ارزيابي تحولات ريزساختاري فولاد AISI 201L در فرايند ترمومكانيكي پيشرفته
احد رضايي*1، عباس نجفيزاده2، احمد كرمانپور3 و محمد معلمي1

چكيده
در اين پژوهش، تحولات ريزساختاري فولاد زنگنزن آستنيتي AISI 201L تحت عمليات نورد سرد و آنيل مورد ارزيابي قرار گرفت. در ابتدا، بمنظور اصلاح ساختار ريختگي فولاد 201L ، نمونههايي از جنس فولاد مزبور به مدت 15 ساعت در دماي °C1200 همگنسازي، سپس تحت عمليات فورج داغ و آنيل انحلالي قرار گرفتند. در مرحله ي بعد، عمليات نورد سرد به ميزان 95- 10 درصد كاهش ضخامت انجام شد. نمونههاي نورد شده در محدودهي دمايي °C 900 -750 به مدت 1800- 15 ثانيه آنيل شدند. بررسيهاي ريزساختاري نيز به وسيلهي ميكروسكوپ نوري، ميكروسكوپ الكتروني روبشي، دستگاه فريتوسكوپ و الگوي پراش پرتو ايكس انجام شد. نتايج آزمايشها نشان داد كه با افزايش كار سرد ميزان مارتنزيت ناشي از كرنش افزايش مييابد به گونه اي كه در كاهش ضخامت 40 درصد به حد اشباع خود، يعني 100 درصد رسيده و با افزايش بيشتر كاهش ضخامت ساختار مارتنزيتي بدست آمده، دچار تغيير شكل ميشود. از سوي ديگر، آنيل نمونههاي 95 درصد نورد سرد در دماهاي °C 850 و 900 به مدت 30 ثانيه نيز منجر به تشكيل دانههاي زير 100 نانومتر ميشود.

واژههاي كليدي: فولاد زنگ نزن 201L، مارتنزيت، نورد سرد، آنيل.

1 -كارشناس ارشد مهندسي مواد،دانشگاه صنعتي اصفهان.
استاد گروه مهندسي مواد دانشگاه صنعتي اصفهان.
دانشيار گروه مهندسي مواد دانشگاه صنعتي اصفهان.
a.rezaee@ma.iut.ac.ir :نويسندهي مسئول مقاله-*
پيشگفتار
فولادهاي زنگنزن آستنيتي، به دليل مقاومت به خوردگي خوب و انعطافپذيري مناسب از جمله مواد مهندسي هستند كه مورد توجه بسيار قرار گرفتهاند، اما خواص مكانيكي پايين، كاربرد آنها را در صنعت محدود كرده است [1]. از جمله ويژگيهاي اين گروه از فولادهاي زنگنزن، تبديل فاز آستنيت به مارتنزيت در حين عمليات تغيير شكل در زير دماي Md مي باشد. در ادامه فرايند تغييرشكل، مارتنزيت تشكيل شده در ريزساختار خرد ميشود و مكانهاي مناسب جوانهزني را براي بازگشت مارتنزيت به آستنيت در حين عمليات آنيل بعدي فراهم ميكند و در نهايت، منجر به ريزدانه شدن آستنيت و بهبود خواص مكانيكي آن ميشود. در اين فرايند، كسر حجمي مارتنزيت با افزايش ميزان تغيير شكل افزايش يافته و در يك ميزان كرنش مشخص (كرنش اشباع) به بيشترين مقدار خود ميرسد [5- 2]. ترتيب اين تبديل به اين صورت است كه ابتدا فاز آستنيت در اثر تغيير شكل به مارتنزيت اپسيلن (ε) با ساختار هگزاگونال تبديل ميشود و سپس با افزايش ميزان كرنش اين فاز به همراه آستنيت باقيمانده به مارتنزيت آلفا پرايم (ά) با ساختار تتراگونال تبديل ميشود. البته، مارتنزيت ά ميتواند به گونهي مستقيم از آستنيت نيز شكل بگيرد. در مقادير بالاتر از 15 درصد كرنش مقدار فاز مارتنزيت ε ناچيز خواهد بود. نرخ رشد ورقههاي مارتنزيت در حدود m/s 1100 تخمين زده شده است و اين امر سبب پيچيده شدن مطالعات در مورد تبديل مارتنزيتي شده و تئوريهاي موجود را مبهم نگاه داشته است. مارتنزيتα΄ روي نابجاييها و مارتنزيت ε روي نقص چيدن جوانه ميزنند به گونهاي كه نابهجاييهاي پيچي نقشي مهم در جوانهزني فازα΄ بازي ميكنند. جوانههاي اوليهي α΄ با زمينهي آستنيتي به صورت همدوست تشكيل ميشوند و زماني كه تيغههاي مارتنزيتα΄ رشد ميكنند، به صورت نيمه همبسته و ناهمبسته با زمينه در ميآيند [7- 6].
هدف از اين پژوهش بررسي تحولات ريزساختاري
فولاد زنگنزن آستنيتي AISI 201L در حين عمليات ترمومكانيكي به عنوان عاملي تعيينكننده در بهبود ويژگيهاي مكانيكي آن ميباشد.
روش پژوهش
شمش فولاد زنگنزن آستنيتي AISI 201L پس از تهيهي مذاب در كورهي القايي تحت اتمسفر محيط، در يك قالب فلزي ريختهگري شد. تركيب شيميايي اين فولاد در جدول 1 آورده شده است. بمنظور حذف جدايشها، از بين بردن ساختار ريختگي و كاهش ميزان فريت دلتاي موجود در ريزساختار شمش تهيه شده در دماي ºC 1200 به مدت 15 ساعت همگنسازي شد.
سپس عمليات فورج داغ بمنظور كاهش اندازهي دانههاي فولاد در محدودهي دمايي ºC 1200- 1000 و به صورت قالب باز انجام شد. جهت انجام آزمايشها نمونههايي با ابعاد 3 mm8×20×60 از جنس فولاد ياد شده تهيه و به مدت 150 دقيقه در دماي ºC 1100 آنيل انحلالي شدند. نمونه هاي آماده شده تا 95 درصد كاهش در سطح مقطع، نورد شده سپس در محدودهي دمايي °C900- 750 به مدت 1800- 15 ثانيه آنيل شدند. بمنظور اچ كردن نمونهها از روش الكترواچ با محلول اسيد نيتريك 65 درصد و ولتاژ V9/0 استفاده شد. ريزساختار نمونهها نيز به وسيله ي ميكروسكوپهاي نوري و الكتروني روبشي مورد بررسي قرار گرفت. افزون بر اين، از آزمون سختي ويكرز با بار kg10 جهت سختي سنجي نمونههاي نورد و آنيل شده استفاده شد و ارزيابي تغييرات فازي در حين انجام مراحل بالا نيز به وسيلهي دستگاه فريتوسكوپ و پراش پرتو ايكس صورت گرفت.

