بخشی از مقاله
چکیده
در پژوهش حاضر تأثیر دمای آنیل بر ریزساختار و خواص مکانیکی فولاد آستنیتی TWIP با درصد وزنی Fe-17Mn-0.6C-2Al پس از فرایند نورد تبریدی و استحاله برگشت مارتنزیتی مورد بررسی قرار گرفت. هدف اصلی از این تحقیق ارتقا خواص مکانیکی فولاد TWIP با استفاده از ریزدانه کردن از طریق عملیات ترمومکانیکی بازگشت مارتنزیت با اعمال نورد تبریدی بوده است. ابتدا برای از بین بردن ساختار نوردی نمونه تحت شرایط آنیل در کوره در دمای 800℃ به مدت 10 دقیقه هممحور شد. سپس نمونهها در نیتروژن مایع به مدت 3 دقیقه قرار گرفت و بلافاصله با اعمال کرنش توسط نورد به میزان 70 درصد در پاسهای متعدد، کاهش ضخامت یافت.
در ادامه نمونهها در حمام نمک در دمای 700-620 ℃ به مدت 1 دقیقه فرایند آنیل بازگشت را طی نمودند. بهمنظور مشخصهیابی نمونهها از آزمون پراش پرتوایکس، فریتوسکوپ، کشش تکمحوری و میکروسکوپ نوری و الکترونی روبشی استفاده شد. بررسیهای ریزساختاری نشان داد که با آنیل نمودن در بازه دمایی 700-620℃ و به مدت 1 دقیقه بازگشت بهطور کامل صورت گرفته است.
مقدمه
معمولاً بیش از 60 درصد وزن خودرو از انواع ورقه ای فولادی تشکیلشده است.[1] بهمنظور دستیابی به اتومبیلهایی با وزن کمتر، مصرف پایین و ایمنی بالا، با آلودگی کم زیستمحیطی، صنعت فولادسازی بهصورت مداوم در حال پیشرفت است. استفاده وسیع از مواد با استحکام بالا یک راهحل مهم برای دستیابی به کاهش وزن در خودرو است.[2] فولادهای TWIP پتانسیل مناسبی برای استفاده در قطعاتی از اتومبیل که نیازمند ترکیب همزمان از استحکام و انعطافپذیری بالا دارند را ایجاد میکنند
از میان مکانیزمهای استحکامدهی مختلف، ریز کردن دانهها روشی است که منجر به بهبود همزمان استحکام و چقرمگی میشود.[4] یکی از روشهایی که در تولید فولادهای فوقریز دانه مورداستفاده قرار میگیرد و بسیار نیز موردتوجه محققین بوده است، فرآیند مارتنزیت است. در این روش، آستنیت که در برخی فولادها بهصورت یکفاز نیمه پایدار است در اثر تغییر شکل به مارتنزیت تبدیل میشود.
مکانیزم اصلی تغییر شکل در این فولادها به انرژی نقص در چیده شدن - SFE - سیستم آلیاژی بستگی دارد. اعمال کرنش در شرایطی که انرژی نقص چیدن - بین 5 ⁄ تا - 40 ⁄ در محدوده وقوع استحاله مارتنزیتی است، افزایش کسر حجمی را در پی دارد.[4] هر عاملی که سبب افزایش تشکیل مارتنزیت گردد، به دلیل بیشتر خرد شدن مارتنزیت در ادامه فرایند تغییر شکل و افزایش عیوب کریستالی درون قطعه که مکانهای مناسبی برای جوانهزنی آستنیت در حین عملیات آنیل بعدی محسوب میشوند، شرایط لازم برای رسیدن به ساختار فوقریز دانه را فراهم میکند.
این فرایند یعنی نورد سرد و آنیل فولاد مارتنزیتی برای تولید فولادهای فوقریز دانه برای اولین بار سوجی[5] با %50 نورد سرد ساختار مارتنزیت در فولاد کربنی ساده با %0/13 کربن و آنیل در دمای با 500 C به مدت 30 دقیقه موفق به تولید فولاد فوقریز دانه با اندازه 180 نانومتر شد. تیانفو[6] با %93 نورد سرد تیغههای مارتنزیت و آنیل در محدوده 600-100 C و به مدت480- 60 دقیقه به محدوده اندازه دانه 300 -20 نانومتر در یک فولاد ساده کربنی با %0/17 کربن دستیافت. این روش بهراحتی قابلیت تولید انبوه را داشته و بعلاوه محصول نهایی عاری از هرگونه آلودگی و ناخالصی است.
