چکیده:
ســه نــوع فــولاد بــر مبنــای فــولاد آســتنیتی مقــاوم بــه حــرارت 25-12 Si Ni GX40Cr بــا افــزودن مقادیــر مختلــف منگنــز (۲، ۶ و ۱۲ درصـد) طراحـی گردیـد. جهـت بررسـی اثـر منگنـز بـر ریزسـاختار و خصوصیــات مکانیکــی، محاســبات ترمودینامیکــی، خصوصیــات ریزســاختاری و خصوصیــات مکانیکــی نــورد بررســی قــرار گرفــت.
نتایـج نشـان داد کـه سـاختار زمینـه هـر سـه نـوع فـولاد در درجـه حــرارت محیــط (اتــاق) کامـلاً آســتنیتی بــوده ولــی کاربیدهــای ,M23C6 NbC در مــرز دانه هــای آســتنیت رســوب کــرده اســت. امــا بـا افزایـش مقـدار منگنـز تعـداد کاربیدهـا افزایـش یافتـه و توزیـع آنهـا یکنواخت تـر گردیـد. هنگامـی کـه منگنـز از ۱/۹ تـا ۱۲/۰۶ درصـد بــالا رفــت، اســتحکام نهایــی کشــش، اســتحکام تســلیم و ازدیــاد طــول نســبی بــه ترتیــب ۱۴/۶، ۸ و ۴۶/3 درصــد افزایــش یافتنــد.
ارتقــای خصوصیــات مکانیکــی فولادهــای آســتنیتی را میتــوان بــا اســتفاده از نظریه هــای کاســیک استحکام دهی آلیــاژی شــامل اســتحکام دهی محلــول جامــد، اســتحکام رســوبی و ریــز شــدن دانه هــا تشــریح نمــود. افزایــش در اســتحکام آلیــاژی میتوانــد مرتبــط بــا اســتحکام دهی محلــول جامــد و اســتحکام دهی رســوبی در اثــر افــزودن منگنــز باشــد، امــا ارتقــای پلاستیسیته فولادهــای آسـتنیتی را میتـوان از دو منظـر ظریـف شـدن دانه هـا و یکنواخـت شــدن فازهــای رســوبی تشــریح نمــود.
مقدمه
فولادهـای مقـاوم بـه حـرارت بـه دلیـل مزیت هـای عملکـرد عالـی در درجـه حـرارت بـالا، مقاومـت خـوب بـه اکسـید شـدن و مقـاوم بـه خوردگــی در اثــر تنــش در محیط هــای کاری بــا درجــه حــرارت بــالا در زمینه هــای صنعتــی ماننــد نیــروگاه بــرق، صنایــع نفــت، صنایــع شــیمیایی و خــودرو اســتفاده میشــوند، البتــه توســعه ســریع صنایــع بــرای عملکــرد فولادهــای مقــاوم بــه حــرارت موجــب طــرح الزامــات بالاتــری گشــته اســت.
بــرای مثــال افزایـش قوانیـن سـختگیرانه در نشـر آلایندگـی خودروهـا و اسـتفاده از فن آوری هــای جدیــد در خــودرو کــه موجــب افزایــش مســتمر در درجـه حـرارت گازهـای خروجـی اگـزوز شـده کـه نیازمنـد بـه اسـتفاده از آلیاژهایـی بـا مقاومـت بالاتـر حرارتـی اسـت، در مقایسـه بــا فــولاد فریتــی مقــاوم بــه حــرارت، فــولاد آســتنیتی مقــاوم بــه حــرارت عناصــر آســتنیت زای بیشــتری در محلــول جامــد داشــته بنابرایــن در دمــای بــالا خصوصیــات مکانیکــی بهتــری دارد، ایــن فولادهـا بـه طـور گسـترده در تولیـد صفحـات نگه دارنـده در سیسـتم تولیــد آمونیــاک، لوله هــای ابــر گرمکــن (ســوپر هیتــر) بویلرهــا و پوسـته های توربیـن خودروهـا و غیـره بـه کار رفتـه مـی رود.
بــرای پایــدار نمــودن ســاختار آســتنیت در فولادهــای آســتنیتی مقــاوم بـه حـرارت معمـولا بایـد مقـدار زیـادی نیـکل بـه آلیـاژ اضافـه نمـود. بـرای مثـال میـزان نیـکل کـه معمـولا در فولادهـای آسـتنیتی مقـاوم بـه حــرارت 25-12 NiSi GX40Cr اســتفاده میشــود بیــش از ۱۲ درصــد اسـت . البتـه نیـکل یـک فلـز گران قیمـت و کمیـاب مـی باشـد کـه قیمـت آن نوسـان زیـادی در بـازار دارد و ایـن امـر بـدون تردیـد قیمـت فــولاد آســتنیتی مقــاوم بــه حــرارت را افزایــش داده و کاربــرد صنعتــی آنـرا محـدود مینمایـد. Mn و N نیـز عناصـر آسـتنیتزا بـوده کـه بـرای دســتیابی بــه یــک ســاختار کاملاً آســتنیتی میتوانــد افــزوده شــود.
