ریزساختار و خصوصیات مکانیکی یک فولاد ریختگی ضدرنگ چند فازی TRIP

چکیده:

فولادهــای ضدزنــگ بــه دلیــل مقاومــت بــه خوردگــی عالــی در محیط هــای پیچیــده بــه طــور گســترده بــه کار مــیرود. فولادهــای ضدزنـگ چنـد فـازی بـه دلیـل ریزسـاختارهای مختلـف دارای تلفیقـی از اسـتحکام، چقرمگـی و مقاومـت بـه خوردگـی اسـت.

ریـز سـاختار مکانیکــی یــک فــولاد ضدزنــگ چنــد فــازی ریخته گری جدیــد بــا سـاختاری متشـکل از مارتنزیـت، فریـت و آسـتنیت بـا انجـام فرآینـد بدیــن شــرح مــورد مطالعــه قــرار گرفــت:

عملیــات حرارتــی انحلالــی در oC ۱۰۵۰ بــه مــدت ۰.۵ ســاعت ســپس کوئنـچ درآب و سـرد کـردن تـا درجـه حـرارت محیط (اتـاق)، پیرسـازی در oC ۵۰۰ بــه مــدت ۴ ســاعت بــه دنبــال آن کوئنــج در آب و ســرد کـردن تـا درجـه حـرارت محیـط (اتـاق).

نتایـج نشـان داد آسـتنیت قابـل برگشـت بـا نفـوذ نیـکل در فرآینـد پیرســازی بــه وجــود آمــده و اتم های غنــی شــده نیــکل مســتقیما پایــداری مکانیکــی آن را تعییــن میکنــد در حالــی کــه آســتنیت بــا مقــدار پائین تــر نیــکل در هنــگام تغییــر شــکل پلاستیک بــه مارتنزیــت تبدیــل میشــود.

پــس از عملیــات حرارتــی انحلالــی اســتحکام کشــش نمونــه از ۱۱۰۰ مگاپاســکال و ازدیــاد طــول نســبی از ۲۴ درصــد تجــاوز میکنــد و پــس از عملیــات پیرســازی اســتحکام کشــش بــه ۱۲۴7 مگاپاســکال و ازدیــاد طــول نســبی بــه ۲۵ درصــد میرســد.

ایـن ارتقــاء خــواص بــه دلیــل اثــر TRIP۱ یعنــی اســتحاله در اثــر اعمال تغییــر شــکل پلاستیک آســتنیت و رســوب فــاز G در انــدازه نانــو اســت کــه نابه جایی ها درفریــت و مارتنزیــت را قفــل میکنــد.

مقدمه

فــولاد ضدزنــگ بــه لحــاظ مقاومــت عالــی خوردگــی همچنیــن اسـتحکام خـوب و پلاستیسیته به طـور معمـول در تجهیزات صنایعـی ماننـد پتروشـیمی، دریایـی و واحدهـای نیـروگاه هسـته بـه کار مـیرود. بـا پیشـرفت جامعـه و اقتصـاد الزامـات عملکـردی بـرای فولادهـای ضدزنـگ افزایـش یافتـه اسـت.

اسـتحکام و پلاستیسیته یـک ارتبـاط معکـوس دارنـد کـه در طراحـی و انتخـاب مـواد نیازمنـد یـک نزدیکـی متعـادل شـده هسـتند و کسـب اسـتحکام و چقرمگـی بـالا یـک هـدف و تلاش مسـتمر بـرای محققیـن علـم مـواد اسـت برای دسـتیابی بـه فولادهای پیشـرفته جدید بـا اسـتحکام و چقرمگی بالاتــر محققیــن روش هــای استحکام دهی انجــام دادنــد کــه شــامل استحکام دهی بــا تغییــر شــکل، ریزکــردن دانه ها، استحکام دهی اســتحاله ای و به کارگیــری روش هــای کنتــرل ریزســاختار چنــد فــازی، نیمـه پایـدار و چنـد مقیاسـی اسـت (M3).

درک (M3) یعنـی حالـت چنـد فـازی، نیمـه پایـدار و چنـد مقیاسـی میتوانــد بــه عنــوان راهنمایــی بــرای توســعه فولادهــای ضدزنــگ بـا عملکـرد بـالا اسـتفاده شـود، خصوصـا بـرای فولادهـای ضدزنـگ ریختگــی زیــرا دانه بندی آنهــا درشــت اســت و نمیتواننــد بــه وســیله تغییــر شــکل حرارتــی اســتحکام یابنــد.

در مقایسـه بـا فولادهـای ضـد زنـگ تـک فـازی، فولادهـای داپلکـس و چنـد فـازی تلفیـق عالـی از اسـتحکام و چقرمگـی بـالا را دارنـد. چنیـن دریافـت شـده کـه ریزسـاختار چنـد فـازی بـرای ارتقـای پلاستیسیته و چقرمگــی در کنــار اســتحکام بــالا میتوانــد بــه طــور موثـری از کرنـش جـدا شـود.

