بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، نورد گرم فولاد زنگنزن آستنیتی 304LAISI مورد بررسی قرار گرفت. به این منظور، آزمایشهای تجربی نورد تک پاس با دماهای اولیه 600œC و700œC و سرعتهای نورد40rpm و 80 انجام شد. سپس ریزساختار محصول نورد شده و خواص مکانیکی آن تعیین شد. به این منظور از متالوگرافی نوری، XRD و آزمونهای کشش و سختی سنجی استفاده گردید.
همچنین فرایند نورد گرم توسط آنالیز ترمومکانیکی اجزاء محدود مورد مطالعه واقع شد و تغییرات دما و توزیع کرنش معادل پیشبینی شد. با بررسی نتایج آزمونهای تجربی و نتایج شبیهسازی مشاهده میشود که با کاهش سرعت نورد و کاهش دما، استحکام کششی و تنش تسلیم افزایش پیدا کرد. همچنین با استفاده از نتایج شبیهسازی مشاهده شد در دمای 700œC اختلاف دمای سطح و مرکز به 94 œC میرسد.
از طرف دیگر در سرعت نورد ثابت، با افزایش دما غیر همگنی در توزیع کرنش پلاستیک بیشتر شد. در بررسی ریزساختار با استفاده از تصاویر نوریو نتایج XRD مشاهده شد، با توجه به اینکه در این محدوده دمایی، این فولاد مستعد تشکیل M23C6 میباشد، اما به علت درصد پایین کربن و مدت زمان پیشگرم کم، که 20 دقیقه میباشد، کاربید مرز دانه مشاهده نشد.
مقدمه
فولاد زنگنزن به علت داشتن مقاومت به خوردگی عالی یکی از پرکاربردترین مواد مهندسی میباشد. این مقاومت بالا، از وجود مقدار زیاد کروم در آنها ناشی میشود. مقدار کم کروم، مثلاً %5، مقاومت به خوردگی آهن را مقداری افزایش میدهد، اما برای رسیدن به فولاد زنگ نزن، حداقل %12 کروم لازم است 1]و.[2 فولاد 304 یکی از پرکاربردترین نوع فولادهای زنگنزن آستنیتی است که در بازار به شکلهای مختلفی موجود میباشد3]و4و.[5 قابلذکر است که نورد گرم در محدوده دمایی بین 0/4 تا 0/65 دمای ذوب انجام میشود و تحت شرایط بهینهای از نورد گرم، بهبود قابلتوجهی در خواص مکانیکی، افزایش دقت ابعادی، کاهش مصرف انرژی و افزایش عمر ابزار به دست میآید
نظر به اینکه فولادهای زنگنزن آستنیتی مقاومت به خوردگی و شکلپذیری بالایی دارند، در قسمتهای مختلفی همچون الکترونیک، خودرو و صنایع ساختمانی کاربرد زیادی داشته [7] و همچنین مطالعات محدودی درباره نورد گرم فولاد زنگنزن آستنیتی 304 و شبیهسازی آن انجام شده است، لذا در این پژوهش جهت بررسی خواص مکانیکی و ریزساختار محصول نورد شده از این فولاد، این فرایند بهصورت عملی و تئوری در شرایط نورد با دماهای اولیه 600 œC و700 œC و سرعتهای نورد 40rpm و80rpm مورد مطالعه قرارگرفته است.
روش تحقیق
ترکیب شیمیایی ورق فولاد زنگ نزن آستنیتی AISI304L مورداستفاده در این پژوهش، در جدول 1 آمده است. نمونههای نورد با ضخامت اولیه4mm و طول و عرض به ترتیب 100mm و 40mm تهیه گردید. در ابتدا، برای از بین بردن اثر کار مکانیکی قبلی، نمونهها به مدت 30 دقیقه در دمای 1020œC ، آنیل شده و سپس تا دمای اتاق در هوا سرد شدند. برای بررسی تأثیر پارامترهای مختلف نورد بر خواص و ساختار فولاد، نمونهها تحت شرایط مختلف دمایی 600œC و 700œC و سرعتهای نورد40rpm و 80rpm با کاهش ضخامت 25% بررسی شدند. قطر غلتک ها 150mm بوده و همچنین از استون برای تمیز کردن غلتکها استفاده شد.