امـا قابلیـت انحـلال N در فـولاد تحـت فشـار اتمسـفریک بسـیار پاییــن بــوده در حالــی کــه قیمــت افــزودن ازت تحــت فشــار بــالا نیــز بسـیار اسـت. همزمـان میـزان بـالای ازت در فـولاد بـه آسـانی میتوانـد موجـب تشـکیل مـک و نیتـرور گـردد. Yang و همکارانــش بــه طــور نظامنــد و سیســتماتیک قابلیــت انحلال نیتــروژن در مــذاب آلیاژهــای Fe-Ni-Nb, , Ni-Nb Cr- Fe-Nb Fe-Cr-Nb, از ۱۵۵۰ تــا °C ۱۶۰۰ را مــورد مطالعــه قــرار داده و گــزارش داد کــه بــا افزایــش Nb در مــذاب Fe-Nb از ۵ تــا ۲۰ درصــد میــزان انحلال N افزایــش مییابــد.
Zhang و همکارانــش بــر روی اثـر N در خصوصیـات خـزش فـولاد آسـتنیتی مقـاوم بـه حـرارت در °C ۱۰۰۰ بـرای موتورهـای خـودرو بررسـی کـرد و دریافـت کـه تفـاوت در میــزان حداقــل خــزش آلیــاژ تــا درجــه ای نزدیــک بــه مقادیــر متفــاوت افــزودن ازت (N) اســت. آن هــا همچنیــن تاثیــر نســبت N/C بـر رفتـار رسـوب کاربیدهـای M23C6 بـه طـور قابـل توجهـی خصوصیـات مکانیکــی فــولاد را در °C ۱۰۰۰ کاهــش داده همچنیــن تعــداد رســوبات M23C6بــا افزایــش نســبت N/C کاهــش یافتــه اســت.
افـزودن منگنـز بـه فـولاد آسـتنیتی مقـاوم بـه حـرارت ناحیه آسـتنیتی را توســعه داده، ســرعت بحرانــی کوئنــچ فــولاد را کاهــش و پایــداری آســتنیت را در جریــان ســرد شــدن افزایــش میدهــد. ایــن امــر بــه پیشــگیری از تجزیــه آســتنیت کمــک کــرده، امــکان باقــی مانــدن آســتنیت بــه وجــود آمــده در درجــه حرارت هــای بــالا و در درجــه حـرارت محیـط (اتـاق) را فراهـم میکنـد. مزیـت قابـل ملاحظه دیگـر افـزودن منگنـز بـه فـولاد آسـتنیتی مقـاوم بـه حـرارت ارزانـی و سـهولت دسترسـی در طبیعـت اسـت.
Zhac و همکارانـش اثـر مقــدار منگنــز بــر پایــداری آســتنیت و خصوصیــات مکانیکــی فــولاد آسـتنیتی مقـاوم بـه حـرارت کـم نیـکل آلومینیـم دار را مـورد مطالعـه قـرار دادنـد. آن هـا دریافتنـد کـه هنـگام افـزودن 3/۲ تـا ۱۲/۸ درصـد وزنـی منگنـز بـه فـولاد سـاختار زمینـه آسـتنیتی شـده و خصوصیـات مکانیکــی کلــی فــولاد نیــز در مقــدار منگنــز ۸ درصــد بهینــه خواهــد بـود. Liu و همکارانـش تاثیـر افـزودن Nb و Cu را بـر خصوصیـات خـزش فـولاد آسـتنیتی مقـاوم بـه حـرارت حـاوی مقادیـر بـالای Mn مــورد مطالعــه قــرار دادنــد و ترمودینامیــک و ســینتیک رســوبات را بـا اسـتفاده از شـبیه سـازی ترموسـینتیک تشـریح کردنـد.
امـا بنابـر مــرور تحقیقــات گذشــته مطالعــات بســیار محــدودی بــر روی اثــر میـزان منگنـز بـر ریزسـاختار و خصوصیـات مکانیکـی فـولاد آسـتنیتی مقـاوم بـه حـرارت انجـام شـده اسـت. در ابتـدای یـک سـری از تحقیقـات بـر صرفه جویـی نیـکل فولادهـای آســتنیتی مقــاوم بــه حــرارت در تحقیــق حاضــر آلیاژهــای نمونــه بــا افــزدن مقادیــر متفــاوت منگنــز بــه فــولاد متــداول آســتنیتی مقــاوم بـه حـرارت 25-12 Si Ni X40Cr G تهیـه گردیـد.