نتايج و بحث
شكل 1 ريزساختار نمونهي آنيل انحلالي شده را در دماي °C 1100 به مدت 150 دقيقه نشان ميدهد. همان گونه كه مشاهده ميشود، ريزساختار اين نمونه شامل دانههاي آستنيت (با اندازهي دانه متوسط 27 ميكرومتر) و مقدار اندكي فريت دلتا در مرز دانهها ميباشد. شكل 2 ساختار ميكروسكوپ نوري فولاد زنگنزن آستنيتي 201L را پس از 10، 30 و 50 درصد نورد سرد نشان ميدهد. همان گونه كه در شكل a- 2 مشاهده ميشود، با اعمال 10 درصد نورد سرد نزديك به 35 درصد مارتنزيت در ريزساختار تشكيل شده است. با افزايش ميزان كار سرد مقدار فاز آستنيت كاهش و مقدار مارتنزيت در ريزساختار افزايش مييابد (شكل b- 2 و c- 2). جوانههاي مارتنزيت ά ناشي از كرنش در محلهايي مانند باندهاي برشي، ميكرو باندها، دوقلوييها، نقص در چيده شدن صفحات كريستالي و مارتنزيت ε كه به وسيلهي تغيير شكل پلاستيكي شديد ايجاد شدهاند، قرار ميگيرند. مطالعات صورت گرفته در اين زمينه نشان ميدهند كه اين جوانهها بيشتر در محل برخورد باندهاي برشي تشكيل ميشوند [8]. با افزايش كار سرد، ميزان عيوب موجود در ريزساختار افزايش و از اينرو مكانهاي مناسب براي جوانهزني مارتنزيت ά نيز بيشتر ميشوند. لذا، جوانههاي مارتنزيت ά شروع به رشد ميكنند تا به حالت اشباع برسند. با ادامهي فرايند تغيير شكل، مارتنزيت تشكيل شده در ريزساختار خرد شده و عيوب درون ريزساختار به شدت افزايش مييابند.
شكل a- 3 تغييرات ميزان مارتنزيت ناشي از كرنش بر
حسب درصد كاهش ضخامت را در فولادAISI 201L نشان ميدهد. با توجه به شكل، در مراحل اوليهي كار سرد و تا حدود 25 درصد، كسر حجمي مارتنزيت ناشي از كرنش با نرخ بالا و تقريباً به صورت خطي افزايش مييابد به گونهاي كه در ادامهي كار سرد (تا حدود 40 درصد) ميزان مارتنزيت ناشي از كرنش با سرعت كمتري افزايش يافته و با ادامهي فرايند تغيير شكل تا 95 درصد، مقدار مارتنزيت تغيير چنداني نداشته و فقط دچار تغيير شكل ميشود. نمودار سختي بر حسب درصد كاهش ضخامت نيز در شكل b- 3 نشان داده شده است. همانگونه كه مشاهده ميشود، تا حدود 30 درصد كار سرد سختي با سرعت قابل توجهي افزايش مييابد (از 230 ويكرز در نمونهي خام به حدود 400 ويكرز در نمونهي 30 درصد نورد شده ميرسد). اين افزايش مقدار سختي مربوط به افزايش دانسيتهي عيوب شبكهي كريستالي و همچنين، بر اساس شكل 2، مربوط به افزايش ميزان فاز مارتنزيت ناشي از كرنش در حين افزايش كاهش ضخامت نيز ميباشد. در ادامهي كار سرد سختي با شيب ملايمي افزايش يافته تا جايي كه در 95 درصد كار سرد سختي به بيشترين مقدار خود، يعني 547 ويكرز ميرسد.