برای انجام آزمون کشش، نمونهها طبق استاندارد E8ASTMو در جهت موازی با نورد ماشینکاری شدند. سپس با سرعت 2mm/min تحت آزمایش قرار گرفتند. برای انجام آزمایش سختی ابتدا سطح نمونهها سمباده زده شدند و سپس از سطح نمونهها در نواحی میانی سختی ویکرز با نیروی 30kg و به مدت 30 ثانیه به تعداد حداقل 7 بار گرفته شد و میانگین آن ها گزارش شد. بهمنظور بررسی ریزساختار نمونههای نورد شده، متالوگرافی نمونهها انجام شد. در ابتدا در جهت ضخامت محصول نورد شده با دستگاه wire cut، نمونه متالوگرافی تهیه شد و سپس سنباده زدنی نمونههابا استفاده از سنبادههای 120، 240، 360، 600، 800، 2000،1000 و 3000 انجام شد. بعد از آن پولیش با دستگاه دیسکگردان با محلول اکسید آلومینیوم با اندازه 0/3 میکرون و سپس 0/05 میکرون انجام شد. سپس نمونهها با محلولی با ترکیب زیر اچ شدند.
HOAC 10ml_ HCL 15ml_HNO3 10ml
نمونهها در مدتزمان 50 الی 120 ثانیه اچ شدند که این مدتزمان به عوامل مختلفی ازجمله میزان کرنش اعمالشده و دمای نورد بستگی داشت. جهت مشاهده و عکسبرداری از نمونهها از میکروسکوپ نوری Olympus BX51M و برای تعیین فازهای نمونه از دستگاه پراش پرتو ایکس PANalyticla Xpert PRO MPO استفاده شد و آزمایش XRD از سطح نمونههای نوردشده انجام گرفت و برای آمادهسازی نمونهها، سنبادهزنی و پولیش انجام گرفت. لازم به ذکر است که در قسمت مدلسازی عددی از یک مدل ترمومکانیکی بر مینای فرمولاسیون اجزا محدود استفاده گردید.
با در نظر گرفتن شرایط تغییرشکل کرنش صفحهای؛ جهت مشبندی ورق از المانهای مستطیلی Quad-dominated دارای چهار گره استفاده شد. در المانبندی ورق موردنظر از المانهایCPE4RT که المان خطی 4 گرهای، انتگرالگیری شده به روش کاهش هستند استفادهشده است و در المانها هم جابجایی و همدما در نظر گرفته شد. همچنین بهمنظور انتخاب تعدادالمان، ابتدا آنالیز مش انجام گرفت که در نهایت ورق با استفاده از 800 الی 900 المان، حالت بهینه حاصل گردید.
نتایج و بحث
در شکل1 تغییرات دما در حین نورد که از شبیهسازی بهدستآمده، آوردهشده است. همانطور که انتظار میرود کاهش دمای سطح به علت تماس با غلتکهای نورد، شدید بوده درحالیکه مرکز ورق، به علت گرمای ناشی از تغییر شکل ابتدا افزایشیافته اما بعد از خروج از منطقه تغییر شکل به علت گرادیان دمایی بین سطح و مرکز ورق نورد شده، انتقال حرارت اتفاق میافتد و دمای سطح مجدداً افزایش پیدا میکند. شکل 2 نیز تغییرات کرنش مؤثر بعد از نورد گرم با دماهای اولیه متفاوت را نشان میدهد. همانطور که ملاحظه میشود با افزایش دمای اولیه تا حدی بر غیر همگنی توزیع کرنش افزوده میشود که علت آن میتواند افت بیشتر دما برای دمای پیشگرم 700œC و اثر آن بر رفتار سیلان فولاد باشد.
شکل3 منحنی تنش کرنش در نمونه آنیل و نمونههای نورد شده با سرعت 40rpm با کاهش ضخامت 25% در دمای 600œC و 700œC را نشان میدهد. مشاهده میشود در اثر افزایش دما از 600œC به 700œC، تنش تسلیم و استحکام کششی، کاهشیافته است. این نتایج نشان میدهد که با کاهش دمای اولیه، دانسیته نابجاییها و یا به عبارتی کارسختی بیشتری در نمونه نورد شده ایجادشده است. با توجه به دمای پایین و سرعت بالای نورد، وقوع تبلور مجدد دینامیکی بعید میباشد