آزمایشـات بررسـی ریزســاختاری و خصوصیــات مکانیکــی انجــام شــد و تاثیــر مقــدار منگنــز بــر ریزســاختار و خصوصیــات مکانیکــی فــولاد مــورد مطالعــه قــرار گرفــت. تحقیــق حاضــر میتوانــد راهنمایــی بــرای توســعه صرفه جویـی نیـکل در فـولادی پرمنگنـز آسـتنیتی مقـاوم بـه حـرارت درآینــده باشــد.
روش آزمایش
سـه ترکیـب شـیمیایی مختلـف از فـولاد آسـتینتی مقـاوم بـه حـرارت بـر مبنـای 25-12 Si Ni Cr 40 GX بـا تنظیـم مقـدار منگنـز طراحـی گردیـد. قراضه هــای برگشــتی بــا ترکیــب مشــابه 25-12 GX40CrNiSi در یــک کـوره القایـی فرکانـس متوسـط ذوب شـد و میـزان عناصـر در مـذاب بـا افـزودن قراضـه آهـن، نیـکل صفحـه ای، منگنـز الکترولیتـی، چـدن کــرومدار کــم کربــن، فرونیوبیــم، فروسیلیســیم و غیــره تنظیــم شــد.
پـس از یکنواخـت شـدن مـذاب بـرای تعییـن سـریع ترکیب شـیمیایی نمونه هــای تبریــدی ریخته گری شــد و بعــد از ســمباده زنی بــا کاغـذ سـمباده ۲۴۰ و بـا یـک کوانتومتـر ARL3460 ترکیـب نمونه ها مشــخص گردیــد. پــس از رســیدن ترکیــب آلیــاژ بــه مشــخصات موردنظــر، مــذاب در درجــه حرارت هــای ۱۵۰۰ و °C ۱۵۵۰ درون یــک قالــب ماســه ای بــا چســب رزیــن بارریــزی شــد.
از هــر ترکیــب ســه نمونـه بـه شـکل Yریخته گـری گردیـد .در جـدول ۱ ترکیـب شـیمیایی ســه فــولاد آســتنیتی مقــاوم حــرارت ارائــه شــده اســت. مطابـق شـکل ۱ و اسـتاندارد GB/T/228-1-2010 از کـف نمونه هـای Y شـکل بـه وسـیله وایـرکات قطعاتـی بریـده شـد و از آنهـا بـه وسـیله ماشــینکاری نمونه هــای کشــش تهیــه گردیــد. بــا اســتفاده از یــک دســتگاه کشــش یونیورســال الکترونیــک بــا ســرعت اعمال بــار ۲ میلیمتــر در دقیقــه در درجــه حــرارت محیــط (اتــاق) خصوصیــات کششــی نمونه هــا مــورد آزمایــش قــرار گرفــت و میانگیــن ســه اندازه گیــری بــه عنــوان نتیجــه نهایــی ثبــت گردیــد.
از باقــی مانــده نمونه هـای Y شـکل بلوک هـای چهارگوشـی بـه ابعـاد ۱۵×۱۵×۱۵mm بــرای مطالعــات متالوگرافــی بــه روش ماشــینکاری آمــاده ســازی شــده از ۴ گــرم ســولفات مــس، ۲۰ میلیلیتــر اســید هیدروکلریــک و ۲۰ میلیلیتــر آب مقطــر بــه عنــوان محلــول اچ اســتفاده گردیــد و بــرای مشــاهدات ریزســاختاری از یــک میکروســکوپ نــوری (OM) A1 Scope ZEISS، یــــک میکروســــــکوپ الکترونـــی (SEM) LMS MIRA TESCAN مجهــز بــه یــک اســپکترومتر نشــر انــرژی (EDS) 50 X-Max اســتفاده شــد.
بــه منظــور آنالیــز فــازی یــک دیفرکتومتــر (XRD) SE SmartLab بــا تشعشــع Cu-Ka و دامنـه اسـکن ۱۰ تـا ۹۰ درجـه و سـرعت اسـکن ۲ درجـه در دقیقــه بــه کار گرفتــه شــد. جهــت تجزیــه و تحلیــل نتایــج داده هــا بــه کمــک نرم افزار9.0 Jade تفســیر گردیــد. ســختی نمونه هــا بــه وســیله یــک دســتگاه ســختی ســنج دیکــرز HV-10004 تعییــن و ســختی های ثبــت شــده بــه صــورت میانگیــن ۲۰ اندازه گیــری بــوده اسـت.
