنزیت، سرعت آهسته تشکیل صفحات است. همچنین، تشکیل صفحات بینایت همراه با اعوجاج سطحی میباشد. ظاهرا به علت زمان نسبتا زیاد براي دیفوزیون کربن، رشد صفحات بینایتی به تعویق میافتد. بنابراین استحاله بینایتی نیاز به تغییر ترکیب شیمیایی دارد و حتماً به دیفوزیون کربن محتاج است، که از این منظر با دگرگونی مارتنزیتی متمایز میشود.
تشکیل بینایت احتیاج به زمان دارد و در یک درجه حرارت ثابت، درصد بینایت حاصل از آستنیت برحسب زمان به صورت یک تابع S شکل است - چیزي شبیه به آنجه در پرلیت مشاهده میشود - 1]و2و4و.[5هر یک از عناصر موجود در فولادهاي بینایتی علاوه بر وظایفی که در آلیاژ بر عهده دارند، روند تولید بینایت را نیز تسهیل میکنند. عنصر جداییناپذیر در فولادها، عنصر کربن است. با افزایش میزان کربن استحکام و سختی پذیري فولاد بیشتر میشود اما چکشخواري و قابلیت جوشکاري و ماشینکاري - با استفاده از ماشینهاي برش - کاهش مییابد. غلظت کربن در هر حجم بسیار کوچکی از شبکه یکسان نیست. بلکه به واسطه نوسانات حرارتی پیوسته در حال تغییر است 1]و.[5
سیلیسیم مهمترین عنصر و به عنصري براي کاهش پایینترین دماي تشکیل بینایت معروف است. هنگامی که بیش از %1 سیلیسیم در این نوع فولادها اضافه شود، باعث غنیسازي کربن در آستنیت به وسیله جلوگیري از رسوب کاربید میشود. ریزساختار به دست آمده در چنین فولادهاي غنی از سیلیسیم، متشکل خواهد بود از صفحات نازك فریت بینایتی که توسط ناحیه کربنی غنی شده، از هم جدا شدهاند 1]و6و7و.[8 آلومینیوم یک عنصر خوب براي جلوگیري از ایجاد کاربید است. با این حال در تقویت استحکام فریت نقشی ندارد. جانشینی کامل یا جزئی هیچ یک از دو عنصر آلومینیوم و سیلیسیم باعث کاهش سرعت استحاله بینایتی نشده و همچنین بر مقدار کربن در آستنیت باقیمانده اثري نمیگذارد .[8]
منگنز، از طریق کمک در اکسیژنگیري و احیا مذاب به وسیله تولید اکسید منگنز، نقش بسیار مهمی را ایفا میکند. همچنین با اصلاح اندازه دانهها استحکام کششی را بهبود میبخشد. به طور خاص، میتوان صفحات منظم با عرض 40-20 نانومتر را بدست آورد که این میکروساختار سختی ماده را افزایش میدهد 1]و.[9 کبالت و نیوبیوم در درجه اول براي استحاله هاي بینایتی دما پایین، که در آن معمولاً نرخ فرآیند بسیار آهسته است، اضافه میشود. تفاوت انرژي آزاد در آستنیت و فریت به عنوان نیروي محرکه استحاله معرفی میشود. نرخ جوانهزنی و رشد، که هر دو تابعی از نیروي محرکه هستند، میتوانند با اضافه شدن کبالت افزایش یابند.
حاصل این جوانهزنی و استحاله سریعتر، میکروساختاري ظریفتر است که به نوبه خود باعث افزایش سختی و استحکام میشود .[9] فولادهاي نانو بینایتی علاوه بر استحکام کششی بالا، شکلپذیري خوب، مقاومت به ضربه و سختیپذیري عالی، از مقاومت به سایش قابل قبولی برخوردارند. بخش عمدهاي از استحکام و سختی حاصل از صفحات فوقالعاده نازك فریت بینایتی میباشد 3]و.[12-10 دادههاي استحکام، انعطاف پذیري و چقرمگی و استحکام بدست آمده در برابر استحکام خطی را که به عنوان یک تابع از کسر حجمی فریت بینایتی است، در شکل1 نشان داده شدهاست. همچنین وابستگی معکوس سختی با ضخامت ورق در شکل2 مشهود است. ویژگیهاي بسیاري از مکانیزمهاي اتمی واکنش بینایتی وجود دارد که هنوز درك و کشف نشدهاستام.ا پیشرفتهاي شایسته اي براي گسترش طراحی کمی و کیفی فولاد ها بدست آمدهاست. اینکه میتوان بدون توجه به اندازه و شکل نهایی و با هزینهاي کم محصولات متنوعی را تولید کرد دریچهاي عظیم را به روي این نوع نانو ساختارها گشوده است .[16-13]
روش تحقیق
در این تحقیق تمرکز بر روي اضافه کردن و بررسی عناصري قرار داشت، که در ابتدا باعث افزایش سرعت استحاله بینایتی، سپس افزایش آستنیت باقیمانده و در نهایت بر کیفیت تولید لایههاي بینایت با ضخامت نانومتري شوند. پس از بررسیهاي نهایی و شناخت تاثیر عناصر مختلف بر زمان شروع و پایان تشکیل بینایت و با توجه به عدم آزمایش تاثیر عناصر Nb و Co در فولادهاي نانو بینایتی چهار ترکیب براي ریختهگري انتخاب گردید. همچنین تلاش شد ترکیب آلیاژها به گونهاي باشد که به کاهش دما استحاله نیز کمک کند. جدول 1 چهار ترکیب طراحی شده براي انجام ریختهگري و بررسی خواص را
