مقايسهي رفتار تغييرشكل گرم دو نوع فولاد زنگ نزن دوفازي ريختگي محبوبه پويامنش*1، بيت اله اقبالي2 ، غلامرضا ابراهيمي3، محمد سعادتي4

چكيده
در اين پژوهش، رفتار در حين تغيير شكل گرم دو نوع فولاد زنگ نزن دوفازي ريختگري شده در مقياس آزمايشگاهي و با درصدهاي گوناگون عناصر كروم، نيكل و موليبدن مورد مطالعه قرار گرفته است. فولادها در سه دماي گوناگون 900، 1000 و C˚1100 با نرخ كرنشهاي 1/0 و1-sec001/0 با استفاده از آزمون فشار گرم مورد تغيير شكل گرم قرار گرفتند. منحنيهاي سيلان بدست آمده از هر دو فولاد مورد بررسي و تحليل قرار گرفتند. نتايج بدست آمده بيانگر آن است كه رفتار تغيير شكل گرم اين دو فولاد به شدت تابع دما و نرخ اعمال كرنش ميباشد. حساسيت نرخ كرنش (m) براي هر دو نوع فولاد تعيين شد كه در محدودهي دمايي 900 تا C˚ 1100 مقدار m براي فولاد C1 از 27/0 تا 23/0 و براي فولاد C2 از 09/0 تا 22/0 تغيير يافت. انرژي اكتيواسيون ظاهري در دماهاي پايين و بالا براي فولاد C1 ، 316 و kJ/mol 375 و براي فولاد C2 ، 780 و kJ/mol 390 محاسبه گرديد.

واژههاي كليدي: فولاد زنگ نزن دوفازي ريختگي، فشار گرم، ضريب حساسيت به نرخ كرنش و انرژي اكتيواسيون.

دانشجوي كارشناسي ارشد مهندسي مواد، دانشگاه صنعتي سهند.
دانشيار مهندسي مواد، دانشگاه صنعتي سهند.
استاديار مهندسي مواد، دانشگاه تربيت معلم سبزوار.
دانشجوي كارشناسي ارشد مهندسي مواد، دانشگاه صنعتي سهند.
m_estiri2000@yahoo.com :نويسندهي مسئول مقاله -*
پيشگفتار
رفتار فلزات در حين تغيير شكل در دماي بالا پيچيده بوده و به شدت تابع فراسنجهاي فرايند از قبيل كرنش، نرخ كرنش و دما ميباشد. در جريان تغييرشكل فلزات و آلياژها در دماهاي بالا معمولاً فرايندهاي ترميم ديناميكي با دو ساز و كار مهم بازيابي ديناميكي و تبلور دوبارهي ديناميكي ميتواند در ريزساختار فلزات رخ دهد. وقوع اين گونه تحولات ريزساختاري رفتار تغييرشكل فلز را به گونهي قابل ملاحظه اي تغيير ميدهد[1, 2] .
وقتي كه يك آلياژ دوفازي در دماهاي بالا تغييرشكل داده مي شود، رفتار كلي تغييرشكل آلياژ به خصوصيات هر كدام از فازهاي تشكيل دهنده از قبيل: خواص مكانيكي آن فازها، مقدار، مورفولوژي، اندازه و توزيع فاز دوم نيز بستگي پيدا مي كند. تحقيقاً ديده شده است كه مورفولوژي ميكروساختار و كسر حجمي هر دو فاز، نقش مهمي را در فرايندهاي تغييرشكل گرم ايفا مي كند[3, 4]
.
تا به امروز مطالعات زيادي در خصوص رفتار تغيير شكل گرم فولادهاي زنگ نزن دوفازي در شرايط كارشده1 صورت گرفته و نتايج آن منتشر شده است، اما در ارتباط با بررسي رفتار تغيير شكل اين فولادها در شرايط ريختگي دادههاي زيادي در دسترس نيست. لذا، در اين پژوهش، رفتار تغيير شكل گرم دو نوع فولاد زنگ نزن ريختگي با تركيب شيميايي گوناگون مطالعه شده است. هدف اصلي بررسي تاثير فراسنجهاي فرايند تغيير شكل بر قابليت كار گرم اين فولادها بوده ضمن اينكه تاثير تركيب شيميايي نيز بر رفتار تغييرشكل آنها مقايسه شده است.