نتایج و سگالش
محاسبات ترمودینامیکی
بـر اسـاس معـادلات ۱ و ۲ بـه ترتیـب مقادیر معـادل Cr , Ni محاسـبه شــد. ســپس ســاختار زمینــه فولادهــا بــه صــورت تقریبــی بــا اســتناد بــه نمــودار Schaeffler-Delong مطابــق شــکل ۲ تعییــن گردیــد. در جــدول ۲ نتایــح محاســبات Cr و Ni معــادل ارائــه شــده اســت کــه در آن میتــوان نتیجه گیــری نمــود ســاختار زمینــه در هـر سـه فـولاد در درجـه حـرارت محیـط (اتـاق) کاملاً آسـتنیتی بــوده و هیــچ فریتــی وجــود نــدارد. بـرای محاسـبه اسـتحاله فـازی در جریـان انجمـاد تعادلـی سـه فـولاد از °C ۱۵۰۰ تــا ۲۵ از نــرم افــزار 9.0 Pro JMat اســتفاده شــد. در شــکل3 میتــوان مشــاهده نمــود.
هنگامــی کــه درجــه حــرارت بــه کمتــر از°C ۱۴۰۰ افــت میکنــد فریــت درجــه حــرارت بــالا d-Fe از مــذاب فــولاد شــروع بــه رســوب میکنــد و بــا ادامــه کاهــش درجــه حــرارت رســوب فریــت دلتــا بــه تدریــج افزایــش مییابــد. در هــر ســه فــولاد میــزان حداکثــر فریــت d در آلیاژهــای A1 , A2 , A3 بــه ترتیــب ۲۱/۶، 3۴/۶ و ۴3/۲ درصــد بــوده اســت.
البتــه هنــگام افــت درجــه حــرارت بــه میــزان معینــی فریــت دلتــا تحــت یــک واکنــش پریتکتیـک بـا فـاز مـذاب تبدیـل بـه آسـتنیت میشـود. نکتـه حائـز توجــه اینکــه مقــدار حداکثــر آســتنیت در ســه فــولاد A1 , A2 , A3 بـه ترتیـب در °C ۱۱۰۰، ۹۰۰ و 7۵۰ اسـت. در ایـن بیـن فـولاد A3 دارای بالاتریــن مقــدار آســتینت در درجــه حــرارت محیــط (اتــاق) بــوده و نشــان میدهــد. منگنــز یــک عنصــر آســتنیتزا بــوده کــه میتوانــد ســاختار آســتنیت را در فــولاد پایــدار نمایــد.
بـر اسـاس نتایـج محاسـبات در شـکل 3 ریزسـاختار هـر سـه فـولاد در درجـه حـرارت محیـط (اتـاق) شـامل آسـتنیت، فریـت و یـک مقـدار انـدک کاربیدهـای (M23C6 NbC, کـه در ایـن جـا M مبیـن Cr یـا Mn یـا Fe یـا Ni و.. اسـت) می باشد. بـه علاوه فـاز سـیگما بـا مقـدار بــالای Cr در فــولاد A1 و A2 حضــور داشــته در حالــی کــه در فــولاد A3 وجـود نـدارد.
بـه عبـارت دیگـر سـاختار زمینـه در هـر سـه فـولاد در درجـه حـرارت محیـط (اتـاق) کاملاً آسـتنیتی نیسـت. علـت ایـن امــر میتوانــد بــا در نظــر گرفتــن شــرایط انجمــاد تعادلــی مــذاب فــولاد باشــد در حالــی کــه عملاً فرآینــد انجمــاد از شــرایط تعادلــی بســیار دور اســت. از ایــن منظــر، افزایــش ســرعت ســرد شـدن در جریـان انجمـاد بـرای پایـداری سـاختار آسـتنیت در فولادهـا مفیــد می باشد.
امــا از آنجــا کــه بــر اســاس محاســبات اســتحاله فــازی اثبــات شــده منگنــز یــک عنصــر آســتنیت زا اســت، بنابرایــن میتوانــد ناحیــه فــار آســتنیت را توســعه داده و پایــداری آســتنیت را در جریـان سـرد شـدن افزایـش دهـد تـا منجـر بـه مقـدار بالاتـری آسـتنیت در فـولاد در درجـه حـرارت محیـط (اتـاق)گـردد.
خصوصیات ریزساختاری
در شــکل ۴ الگوهــای XRD ســه فــولاد بــا مقادیــر مختلــف منگنــز نشــان میدهــد کــه فازهــای موجــود در ســه فــولاد اساســاً یکســان بــوده و شــامل زمینــه آســتنیتی و کاربیدهــای (M23C6,NbC) اســت البتـه شـدت طیـف پـراش کاربیدهـا در فولادهـای A1 و A2 بـه طـول قابـل توجـه کمتـر از فـولاد A3 بـوده کـه نشـان دهنـده مقـدار بالاتـر کاربیـد در فـولاد A3 نسـبت بـه A1 و A4 و افزایـش قابـل ملاحظه مقـدار Mn در فـولاد A3 اسـت.
