بخشی از مقاله
چکیده
امروزه در صنعت اتومبیلسازی، فولادهای TWIP به دلیل برخورداری از خواص ویژه استحکام و شکلپذیری حین تغییر شکل، توسعه فراوانی یافتهاند. در این فولادها انرژی نقص در چینش - - SFE عامل مهمی در پیشبینی مکانیزم و تغییر ساختار طی اعمال کرنش میباشد. در سالهای اخیر فرایندهای ترمومکانیکی پیشرفته با استفاده از استحاله مارتنزیتی در اثر کرنش و استحاله برگشت آن - فرایند مارتنزیتی - بهعنوان روشی مطلوب برای تولید فولادهای آستنیتی فوقریزدانه شناختهشدهاند. فولاد تولیدشده حاصل از این فرایند در ارتقای ظرفیت کارسختی تأثیر بسزایی دارد و دارای استحکام کششی و انعطافپذیری بسیار خوبی هستند.
اساس این فرایند تبدیل فاز آستنیت نیمه پایدار به مارتنزیت در حین عملیات تغییر شکل در زیر دمای Md30 است. در پژوهش حاضر با اعمال کرنش بر روی فولاد TWIP با ترکیب شیمیایی Fe-17 Mn-0.6 C-2Al تا حدود %70 و افزایش کسر حجمی مارتنزیت در اثر استحاله مارتنزیتی و در پی آن با کنترل پارامترهای آنیل بازگشتی، ساختار فوقریزدانه حاصل میگردد. ارزیابی تغییرات ریزساختاری توسط میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - و تغییرات فازی توسط پراش پرتوایکس - - XRD و آزمون سختی سنجی بهمنظور بررسی خواص مکانیکی در خلال مراحل صورت گرفته و نتایج نشان میدهد که در بیشترین میزان کرنش اعمالی اندازه دانه آستنیت بازگشت یافته در محدوده 150 نانومتر بدست آمده است.
کلمات کلیدی: فرایند ترمومکانیکی پیشرفته، فولاد TWIP، آنیل بازگشتی، فرایند مارتنزیتی.
مقدمه
معمولاً بیش از 60 درصد وزن خودرو از انواع ورقهای 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 یکراه حل مهم برای دستیابی به کاهش وزن در خودرو است.[2فولادهای TWIP پتانسیل مناسبی برای استفاده در قطعاتی از اتومبیل که نیازمند ترکیب همزمان از استحکام و انعطافپذیری بالا دارند را ایجاد میکنند.[1]در راستای بهینهسازی خواص فولادها مطالعات زیادی در رابطه با استحکام دهی آنها صورت گرفته که از مهمترین آنها میتوان به ریزکردن دانهها، استحکام محلول جامد، استحکامبخشی از طریق استحاله فازی، کارسختی، پیرسختی کرنشی و رسوب سختی اشاره کرد. از میان مکانیزمهای استحکام دهی مختلف، ریزکردن دانهها روشی است که منجر به بهبود همزمان استحکام و چقرمگی میشود.
در دو دهه اخیر روشهای متعددی برای تولید مواد ریزدانه ابداعشده است. این روشها را بهطورکلی میتوان به دودسته تقسیمشدهاند: فرایندهای تغییر شکل پلاستیکی شدید و فرایندهای ترمومکانیکی پیشرفته. یکی از روشهای ترمومکانیکی پیشرفته که در تولید فولادهای فوقریزدانه 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. از سوی دیگر SFE به ترکیب شیمیایی و دما بستگی دارد. بررسی تأثیر ترکیب شیمیایی بر تحولات ریزساختاری نشان میدهد که برای آنکه دوقلویی شدن بهصورت قابلتوجهی اتفاق افتد، باید انرژی نقص در چیده شدن بین5 ⁄ 2 تا40 ⁄ 2 باشد.
اگر SFE بالا باشد، لغزش نابجاییها تنها مکانیزمی است که در تغییر شکل مشارکت میکند؛ از سوی دیگر اگر SFE پایینتر باشد، استحاله مارتنزیتی بهصورت قابلتوجهی در هنگام تغییر شکل اتفاق میافتد. به همین خاطر، اعمال کرنش در شرایطی که انرژی نقص چیدن در محدوده وقوع استحاله مارتنزیتی است، افزایش کسر حجمی را در پی دارد.[3]به مارتنزیت تشکیلشده از طریق اعمال کار سرد، مارتنزیت ناشی از کرنش4 یا بهاختصار - SIM - میگویند.حد پایین و بالایی دما برای رخداد چنین استحالهای به ترتیب دمای و 30 میباشد. بهعبارتدیگر جهت تشکیل مارتنزیت ناشی از کرنش در فولادها، تغییر شکل باید در بالای دمای و پایین دمای 30 انجام گیرد.[2]در فرآیند مارتنزیت، کسر حجمی مارتنزیت و کرنش اشباع نقش مهمی را در تولید فولاد فوقریزدانه/ نانو ساختار بازی میکنند. این دو عامل خود به متغیرهای مختلفی بستگی دارند.
این متغیرها شامل شرایط تغییر شکل نظیر میزان کرنش، نرخ کرنش، دمای تغییر شکل، حالت تنش و کرنش، میزان پایداری آستنیت - ترکیب شیمیایی و اندازه دانه - و میزان دانسیته نابجاییها میباشند.[3]هر عاملی که سبب افزایش تشکیل مارتنزیت و کاهش کرنش اشباع 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 فوقریزدانه/نانو را فراهم میکند. کسر حجمی دانههای آستنیتی که ریز میشوند به کسر حجمی مارتنزیت تشکیلشده و میزان ریز شدن آنها به کرنش اشباع بستگی دارد. این تغییرات ریزساختاری اثرات قابلتوجهی بر روی خواص مکانیکی فولاد میگذارند.
این فرایند یعنی نورد سرد و آنیل فولاد مارتنزیتی یا فرایند مارتنزیتی برای تولید فولادهای فوقریزدانه برای اولین بار سوجی[4] 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 فوقریزدانه با اندازه 180 نانومتر شد. یوجی[5-6]تأثیر میزان نورد سرد را بر روی اندازه دانه نهایی و خواص مکانیکی همین فولاد را بررسی کرد .تیانفو[7] 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.هدف از پژوهش حاضر تولید فولاد TWIP فوقریزدانه بهوسیله اعمال کرنش پلاستیکی در محدودهای است که منجر به استحاله مارتنزیتی شود و در ادامه با اعمال فرایند آنیل و کنترل متغیرهای مؤثر بر آن به محدوده مدنظر ابعاد اندازه دانه دستیافت.
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 ℃ قرارگرفته 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