مواد و روش پژوهش
در اين پژوهش، ابتدا دو نوع فولاد در مقياس آزمايشگاهي و با مقادير گوناگون كروم، نيكل و موليبدن و با كنترل دقيق تركيب شيميايي در يك كورهي القايي ذوب و در قالبهاي ماسهاي استاندارد Y بلوك ريختهگري شد كه تركيب شيميايي آنها در جدول 1 ارايه شده است. در جدول ياد شده دو فولاد ريختهگري

شده با كدهاي C1 و C2 نامگذاري شدهاند و از اين به بعد، در مورد هر كدام از آنها از اين نامگذاري استفاده ميشود. سپس از فولادهاي خام ريخته شده، نمونههاي فشاري به شكل استوانه به قطر اوليهي 10 ميليمتر و ارتفاع اوليهي 15 ميليمتر تهيه گرديد. گفتني است كه پيش از آزمون فشار گرم، تمام فولادها در دماي C˚1250 به مدت 2 ساعت تحت عمليات حرارتي همگنسازي قرار گرفتند.
در مورد هر دو فولاد، نمونهها به مدت 20 دقيقه در دماي C˚1350 پيشگرم شده و سپس تا دماي تغيير شكل (900، 1000،C˚1100 ) سرد شدند. پس از نگهداري نمونهها به مدت 1 دقيقه در دماي تغييرشكل، تحت فشار گرم با نرخ كرنش 1/0 و -sec001/0 قرار گرفتند.

نتايج و بحث
همانگونه كه در شكل 1 نشان داده شده است، ريز ساختار فولادها پس از فرآيند همگنسازي داراي كسر حجمي گوناگوني از آستنيت و فريت ميباشند. در شكل 1 مشاهده ميشود كه در دماي اتاق كسر حجمي آستنيت در فولاد C2 بيشتر از فولاد C1 است. گفتني است نسبت فريت به آستنيت در اين فولادها با دما تغيير ميكند [4, 5].
منحنيهاي سيلان فولادهاي زنگ نزن دوفازي C1 و C2 در شكل 2 نشان داده شده است. به خوبي از منحنيهاي سيلان مربوط به فولاد C1 (شكل 2 الف) ديده ميشود كه تنش سيلان تا تنش بيشينه به سرعت افزايش يافته و سپس با افزايش كرنش، تغييري محسوس در آن صورت نگرفته است، اما مشاهده ميشود كه با افزايش دما و كاهش نرخ كرنش (شكل 2 ب)، منحنيها يك پيك تنش تكي را نشان ميدهند كه در پي آن كاهشي تدريجي تا كرنش حدود 7/0 ايجاد شده است. ملاحظه ميگردد كه عمدتاً پيكها (شكل2 الف) با افزايش دما و كاهش نرخ كرنش ظاهر شدهاند. با مقايسهي شكلهاي 2(الف) و 2 (ب) نتيجه ميشود كه سطح تنش سيلان و تنش بيشينه در همهي شرايط در فولاد C2 بيشتر از فولاد C1 است كه اين امر به دليل كسر حجمي بالاتر آستنيت در فولاد C2 نسبت به فولاد C1 ميباشد.
نرخ كرنش &ε و دماي تغييرشكل اغلب به وسيلهي فراسنج معروف زنر- هولومان بر اساس رابطهي زير به هم مربوط ميشوند[6] : (1) (z=ε&exp(−Q RT/

كه Q و R بهترتيب انرژي اكتيواسيون و ثابت جهاني گازها ميباشند. تغيير شكل مواد فلزي دماي بالا به وسيلهي اكتيواسيون حرارتي كنترل ميشود. در واقع، انرژي اكتيواسيون، سد انرژي است كه براي ايجاد تغييرشكل بايد بر آن غلبه شود. در طول تغيير شكل گرم، بسته به اينكه ميكروساختار فريتي يا آستنيتي در ساختار غالب باشد، انرژي اكتيواسيون (انرژي تغيير شكل گرم) تغيير ميكند.
در يك كرنش مشخص، تنش سيلان و نرخ كرنش ميتوانند به صورت زير با هم رابطه داشته باشند[7]: (2) σ=c.ε&m
كه c يك مقدار ثابت است. با ديفرانسيلگيري از معادله(2)، مقدار m ميتواند بهصورت فرمول زير بيان شود[2, 8, 9] :
247682-101566

m (3)