در شـکل ۵ ریزسـاختار سـه فـولاد بـا بزرگنمایی هـای مختلف مشـاهده میشـود کـه هـر سـه دارای یـک سـاختار دندریتـی متشـکل از زمینـه آســتنیتی و کاربیــد توزیــع شــده بیــن دندریت ها اســت. در زیــر میکروسـکوپ نـوری فـاز آسـتنیت خاکسـتری روشـن و کاربیدهـا رنـگ تیـره سـیاه می باشـد.
مقایسـه شـکل های ۵a و ۵b بـا ۵c ۵d نشـان میدهـد بـا افزایـش میـزان Mn انـدازه دندریـت و فاصلـه بازوهـای آن هــا در فــولادی آســتنیتی بــه تدریــج کاهــش مییابــد در حالــی کـه تعـداد کاربیدهـای بیـن دندریتـی بـه طـور چشم گیری افزایـش و انــدازه آنهــا اندکــی کاهــش یافتــه اســت. هنگامــی کــه منگنــز از ۶ درصــد در فــولاد و A2 بــه ۱۲/۰۶ درصــد در فــولاد A3 افزایــش می یابـد انـدازه کاربیدهـای بیـن دندریتـی افزایـش قابـل ملاحظه ای دارد.
در ایـن حـال کاربیدهـا مجتمـع شـده و بـه یکدیگـر متصل شـده و بیــن دندریت هــا یــک ســاختار شــبکه ای بــه وجــود میآورنــد. شــکل ۶ نتایــج آمــاری درصــد ســطحی کاربیدهــا در ســه فــولاد را کــه بــه وســیله نرم افــزار 6.0 Plus Pro Image تعییــن گردیــده، نشــان میدهــد. مشــاهده میشــود درصــد ســطحی کاربیدهــا در فولادهــای A1 A2, , A3 بــه ترتیــب ۶/۵۸، ۱۱/7۴ و ۱۸/۵۱ درصــد اسـت. بنابـر نتایـج مشـخص اسـت کـه بـا بـالا رفتـن مقـدار منگنـز، میــزان کاربیدهــا در فولادهــای آســتنیتی بــه طــور قابــل ملاحظه ای افزایــش مییابــد.
بــرای بررســی بیشــتر ریزســاختار ســه فــولاد مطالعــات بــا SEM و EDS انجــام شــد و نتایــج آزمایــش در شــکل 7 و جــدول 3 ارائــه گردیــده از شــکل 7 ماننــد شــکل ۵ و ۶ میتــوان نتیجه گیــری نمــود کـه بـا بـالا رفتـن تعـداد منگنـز، میـزان کاربیدهـا به طـور چشم گیری افزایــش یافتــه اســت.
ریزســاختار SEM نســبت بــه تصاویــر OM جزئیــات بیشــتری را نشــان میدهــد و در آنهــا بــه وضــوح میتــوان مشــاهده نمــود کــه بیشــتر کاربیدهــا در مــرز دانه هــای آســتینت دارای مورفولــوژی میلــه ای شــکل یــا ورقــه ای هســتند خصوصــا در شــکل های 7d و .7f علاوه بــر ایــن کاربیدهــا یــک مقــدار اندکــی فازهایــی بــا رنــگ ســفید روشــن در مرزدانه هــا بــا مورفولــوژی نقطــه ای و ظریــف قابــل رویــت اســت.
بـا تلفیـق نتایـج XRD در شـکل ۴ و نتایـج EDS در جـدول 3 میتوان نتیجه گیــری نمــود کــه فازهــای ســفید روشــن در تصاویــر SEM، کاربیدهــای NbC و فازهــای ورقــه ای و میلــه ای شــکل کاربیدهــای M23C6 هســتند. خصوصــا فازهــای در نقــاط A D, I, K, حــاوی یــک مقــدار بالایــی Nb بــوده کــه مبیــن حضــور NbC هســتند.
فازهــای مشــاهده در نقــاط C F, J, نیــز حــاوی تقریبــا ۵۰ در آهــن بــوده کـه نشـان دهنـده میـزان بـالای زمینـه آسـتنیت اسـت. نکتـه حائـز توجـه اینکـه مقـدار بـالای کربـن در نقـاط C، F و J میتوانـد ناشـی از آلودگی هــای ســطحی و اتمســفر مــواد آلــی در اتــاق نمونه بــرداری SEM باشــد.