شكل 4 الگوي XRD را براي نمونه هاي گوناگون نشان ميدهد. همان گونه كه مشاهده ميشود، الگوي XRD مربوط به نمونهي آنيل انحلالي شده (الگوي A) نشان دهندهي وجود فاز آستنيت و مقدار اندكي مارتنزيت ά با پيكهاي (110)، (200) و (211) ميباشد. اين امر نشان دهندهي اين است كه دماي شروع استحالهي مارتنزيتي (Ms) براي نمونهي آنيل انحلالي بالاتر از دماي محيط است [9]. همان گونه كه در الگوي B مشخص است، پس از 95 درصد نورد سرد، تمام ريزساختار به مارتنزيت ά تبديل ميشود و پس از آنيل كردن نمونهها، مارتنزيت به آستنيت تبديل ميشود. زمانيكه دماي آنيل از °C 750 به°C 900 افزايش مييابد، شدت پيكهاي آستنيت افزايش و در مقابل شدت پيكهاي مارتنزيت كاهش مييابد. از سوي ديگر، در اين شكل مشاهده ميشود كه مارتنزيت در نمونهي نورد شده جهتگيري ترجيهي در راستاي صفحات {110} دارد در حاليكه مارتنزيت موجود در نمونههاي آنيل شده داراي جهتگيري ترجيهي در راستاي صفحات {211} ميباشد. نمونهي آنيل شده در دماي °C 900 تقريباً يك ساختار كاملاً آستنيتي را نشان ميدهد.
شكل a- 5 تغييرات كسر حجمي مارتنزيت را در نمونهي 95 درصد نورد سرد به عنوان تابعي از زمان و دماي آنيل نشان ميدهد. همان گونه كه انتظار ميرود، نرخ بازگشت مارتنزيت به آستنيت با افزايش دماي آنيل افزايش مييابد. با توجه به شكل نرخ بازگشت در زمانهاي اوليهي آنيل به مراتب بالاتر است كه اين امر به دليل دانسيتهي بسيار بالاي عيوب كه به عنوان مكانهاي مناسب جوانهزني آستنيت در حين آنيل بشمار ميروند، در زمانهاي ابتدايي آنيل ميباشد. در دماي °C 750 نرخ بازگشت مارتنزيت پايين بوده و حتي پس از گذشت 1800 ثانيه حدوداً 20 درصد درصد مارتنزيت در ريزساختار باقي مانده است. در حالي كه در دماهاي °C 800، 850 و 900 تقريباً تمام مارتنزيت به ترتيب پس از 180، 80 و 60 ثانيه به آستنيت تبديل ميشود. شكل b- 5 تغييرات سختي نمونههاي آنيل شده را به عنوان تابعي از دما و زمان آنيل نشان ميدهد. همان گونه كه در شكل مشخص است، با افزايش دما و زمان آنيل سختي كاهش مييابد. اين كاهش سختي مربوط به كاهش دانسيتهي نابهجاييها، كاهش ميزان مارتنزيت و رشد دانههاي مارتنزيت بازگشت يافته در حين آنيل ميباشد.
تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) از ريزساختار نمونههاي آنيل شده در دماهاي ºC 850 و 900 پس از گذشت 30 ثانيه در شكل 6 آورده شده است. همان گونه كه در شكل مشخص است، شاهد يك ساختار بسيار ريزدانه با دانههاي هم محور ميباشيم. ميانگين اندازهي دانههاي بدست آمده در اين شرايط براي هر دو نمونه زير 100 نانومتر ميباشد. علت ايجاد چنين ساختاري با اندازهي دانههاي نانو، دانسيتهي بسيار بالاي عيوب در ريزساختار پس از نورد سرد و اعمال كرنشهاي سنگين است. زمانيكه اين ساختار را در دماهاي نسبتاً پايين و زمانهاي بسيار كوتاه آنيل ميكنيم، به دليل وجود مكانهاي بيشمار براي جوانهزني آستنيت، دانههاي بسيار ريز تشكيل ميشوند. با افزايش زمان آنيل، دانهها رشد كرده و ميانگين اندازه ي آنها افزايش مييابد.