با تركيب معادلههاي 1- 3 رابطهي زير براي محاسبهي Q بدست ميآيد[2, 8, 9]:
31321454481

Q = mR .∂∂(ln1Tσ) (4)
شكل 4 تغييرات تنش سيلان با نرخ كرنش را در منطقهي حالت پايدار منحني تنش-كرنش حقيقي براي دو فولاد C1 وC2 نشان ميدهد. مقدار m (ضريب حساسيت به نرخ كرنش) شيب منحني ميباشد و براي فولاد C1 با افزايش دما از 900 به C˚1100 بهترتيب از 268/0 تا 226/0 و براي فولاد C2از 096/0 تا
219/0تغيير كرده است. تفاوت در مقدار m در هر دو فولاد و همچنين، اختلاف اين مقدار در دماهاي پايين و بالا به اين دليل است كه نخست،كسر حجمي فريت و آستنيت در دو فولاد متفاوت است و دوم، كسر حجمي آستنيت در دماهاي پايين و بالا تغيير ميكند. مقدار m به دانسيتهي نابهجاييها وابسته است. هر چه تحرك نابهجاييها بيشتر باشد، مقدار m بالاتر است[3]. در دماهاي بالا، حذف نابهجاييها و آرايش دوباره، يعني بازيابي ديناميكي آنها در فريت راحتتر صورت ميگيرد، ولي در آستنيت بازيابي ديناميكي آهسته است و نابهجاييهاي بيشتري در هم قفل ميشوند و تحرك كمتري دارند و در نتيجه، مقدار m پايينتري ايجاد ميكنند. مقدار m در فولاد C1 با افزايش دما كاهش يافته است كه اين نتيجه با منحني شكل 3 نيز سازگار است زيرا با افزايش دما كسر حجمي آستنيت افزايش يافته است. در فولاد C2 كسر حجمي آستنيت با افزايش دما كاهش يافته است (شكل 3)؛ مقدار m نيز با افزايش دما افزايش يافته است. مقادير m در تمام محدودهي دمايي در فولاد C1 كمتر از فولاد C2 ميباشد كه اين تفاوت به دليل اختلاف كسر حجمي فريت و آستنيت در دو فولاد ميباشد.
با تركيب مقادير بدست آمدهي m و شيب حاصل شده از شكل 5، انرژي اكتيواسيون ظاهري در دماهاي پايين و بالا براي فولاد C1 به ترتيب kJ/mol 316 وkJ/mol 375 و براي فولاد C2 به ترتيب kJ/mol 780 و kJ/mol390 محاسبه شد. تغييرات انرژي اكتيواسيون با دما در شكل 6 آورده شده است. در مواد با انرژي نقص چيدن بالا مثل فريت، در دماهاي بالا ساز و كار لغزش متقاطع و صعود نابهجاييها به راحتي رخ ميدهد.
بنابراين، حذف و آرايش دوبارهي نابهجاييها در اثر بازيابي ديناميكي منجر به مقاومت تغييرشكل پايين ميشود[3]، ولي آستنيت انرژي نقص چيدن پاييني دارد و سرعت اندك بازيابي ديناميكي منجر به تبلور دوبارهي ديناميكي ميشود. ميتوان نتيجه گرفت كه انرژي اكتيواسيون Q براي تبلور دوبارهي ديناميكي در مواد آستنيتي، بالاتر از بازيابي ديناميكي در آلياژهاي فريتي است. با توجه به اينكه فولاد C1 در مقايسه با فولاد C2 مقدار فريت بالاتري دارد، پايين بودن مقدار Q آن قابل توجيه ميباشد.