نقــاط باقی مانــده B E, G, H, بــا مقادیــر بــالای Fe, C, Cr بـه طـور همزمـان بـه نظـر میرسـد فازهـای باشـید کـه در اینجـا M نماینـده عناصـری ماننـد Cr Mn, Fe, Ni, غیـره اسـت. بـه عبارتـی دیگـر بیشـتر فازهـای ثانویـه بیـن دندریتـی در فولادهـای آسـتنیتی می باشد. ایــن نتیجه گیــری بــا نتایــج محاســبات ترمودینامیکــی در شــکل 3 و نتایــج XRD در شــکل ۴ ســازگاری و هماهنگــی دارد.
بــرای تعییــن توزیــع کلــی عناصــر درون و بیــن دندریت هــای فــولاد آسـتنیتی، بـر روی ریزسـاختار فـولاد A3 نقشـه EDS تهیـه شـد کـه نتایـج آن در شـکل ۸ ارائـه شـده اسـت و مشـاهده میشـود در واقـع تجمـع عناصـر Cr , Nb در بیـن دندریت های فـولاد آسـتنیتی وجـود دارد کـه بـه ترتیـب بـه شـکل کاربیدهـای M23C6 و NbC هسـتند البته بـه عنـوان عناصـر آسـتنیت زا، هـم Mn و هـم Ni بـه طـور یکنواخـت درون و بیــن دندریت هــای فــولاد آســتنیتی پخــش شــده اند. آن هــا بـه صـورت محلـول جامـد درون زمینـه دندریتـی آسـتنیت و فازهـای رســوبی بیــن دندریت هــا حضــور دارنــد.
خصوصیات مکانیکی
در جـدول ۴ خصوصیـات مکانیکـی در درجـه حـرارت محیـط (اتـاق) و ســختی ســه فــولاد ارائــه شــده اســت. مشــاهده میشــود کــه بــا بـالا رفتـن میـزان منگنـز خصوصیـات مکانیکـی و سـختی فولادهـای آسـتنیتی یـک رونـد کلـی افزایشـی دارد البتـه در بیـن نتایـج افزایش خصوصیـات مکانیکـی بیشـتر از سـختی اسـت.
بـا افزایـش منگنـز از ۱/۹۹ درصــد در فــولاد A1 بــه ۱۲/۰۶ درصــد در فــولاد A3، اســتحکام نهایـی کشـش (UTS) معـادل ۱۴/۶ درصـد، اسـتحکام تسـلیم (YS) معـادل ۸ درصـد و ازدیـاد طـول نسـبی افزایـش معـادل ۴۶/3 درصـد داشـته اسـت.
همانطـور کـه در قبـل اشـاره شـد از آنجـا کـه عنصـر منگنز به دو شـکل مختلــف در فولادهــای آســتنیتی وجــود دارد، دلایــل بــرای افزایــش اسـتحکام اسـتحکام بـه لحـاظ بـالا رفتـن منگنـز نیـز میتوانـد از دو منظــر تشــریح شــود.
ابتــدا بیشــتر منگنــز درون دانه هــای آســتنیت حـل میشـود کـه موجـب اعوجـاج بلـوری دانه هـا میگـردد و زمینـه کرنـش الاسـتیک بوجـود آمـده در اثـر اعوجـاج بلـوری مقاومـت بـه لغــزش نابجایی هــا را افزایــش داده تغییــر شــکل لغزشــی را دشــوار کــرده بنابرایــن موجــب اســتحکام دهی آســتنیتی میگــردد. ایــن پدیــده همچنیــن بــه عنــوان اســتحکام دهی محلــول جامــد نیــز شــناخته میشــود.
ثانیـا یکـی بخشـی از منگنـز بیـن دندریت های آسـتنیت بـه صـورت رســوبات کاربیــدی وجــود دارد و همانطــور کــه در قبــل اشــاره شــد بــا افزایــش میــزان منگنــز تعــداد رســوبات کاربیــدی بــه طــور قابــل توجهـی افزایـش یافتـه و توزیـع آن هـا بیـن دندریت هـا یکنواخت تـر میگــردد .
ایــن فازهــای ســخت می تواننــد بــه طــور موثــری نابجایی هــا را متوقــف کننــد و مانعــی بــرای لغــزش آنهــا شــده در نتیجــه منجــر بــه اســتحکام دهی فولادهــای آســتنیتی شــوند. ایــن پدیــده همچنیــن تحــت عنــوان اســتحکام دهی در اثــر رســوب نیــز نامیــده میشــود.
بــا افزایــش مقــدار منگنــز، پلاستیسیته فولادهــای آســتنیتی یــک رونـد رو بـه بـالای کلـی را نشـان میدهـد، ایـن رونـد نیـز میتوانـد از دو منظــر تشــریح شــود. اول اینکــه افزایــش مقــدار منگنــز باعــث کاهـش انـدازه دندریت هـا و فاصلـه بازوهـای آسـتینت زمینـه شـده بنابرایــن انــدازه دانــه نیــز آســتنیت کاهــش مییابــد.
