بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، فولاد TWIP فوقریزدانه/نانو ساختار با ترکیب شیمیایی Fe-31Mn-3Si-3Al به روش اتصال نورد تجمعی - ARB - در دمای اتاق تولید گردید. تحولات ریزساختاری حین فرایند ARB، توسط میکروسکوپ الکترونی عبوری - TEM - مورد بررسی قرار گرفت. همچنین خواص مکانیکی ورقهای تولیدشده توسط آزمونهای کشش تکمحوری و سختیسنجی ارزیابی شد.
نتایج نشان داد که پس از اعمال سه سیکل ARB - کرنش حقیقی معادل - 2/4، دانههای هممحور با اندازه متوسط حدود 100 نانومتر در کنار نانو دوقلویی های مکانیکی در ریزساختار تشکیلشده است. همچنین نتایج آزمونهای مکانیکی نشان داد که پس از اعمال سه سیکل ARB، استحکام کششیتقریباً به دو برابر استحکام کششی ورق اولیه - از 622 به - 1225 MPa و سختی به حدود چهار برابر سختی اولیه - از 118 به 447 ویکرز - رسیده است. هرچند ازدیاد طول کل در مقایسه با ورق اولیه کاهش زیادی داشته است - از 81 به 14 درصد - ، اما همچنان ورق تولیدشده از انعطافپذیرینسبتاً خوبی برخودار است. وجود دانههای جدید با ابعاد نانومتری در کنار نانو دوقلوییهای مکانیکی تشکیلشده در ساختار فولاد TWIP پس از اعمال سه سیکل ARB میتواند علت دستیابی به این خواص مکانیکی مطلوب باشد.
مقدمه
فولادهای آستنیتی پر منگنز TWIP1 با انرژی نقص در چیده شدن - SFE - 2 پایین بهعنوان نسل جدیدی از فولادهای پیشرفته که تحولاتی مانند دوقلویی شدن مکانیکی همراه با لغزش نابجاییها در هنگام تغییر شکل پلاستیکی در آنها اتفاق میافتد، در دو دههی گذشته بسیار موردتوجه قرارگرفتهاند. اصلیترین دلیل توجه به فولادهای TWIP امکان دستیابی به ترکیب مناسبی از استحکام و انعطافپذیری در آنها میباشد و این فولادها میتوانند در صنعت اتومبیلسازی جایگاه ویژهای را در آینده داشته باشند
تحقیقات متعددی برای بررسی تأثیر برخی از پارامترها بر روی تحولات ریزساختاری و خواص مکانیکی فولادهای TWIP انجامگرفته است. به عنوان مثال، بررسیها نشان میدهد که کاهش اندازه دانه تأثیر بسزایی در بالا بردن استحکام این فولادها دارد .[4] بااینحال، دستیابی بهاندازه دانههای زیر میکرون - فوقریز دانه - توسط روشهای متداول مانند نورد سرد و آنیل بسیار مشکل است. از سوی دیگر، توسعه مواد فلزی فوقریز/نانو دانه توسط روشهایی کهعمدتاً بر پایهی ایجاد کرنشهای پلاستیک بسیار زیاد در ماده استوار است، بسیار گسترشیافته است.
در این روشها که به روشهای تغییر شکل پلاستیک شدید - SPD - 3 معروف هستند، تغییر شکلهای ناشی از انواع فرآیندهای مکانیکی میتواند باعث ایجاد نانو ساختار و حتی مواد با اندازه دانه نانومتری گردد .[5] یکی از روشهای موفق SPD ، اتصال از راه نورد تجمعی - ARB - 4 میباشد که طی این فرایند، تغییر شکل پلاستیکی شدید از طریق چندین مرحله نورد معمولی متوالی انجام می گیرد. مزیت این روش، توانایی در تولید ورق با ساختار نانو در مقیاس صنعتی می باشد
در این تحقیق، برای اولین بار تأثیر فرایند ARB بر ریزساختار و خواص مکانیکی یک فولاد TWIP مورد بررسی قرارگرفته است.