مواد و روش تحقیق
ترکیب شیمیایی فولاد بکار رفته در این تحقیق در جدول 1 نشان دادهشده است. فولاد مزبور تحت عملیات نورد قرارگرفته و در بین هر پاس به مدت 3 دقیقه در محیط نیتروژن مایع در دمای حدود -196℃ قرار گرفته تا ضخامت آن به میزان %70 کاهش یابد. جهت انجام این فرایند نورد سرد نمونههایی با ابعاد 20*10*3/5 mm آماده گردیده و سپس نمونههای نورد شده در دمای 620-700℃ به مدت زمان 1 دقیقه در حمام نمک آنیل شدند. بهمنظور مشاهده ریزساختار از محلول نایتال %2 استفادهشده است.
همچنین ریزساختار نهایی توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی مدل XL30 PHILIPS با ولتاژ kv 15 مشاهده گردیده است. بهمنظور تعیین کسر حجمی مارتنزیت و آستنیت از دستگاه فریتوسکوپ ساخت شرکت Fischer مدل FMP30 و جهت ارزیابی خواص مکانیکی نمونهها از آزمون کشش مطابق با استاندارد ASTM-E8 با سرعت فک 0/5 mm/min در دمای محیط و موازی با جهت نورد انجام شد. ارزیابی تغییرات فازی در حین انجام فرایند توسط دستگاه پراش پرتو X با مدل Philips X'PERT MPD با تابش - - در محدوده 100-10 درجه با نرخ پیشروی 0/05 درجه بر ثانیه صورت گرفت.
نتایج و بحث
شکل -1الف تصویر میکروسکوپ نوری فولاد پرمنگنز در شرایط اولیه را نشان میدهد. با توجه به الگوی پراش پرتوایکسساختار این نمونه کاملاً آستنیتی است - شکل -1ب - . به منظور دستیابی به ساختار هممحور و از بین بردن پیشینه ساختار نوردی، فولاد مذکور در دمای 800 درجه سانتیگراد و به مدت 10 دقیقه در کوره قرار گرفته و سپس در هوا سرد شده است - شکل. - 2 میانگین اندازه دانهها حدود 15 0/5 میکرون محاسبه گردیده است.
پس از حذف ساختار نوردی و دستیابی به ساختار هممحور فرایند مارتنزیتی با نورد در محیط فوق تبریدی ادامه مییابد. 0 شکل 3 اندازهگیری کسر حجمی مارتنزیت توسط دو روش پراش پرتوایکس و فریتوسکوپ را نشان میدهد.
طبق یافته محققان محلهایی مانند باندهای برشی، میکرو باندها، دوقلوییها، نقوص چینش و مارتنزیت حاصل از تغییر شکل پلاستیکی شدید، مکانهای ایده آلی برای جوانه زنی فاز مارتنزیت میباشند.[5] میزان عیوب ریزساختاری با اعمال کارسرد افزایش مییابد که این امر منجر به افزایش مکانهای مناسب برای جوانهزنی مارتنزیت نیز میشود. این روند موجب رشد جوانههای مارتنزیت و افزایش کسر حجمی آنها میشود که در نمودار بالا قابل مشاهده است.
تصاویر آنیل ریزساختار و الگوی پراش اشعه ایکس در دماهای 620-700 درجه سانتیگراد به مدت 1 دقیقه در شکل4 و 5 مشاهده میگردد. همانطور که مشاهده میشود مارتنزیت در مدتزمان 1 دقیقه بهطور کامل بازگشت یافته است. همچنین متوسط اندازه دانهها در جدول 2 ارائهشدهاند که محدوده آنها مؤید ایجاد ساختار فوق ریزدانه است.