دانه هــای بیشــتری بــا تغییــر شــکل بیــن دانــه ای از طریــق لغــزش مــرز دانه هــا و چرخــش دانــه کــه باعــث ارتقــای پلاستیسیته فولادهــای آســتنیتی میشــود. از ســویی دیگــر افزایــش مقــدار منگنــز موجــب رسـوب فازهـای کاربیـدی بیـن دندریت هـا بـه شـکل ظریـف، توزیـع یکنواخــت میگــردد کــه ایــن امــر بــرای کاهــش اثــر جــدا شــدن فازهــای رســوب یافتــه از ســاختار زمینــه مفیــد بــوده و پلاستیسیته فولادهــای آســتنیتی ارتقــاء یابــد.
نتیجه گیری
بـر اسـاس محاسـبات ترمودینامیکـی سـاختار زمینـه در هـر سـه فــولاد 25-12 Si Ni G X40 G بــا مقادیــر مختلــف منگنــز در درجــه حـرارت محیـط (اتـاق) کاملاً آسـتنیتی اسـت. بـه وسـیله محاسـبات اسـتحاله فـازی اثبـات شـد منگنـز یـک عنصـر آسـتنیت زا میباشـد، میتوانــد ناحیــه فــازی آســتنیت را گســترش دهــد و پایــداری آسـتنیت در هنـگام سـرد شـدن را افزایـش داده و موجـب بـه وجـود آمـدن مقـدار بالاتـر آسـتنیت در درجـه حـرارت محیـط خواهـد شـد.
بــا افزایــش مقــدار منگنــز تعــداد رســوبات کاربیــدی بــه طــور قابــل توجهــی افزایــش یافتــه و توزیــع آنهــا در بیــن دندریت ها یکنواخـت میشـود. در بیـن ایـن رسـوبات NbC بـا مورفولـوژی بـه شــکل نقطه هــای ظریــف بــوده و کاربیدهــای M23C6 بــا مورفولــوژی بـه شـکل میلـه ای و ورقـه ای هسـتند. عنصـر منگنـز بـه طـور یکنواخت درون و بیـن دندریت های فـولادی آسـتنیتی بـه ترتیـب بـه صـورت محلــول جامــد و فازهــای رســوبی توزیــع میگــردد.
بـا افزایـش مقـدار منگنـز از ۱/۹۹ در فـولاد A1 بـه ۱۲/۰۶ درصـد در فـولاد A3 اسـتحکام نهایـی کشـش، تنـش تسـلیم و ازدیـاد طـول نسـبی بـه ترتیـب ۱۴/۶، ۸ و ۴۶/3 درصـد افزایـش مـی یابـد. افزایش اســتحکام آلیــاژ میتوانــد مرتبــط بــا استحکام دهی محلــول جامــد و استحکام دهی رســوبی در اثــر افــزودن منگنــز باشــد. ارتقــای پلاستیسیته فولادهــای آســتنیتی میتوانــد از دو منظــر تشــریح شـود: ظریـف شـدن دانه هـا و یکنواخـت و هومـوژن شـدن فازهـای رسـوبی.
منابع:
منبع خارجی: Foundry China No3. /2024
منبع فارسی: خردادماه 1403- مجله صنعت ریخته گری
ترجمه: عبدالحمید قدیمی
[1] Wang S, Zheng K, Zheng Z, et al. Oxidation behaviour and microstructure evolution of Zr-containing steel under continuous high-temperature exposure. Materials Chemistry and Physics, 2022, 275: 125324.
[2] Jung S, Jo Y H, Jeon C, et al. Effects of Mn and Mo ad- dition on high-temperature tensile properties in high-Ni-con- taining austenitic cast steels used for turbo-charger application. Materials science and Engineering: A, 2017, 682: 147-155.
[3] Wang H T, Tan J W, Chu Z, et al. Effects of composite ox- ide scale on oxidation resistance of superalloy K273. China Foundry, 2012, 9)2): 165-170.
[4] Matsumoto K, Tojo M, Jinnai Y, et al. Development of compact and high-performance turbocharger for 1,050 °C exhaust gas. Technical Review, 2008, 45)3): 1-5. 212
CHINA FOUNDRY Vol. 21 No. 3 May 2024 Research & Devel- opment
[5] Karnik A Y, Shelby M H. Effect of exhaust gas tempera- ture limits on the peak power performance of a turbocharged gasoline engine. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2010, 132)11): 112801.
[6] Zhou Y Q, Zou D, Pang Y, et al. Comparative study on the oxidation behavior of austenitic and ferritic heat resistant stainless steels at high temperatures. JOM, 2019, 71)10): 3744-3754.
