بخشی از مقاله
چکیده
فولادهای بینیتی نانوساختار دما پایین در زمره مواد و فولادهای پیشرفتهای هستند که در سالهای اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته و در صنایعخودرویی و نظامی کاربرد گستردهای پیدا کردهاند. این فولادهای پیشرفته دارای تلفیقی مناسب از استحکام و چقرمگی هستند. به سبب استحکام و چقرمگی بالا میتوان با کاهش ضخامت ورق-های فولادی، وزن سازه را پایین آورد و کارایی و عملکرد خودرو را بهبود بخشید. با وجود خواص منحصر بفرد این فولادها، مشکلاتی در تولید صنعتی این فولادها و خواص جوشکاری آنها وجود دارد.
در این پژوهش یک فولاد بینیتی کم کربن و یک فولاد بینیتی پرکربن توسط مدلهای ترمودینامیکی طراحی شد و در یک کوره القایی بدون اتمسفر محافظ تولید گردید. پس از انجام فرایند نورد گرم، دو نوع عملیات آستمپر پیوسته و ایزوترمال روی فولاد کم کربن انجام گرفت و یک نوع عملیات آستمپر ایزوترمال دما پایین روی فولاد پرکربن انجام شد و خواص مکانیکی آنها با هم مقایسه شد. نتایج حاصل نشان داد فولاد کم کربن با وجود سیکل حرارتی کوتاه مدت و قابلیت جوشکاری بالا، دارای خواص عملکردی - Ul×UTS - و تافنس ضربه شکست به مراتب بهتر از فولاد پرکربن با ساختار بینیتی دما پایین بوده است.
مقدمه
در سالهای اخیر، دسته جدیدی از فولادها تحت عنوان فولادهای بینیتی نانوساختار دما پایین، با ترکیب بهینهای از استحکام و انعطافپذیری معرفی گردیدهاند که تنها به کمک یک عملیات حرارتی همدما در محدوده دمایی پایین و بدون نیاز به عملیات کار مکانیکی شدید قابل دستیابی میباشند. ریزساختار بدست آمده در چنین حالتی شامل تیغههای فریت بینیتی است که توسط آستنیت پر کربن از یکدیگر جدا شدهاند .[8-1] با توجه به اینکه وجود فاز ترد سمنتیت سبب ایجاد سریع ترک در اثر تجمع نابجاییها در حین اعمال تنش گشته و با رشد آن به سمت تیغههای فریتی، کاهش انعطافپذیری را به همراه خواهد داشت، بنابراین عدم وجود آن سبب افزایش مقاومت ریزساختار در برابر شکست ترد میگردد.
در چنین فولادی، استحکام بالا به علت اندازه ریز فاز بینیت موجود و تبدیل آستنیت پر کربن به مارتنزیت تحت تنش و کرنش اعمالی حاصل میشود9]و.[10 بر اساس تحقیقات قبلی انجام یافته، با افزودن مقادیر مناسبی از Si و Al و بدون نیاز به استفاده از عناصر آلیاژی گران بها، میتوان از رسوب سمنتیت در فریت بینیتی و آستنیت جلوگیری کرده وفولاد بینیتی مستحکم عاری از کاربید با خواص مکانیکی بهبود یافته تولید کرد .[14-11,9] در چنین فولادی، کربن پسزده شده از فریت بینیتی به صورت محلول در آستنیت در آمده و با کاهش دمای MS سبب پایداری این فاز در دمای محیط خواهد شد.
بررسیهای ترمودینامیکی مختلف برای محاسبه دمای شروع دگرگونی بینیتی نشان دادهاند که محدودیت خاص دمایی برای تشکیل بینیت وجود نداشته و تشکیل این فاز در دماهای بسیار پایین نیز محتمل است[15] با وجود این، کاهش دمای دگرگونی بینیتی با محدودیتهایی در رابطه با سرعت واکنش همراه خواهد بود. تبدیل آستنیت به فریت بینیتی - - در دمای بسیار پایین سبب گردیده است تا دستیابی به فریتهای بینیتی با ضخامتی حدود 20nm در NLBS امکانپذیر باشد. ضمن اینکه با توجه به نتایج تحقیقات مختلف تیغههای بینیتی ضخیمتر در دماهای بالاتر حاصل خواهند شد .