نتيجهگيري
با افزايش دما و كاهش نرخ كرنش در هر دو فولاد C1 و C2 تبلور دوبارهي ديناميكي رخ ميدهد.
با افزايش دما و كاهش نرخ كرنش در هر دو فولاد C1 و C2 تبلور دوبارهي ديناميكي رخ ميدهد.
مقدار ضريب حساسيت نرخ كرنش(m) در دماهاي پايين و بالا براي فولاد C1 به ترتيب 268/0 و226/0 و براي فولاد C2 096/0 و 219/0 محاسبه شد.
انرژي اكتيواسيون ظاهري (Q) در دماهاي پايين و بالا براي فولادC1 به ترتيب kJ/mol316 وkJ/mol 375 و براي فولاد C2 به ترتيب kJ/mol 780 و kJ/mol 390 بدست آمد كه در فولادهاي زنگ نزن دوفازي، نيرو محركه تغيير شكل گرم ميباشد.
مقدار Q براي فولاد C2 نسبت به فولاد C1 بيشتر است كه اين اختلاف به كسر حجمي بالاتر آستنيت در فولاد C2 مربوط ميباشد.

منابع
1- P. Cizek., and B.P. Wynne., “A mechanism of ferrite softening in a duplex stainless steel deformed in hot torsion”. Materials Science and Engineering A, 1997. 230 (1-2): p. 88-94.
-2 L. Duprez., B.C. De Cooman., and N.
Akdut., “Flow stress and ductility of duplex stainless steel during high-temperature torsion deformation”. Metallurgical and deformation”.

پيوستها
Metallurgical and Materials Transactions A, 2002. 33(7): p. 1931-1938.
H. Farnoush., A. Momeni., K. dehghani., J. Aghazadeh Mohandesi., and H. Keshmiri., “Hot deformation characteristics of 2205 duplex stainless steel based on the behavior of constituent phases”. Materials & Design. 31(1): p. 220-226.
P. Mao., K. Yang., and G. Su., “Hot deformation behavior of an as-cast duplex stainless steel”. Cailiao Kexue Yu Jishu (Journal of Materials Science & Technology) (China), 2003. 19: p. 379-381.
O. Balancin., W.A.M. Hoffmann., and J.J. Jonas., “Influence of microstructure on the flow behavior of duplex stainless steels at high temperatures”. Metallurgical and Materials Transactions A, 2000. 31(5): p. 1353-1364.
F.J. Humphreys., and M. Hatherly., “Recrystallization and related annealing phenomena”. 2004: Pergamon Pr. 7- W.F. Hosford., and R.M. Caddell., I. Books24x., “Metal forming: mechanics and metallurgy”. 2007: Cambridge University
Press.
J. Luo., “Effect of the strain on the deformation behavior of isothermally compressed Ti-6Al-4V alloy”. Materials Science and Engineering: A, 2009. 505(1-2): p. 88-95.
S. Bruschi.,”Workability of Ti-6Al-4V alloy at high temperatures and strain rates”. Materials Letters, 2004. 58(27-28): p. 36223629.

جدول 1- تركيب شيميايي فولادهاي مورد استفاده.
Creq/Niea %Ti %Cu %Mn %Nb %N %Si %Mo %Ni %Cr %C فولاد
4/6 0/004 0/37 1/12 0/06 0/06 0/40 1/59 3/39 27/90 0/08 C1
2/6 0/004 0/37 0/67 0/06 0/06 0/25 2/8 6/4 20/76 0/07 C2

شكل 1- ريزساختار نمونههاي همگن شده (الف): فولاد C2 (ب) : فولاد C1.

(الف) (ب)
شكل 2- منحنيهاي تنش حقيقي- كرنش حقيقي فولادهاي C1 وC2 حاصل از تغيير شكل گرم در دماهاي گوناگون با نرخ
كرنش 1−ε. = 0.1S.

شكل 3- وابستگي كسر حجمي آستنيت به دما براي دوفولاد C1 و C2 پيش از آزمون فشار گرم.

شكل 4- تغييرات تنش سيلان با نرخ كرنش براي فولادهاي C1 و C2.

شكل5- تغييرات تنش سيلان با دماي تغييرشكل براي فولادهاي C1 و C2.

شكل6- تغييرات انرژي اكتيواسيون با دما براي فولادهاي C1 و .
C2



قیمت: تومان


پاسخ دهید