[7] Zhou Y, Liu Y, Zhou X, et al. Precipitation and hot defor- mation behavior of austenitic heat resistant steels: A review. Journal of Materials Science and Technology, 2017, 33)12): 1448-1456.
[8] Buchanan K G, Kral M V, Bishop C M. Crystallography and morphology of MC carbides in niobium-titanium modified
as-cast HP alloys. Metallurgical and Materials Transactions: A, 2014, 45: 3373-3385.
[9] Lo K H, Shek C H, Lai J K L. Recent developments in stainless steels. Materials Science and Engineering: R, 2009,
65)4-6): 39-104.
[10] Jaworski A, Krawczyk L, Kubiak K. Turbine housing fail- ure due to sigma phase precipitation and embrittlement of niobiumstabilized austenitic steel casting. Journal of Materi- als Engineering and Performance, 2020, 29)3): 1535-1543.
[11] Toor I U H, Hyun P J, Kwon H S. Development of high Mn-N duplex stainless steel for automobile structural com- ponents. Corrosion Science, 2008, 50)2): 404-410.
[12] Ren W H, Wang L M. Precipitation behavior of M23C6 in high nitrogen austenitic heat resistant steel. Journal of Alloys and Compounds, 2022, 905: 164013.
[13] Yang S X, Li H B, Feng H, et al. Nitrogen solubility in liq- uid Fe-Nb, Fe-Cr-Nb, Fe-Ni-Nb and Fe-Cr-Ni-Nb alloys. ISIJ International, 2021, 61)5): 1498-1505.
[14] Zhang Y H, Li M, Godlewski L A, et al. Effects of N on creep properties of austenitic heat resistant cast steels de- veloped for exhaust component application at 1000 °C. Acta Metallugica Sinica, 2016, 52)6): 661-671.
[15] Zhang Y H, Yang J. Effect of N/C ratio on precipitation behavior of )Cr, Fe)23C6 carbide in novel cast austenitic heat resistant steels during directional solidification. Metals, 2018, 8)9): 678.
[16] Kaputkina L M, Svyazhin A G, Smarygina I V, et al. Strength of “Light” ferritic and austenitic steels based on the Fe-Mn-Al-C system. Metal Science and Heat Treatment, 2017, 58: 515
[17] Zhao Y J, Cao Y F, Wen W Y, et al. Effects of Mn content on austenite stability and mechanical properties of low Ni aluminaforming austenitic heat resistant steel: A first-princi- ples study. Scientific Reports, 2023, 13)1): 1-10.
[18] Liu T L, Cui Y X, Zheng K H, et al. Synergistic effect of grain size and second-phase particle on the oxidation be- haviour of a high-manganese austenitic heat resistant steel. Corrosion Science, 2023, 215: 111054.
[19] Liu T L, Zheng K H, Lin Y F, et al. Effect of second-phase particles on the oxidation behaviour of a high-manganese austenitic heat resistant steel. Corrosion Science, 2021, 182: 109284.
[20] Lee K H, Suh J Y, Huh J Y, et al. Effect of Nb and Cu on the high temperature creep properties of a high Mn-N
austenitic stainless steel. Materials Characterization, 2013, 83: 49-57.
[21] Ishida K. Schaeffler-type phase diagram of Ti-based alloys. Metallurgical and Materials Transactions A, 2017, 48: 4990- 4998.
[22] Zhang Y H, Li M, Godlewski L A, et al. Effective design of new austenitic cast steels for ultra-high temperature au- tomotive exhaust components through combined CALPHAD and experimental approaches. Materials Science and Engi- neering: A, 2017, 683: 195-206.
[23] Lim N S, Park H S, Kim S I, et al. Effects of aluminum on the microstructure and phase transformation of TRIP steels. Metals and Materials International, 2012,18: 647-654.
[24] Zhao S, Xie X, Smith G D, et al. Microstructural stability and mechanical properties of a new nickel-based superalloy. Materials Science and Engineering: A, 2003, 355)1-2): 96-
105.
[25] Shi F, Qi Y, Liu C. Effects of Mn on the precipitation behaviors in high-nitrogen austenitic stainless steels. Advanced Engineering Materials, PTS 1-3, 2011, 194-196:
32-37.
[26] Wang H T, Du H Y, Wei Y H, et al. Precipitation and prop- erties at elevated temperature in austenitic heat-resistant steels-A review. Steel Research International, 2021, 92)2). https://doi. org/10.1002/srin.202000378.
[27] Viherkoski M, Huttunen-Saarivirta E, Isotahdon E, et al. The effect of aging on heat-resistant cast stainless steels. Materials Science & Engineering: A, 2014, 589: 189-198.ر