[17,16,6]چنین تغییری در ریزساختارکه فریتهای بینیتی ظریفتر را باعث میشود، بهبود خواص مکانیکی را در پی خواهد داشت 18]و.[19 در فولادهای بینیتی نانو ساختار دما پایین با توجه به وجود کربن با درصد زیاد - در حدود 1 درصد - و تاثیر زیاد کربن در پایین آوردن دمای Ms و Bs فولاد محدودیتی در پایین آوردن دمای استحاله بینیتی وجود ندارد. ولی از سوی دیگر نرخ تشکیل بینیت با کاهش دما به شدت کاهش مییابد.
علاوه براین باتوجه به وجود درصد کربن بالا در ترکیب شیمیایی این فولادها به علت تشکیل مارتنزیت تمپر نشده و ترد در ناحیه درشت دانه HAZ، قابلیت جوشکاری کاهشمییابد. بنابراین تولید فولاد بینیتی با کربن پایین و استحکام بالا بسیار ضروری است. در این پژوهش سعی بر آن بود تا فولاد بینیتی کم کربن استحکام بالا با شرایط ذوب ریزی صنعتی - بدون اتمسفر کنترل شده و ذوب مجدد - و مدت زمان عملیات حرارتی کوتاه در مقایسه با فولاد بینیتی دما پایین پرکربن با هزینه تولید نسبتا ارزان و قابلیت جوشکاری مطلوب تولید شود.
مواد و روش تحقیق
بر اساس مدل ترمودینامیکی MUCG83 یک فولاد کم کربن و یک فولاد پرکربن جهت دستیابی به ریزساختار بینیتی عاری از کاربید طراحی شد و توسط یک کوره القایی بدون اتمسفر محافظت کننده ذوبریزی شد. مقادیر مختلف کربن، منگنز و نیکل در فولادها در جدول 1 ذکر شده است. از عناصر آلیاژی به مقدار مناسب جهت افزایش سختیپذیری استفاده شد. در هر دو آلیاژ از مقدار Si در حدود 1/5 درصد وزنی جهت جلوگیری از رسوب سمنتیت استفاده شد.
در فولاد پر کربن بدلیل کم بودن سینتیک استحاله بینیتی بخصوص در دماهای پایینتر، از کبالت برای افزایش سرعت دگرگونی استفاده شد. با توجه به وجود مقادیر قابل توجهی از عناصر آلیاژی نیکل و مس در ترکیب شیمیایی فولاد احتمال جدایش عناصر آلیاژی حین فرایند انجماد در ریختهگری و در نتیجه تشکیل ساختار باندینگ در میکروساختار فولاد بسیار زیاد است لذا به منظور افزایش سرعت انجماد جهت کاهش جدایش عناصر آلیاژی، عملیات ذوب ریزی در قالب فلزی انجام شد.
به منظور دستیابی به ریز ساختار همگن کار شده و همچنین کاهش ضخامت شمشهای ریختگی به مقادیر مورد نظرعملیات نورد گرم انجام شد. برای این منظور شمشهای ریخته شده پس از انجام عملیات همگن سازی در دمای 1200œC به مدت 2 ساعت، تحت عملیات نورد گرم در محدوده دمایی 950 -1100œC انجام گرفت. ضخامت شمشها از 80mm به ضخامت نهایی 10 mm و 25 mm توسط اعمال حداقل 8 پاس نورد کاهش یافت تا ورقهایی با ابعاد نهایی 10 × 230 × 300 mm و 25 × 230 × 300 mm تولید شود. تمامی سیکلهای حرارتی که جهت بدست آوردن فولاد استحکام بالا با ساختار بینیتی طراحی شد در شکل 1 و جدول 2 خلاصه شده است.
فولادهای مورد نظر و سیکلهای حرارتی طوری طراحی شدند که دستیابی به هرگونه ساختار نفوذی میسر نباشد. با توجه به سختی پذیری بالای فولادها - پارامتر طراحی ترکیب شیمیایی - و سرعت سرمایش بالا از ناحیه آستنیتی تا دمای تشکیل بینیت - پارامتر طراحی سیکل حرارتی - امکان تشکیل هر گونه ساختار نفوذی غیرممکن است و بینیت لایه ای عاری از کاربید بخش عمده ساختار فولاد را تشکیل میدهد. سیکل حرارتی A و B در شکل 1، عملیات حرارتی آستمپر پیوسته را روی ورقهای فولاد کم کربن با ضخامت 25 و 10 میلیمتر را نشان میدهد که از دو مرحله سرمایش تشکیل شده است که در سرمایش مرحله اول هیچ استحالهای به وقوع نمیپیوندد و در سرمایش مرحله دوم استحاله بینیتی بطور پیوسته حین سرمایش انجام میگیرد.