روش تحقیق
در این پژوهش، از ورقهای فولاد TWIP با ترکیب شیمیایی Fe-31Mn-3Al-3Si پس از نورد سرد به میزان 90 درصد و آنیل در دمای 850oC به مدت 60 دقیقه و اندازه دانه متوسط 18 ʽm استفاده گردید. برای انجام فرآیند ARB از ورقهای فولاد TWIP به ابعاد 10×2 cm2 و ضخامت 1mm استفاده شد. در ابتدا برای از بین بردن چربیها و دیگر آلودگیهای سطح، ورقهای برش خورده به مدت 5 دقیقه در استون غوطهور شدند. سپس برای ایجاد یک پیوند مناسب و حذف اکسیدهای سطحی، سطوح ورقها توسط برس فولادی تمیز گردید. پس از آمادهسازی سطوح، دو ورق از فولاد TWIP از سمت سطح برسکاری شده رویهم قرار گرفته و به منظور چسبندگی بیشتر، در ابتدا، وسط و انتهای آنها خال جوش توسط جوش مقاومتی اعمال گردید.
در هر بار اعمال سیکل ARB، ضخامت ساندویچ اولیه از 2 به 1 mm کاهش پیدا کرد. همچنین ورق بدست آمده پس از سیکل اول از وسط نصف و پس از آمادهسازیمجدداً، تحت نورد با 50 درصد کاهش در ضخامت قرار گرفت. فرایند ARB تا سه سیکل ادامه پیدا کرد. از دستگاه نورد با غلتکهایی به قطر 22cm و با سرعت 7 دور بر دقیقه و ظرفیت 40 تن استفاده شد. پس از انجام هر سیکل، نمونههای مناسب برای آزمونهای ارزیابی ریزساختاری توسط پراش اشعه ایکس - XRD - و میکروسکوپ الکترونی عبوری - TEM - و خواص مکانیکی توسط ریزسختیسنجی و کشش تکمحوری تهیه گردید.
نتایج و بحث
در شکل 1، الگوهای XRD فولاد TWIP اولیه - آنیل شده - و فولاد TWIP پس از اعمال فرایند ARB - سیکل اول، دوم و سوم - نشان دادهشده است. بررسی الگوهای XRD نشان میدهد که فرایند ARB تأثیری بر ساختار فازی فولاد TWIP نداشته و همچنان ساختار آستنیتی آن حفظ گردیده است.
در شکل 2 - تصویر میکروسکوپ نوری - ، جوش سرد بین دو سطح در نمونه پس از سیکل سوم ARB به خوبی قابلمشاهده است. جوش سرد نوردی یک فرایند جوشکاری حالت جامد است که در آن اتصال اتم به اتم بین دو فلز فقط در اثر اعمال فشار به وجود میآید و هیچگونه فاز مایعی در حین فرایند ایجاد نمیشود. در عمل، هنگامیکه دو سطح عاری از آلودگی با فشار بالا در نزدیکی هم قرار گیرند، اتصالی - پیوند متالورژیکی - مستحکم بین آنها به وجود میآید. تئوری که برای توجیه سازوکار جوش سرد نوردی بیان میشود، تئوری فیلم سطحی میباشد.
براساس این تئوری، سطح فلزات در اثر عملیات سطحی نظیر برس کاری، سخت شده و انعطافپذیری کمتر میگردد. لذا، در هنگام نورد، انعطافپذیری این لایهها بهاندازهی لایههای زیرین نبوده و بنابراین، در آن ها ترک های سطحی ایجاد میشود. با افزایش فشار، مواد تازه، بکر و عاری از آلودگی از بین ترکهای سطحی به بیرون اکسترود میشوند. این مواد تازه در مجاورت هم قرارگرفته و در اثر افزایش تدریجی فشار نورد به هم جوشخورده و یک پیوند متالورژیکی بین آنها به وجود میآید
در شکل -3الف تا ج، تصاویر TEM نمونهها پس از اعمال سیکلهای مختلف ARB نشان دادهشده است. از تصاویر به خوبی مشخص است که در سیکل اول،عمدتاً نانو دوقلوییهای مکانیکی براساس سیستم اولیه تشکیل شدهاند.