نتيجهگيري
فولاد زنگنزن آستنيتي 201L پايداري پايين و نرخ كارسختي بسيار بالايي را در مقابل مارتنزيت ناشي از كرنش نشان ميدهد، به گونهاي كه كه با اعمال 40 درصد نورد سرد، تمام آستنيت به مارتنزيت تبديل ميشود.
با افزايش دماي آنيل نرخ بازگشت مارتنزيت به آستنيت به شدت افزايش مييابد به گونهاي كه در نمونههاي آنيل شده در دماي ºC 850 و 900، تمام مارتنزيت به ترتيب پس از گذشت 80 و60 ثانيه به آستنيت تبديل ميشود.
آنيل نمونههاي 95 درصد نورد سرد در دماهاي نسبتاً پايين و زمانهاي بسيار كوتاه منجر به تشكيل دانههايي در ابعاد كمتر از 100 نانومتر ميشود. لذا، با كنترل شرايط دما و زمان آنيل ميتوان فولادي با دانههاي بسيار ريز و خواص مكانيكي مناسب توليد كرد.

منابع
W. F. Smith., “Structure and Properties of Engineering Materials”, 2nd ed., 1987, McGraw-Hill.
K. Tomimura., S. Takaki., S. Tanimoto., and Y. Tokunaga., “Optimal chemical composition in Fe–Cr–Ni alloys for ultra grain refining by reversion from deformation induced martensite”, ISIJ Int, 1991, A31, pp. 721–727. 3- Y. Ma., J.E. Jin., and Y.K. Lee., “A repetitive thermo-mechanical process to produce nanocrystalline in a metastable austenitic steel”, Scripta Mater, 2005, A52, pp. 1311–1315.
D.L. Johannsen., A. Kyrolainen.,and P. J. Ferreira., “Influence of annealing treatment on the formation of nano/submicron grain size AISI 301 austenitic stainless steels”, Metall. Mater. Trans. A, 2006, A37, pp. 2325–2328.
R. Song., D. Ponge., and D. Raabe., “Overview of Processing, Microstructure and Mechanical Properties of Ultrafine Grained bcc Steels”, Mater. Sci. Eng. A, 2006, A441, pp. 117.
K. Spencer., J.D. Embury., K.T. Conlon., M. Veron., and Y. Brechet., “Strengthening via the formation of strain-induced martensite in stainless steels”, Mater. Sci. Eng. A, 2004, A387–389, pp. 873-881,
J. Speer., D. Matlock., and D. C. Murdock., “Deformation Induced phase transformation and strain hardening in type 304 austenitic stainless steel”, Metall. Mater. Trans. A, 2006, A37, pp. 1875-1886.
-8 P. Hedstron., “Deformation and martensitic phase transformation in stainless steels”, Lulea University of Technology, Doctoral Thesis, 2007.
9- A. F. Padilha., R. L. Plaut., and P. R. Rios., “Annealing of cold-worked austenitic stainless steels”, ISIJ Int, 2003, A43, 135–143.

پيوستها

جدول1- تركيب شيميايي فولاد زنگ نزن آستنيتي 201L.
عنصر C Cr Mn Ni Si Mo P S N Fe
درصد وزني 0/027 16/2 5/91 3/88 0/51 0/08 0/04 0/02 0/04 Bal.

شكل 1- تصوير ميكروسكوپ نوري از ريزساختار نمونهي آنيل انحلالي شده در دماي ºC 1100 به مدت 150 دقيقه.

شكل 2- ساختار ميكروسكوپ نوري فولاد 201L پس از: (a)10% نورد سرد، (b)30% نورد سرد و
(c)50% نورد سرد.

شكل 3- نمودار (a) درصد تشكيل مارتنزيت ناشي از كرنش بر حسب درصد كاهش ضخامت (b) سختي بر حسب درصد كاهش ضخامت.

شكل 4- الگوي XRD براي نمونههاي: (A) آنيل انحلالي، (B) 95 درصد نورد سرد و آنيل در دماي ºC (C)
.به مدت 30 ثانيه 900 ºC (F) و 850 ºC (E) ، 800 ºC (D) ،750

شكل5- نمودار: (a) درصد مارتنزيت موجود در ريزساختار و(b) سختي بر حسب دما و زمان آنيل.

شكل 6- تصاوير SEM از ريزساختار نمونههاي آنيل شده در دماي: (ºC (a 850 و (ºC (b 900 پس از30 ثانيه.



قیمت: تومان


پاسخ دهید