بـه علاوه فـاز نـرم در ریزسـاختار چنـد فـازی در جریـان جـدا شـدن کرنـش منجـر بـه تشـکیل بلـور فرعـی شـود کـه همچنیـن میتوانـد خصوصیـات فـولاد را ارتقـاء دهـد. ریزســاختار حــاوی آســتنیت ناپایــدار میتوانــد بــه طــور موثــری از انبسـاط تـرک ممانعـت کنـد و در جریـان تغییـر شـکل بـه مارتنزیـت تبدیــل شــود.

اثــر TRIP ایجــاد کنــد و اســتحکام و چقرمگــی را بــه طـور هـم زمـان ارتقـاء دهـد. در کنـار ایـن امـر بـه وجـود آمـدن رسـوبات در ابعـاد نانـو درون زمینـه میتوانـد بـه طـور موثـری اســتحکام را افزایــش دهــد.

رسوبات در ابعاد نانو با افزودن Cu، Al و Si بـر مبنـای چنـد فـازی بـه وسـیله پیرسـازی بـه وجــود می آیــد و در جریــان تغییــر شــکل کششــی، نابه جایی ها را قفــل میکنــد. در تحقیـق حاضـر یـک فـولاد جدیـد ضدزنـگ ریختگـی چنـد فـازی (MPSS)3 حــاوی مارتنزیــت، فریــت و آســتنیت بــر مبنــای نمــودار Schaeffler و نرم افزار Calc Thermo طراحــی شــد.

نمــودار Schaeffler ابتــدا بــرای مطالعــه اثــر عناصــر آلیــاژی بــر ریزســاختار آلیــاژ جوشــکاری شــده اســتفاده گردیــد امــا بــه دلیــل ســرعت و ســهولت پیش بینــی ریزســاختار بعــدا بــرای طراحــی ترکیــب شــیمیایی فــولاد ضدزنــگ توســعه یافــت.

هــدف طراحـی چنیـن ریزسـاختار چنـد فـازی ارتقـاء هـم زمـان اسـتحکام و پلاستیسیته آلیـاژ اسـت. بـرای تنظیـم و تغییـر ریزسـاختار از عملیـات حرارتـی انحلالـی و پیرسـازی اسـتفاده شـد و خصوصیـات مکانیکـی از طریـق آزمایشـات کشـش در درجـه حـرارت محیـط (اتـاق) تعییـن گردیـد.

بـه منظـور بررسـی مکانیـزم پایـداری آسـتنیت و همچنیـن اثر استحکام دهی رســوبی و پیرســختی، الکتــرون میکروســکوپ عــددی (TEM) نیــز بــه کار گرفتــه شــد. بــه علاوه مطالعــات مشــروحی بــر روی خصوصیــات تغییــر شــکل کششــی و رفتــار شکســت ریزســاختار چنــد فــازی بــرای پیشبینــی پیشــرفت های آتــی در توســعه فولادیهــای ضدزنــگ چنــد فــازی انجــام گردیــد.

روش آزمایش و آلیاژها:

یــک شــمش ۱۰ کیلوگرمــی MPSS بــا ذوب در کــوره القایــی خلاء تهیـه و ترکیـب شـیمیایی آن کـه در جـدول ۱ ارائـه شـده در معـادلات ۱ و ۲ قــرار داده شــد. بنابــر محاســبات کــروم معــادل (Creq) و نیــکل معــادل (Nieq) بــه ترتیــب ۵.۱۹ و ۶.7 تعییــن شــد. در شــکل ۱a میتــوان مشــاهده نمــود مقادیــر معــادل (Cr و Ni) در ناحیــه ســه فـازی A+M+F ریزسـاختار ریختگـی شـامل سـه فـاز آسـتینت، مزیـت و مارتنزیــت قابــل پیش بینــی اســت.

در شـکل ۱b نتایـج شبیه سـازی تعادلـی انجمـاد بـه وسـیله نرم افـزار Thermo-Calc ارائــه شــده اســت. مشــاهده میشــود در حــدود oC ۱۴3۰ فــاز فریــت (d) دلتــا (BCC-A2) از فــاز مــذاب رســوب میکنـد و هنگامـی کـه درجـه حـرارت بـه oC ۱۴۲۰ کاهـش یافـت فـاز آسـتنیت (FCC-A1) شـروع بـه رسـوب میکنـد.

در ایـن زمـان آلیـاژ متشـکل از فـاز مـذاب، فـاز آهـن d و فـاز آسـتنیت اسـت. هنگامـی کــه درجــه حــرارت بــه حــدود oC ۱۰۸۰ کاهــش یافــت فــاز NbC شـروع بـه رسـوب میکنـد. بـه علاوه رسـوب فازهـای بیـن فلـزی در oC ۸۱۰، فــاز (Cu – e ) A1#3 – FCC در oC ۶۶3 و فــاز G در oC ۵۲۵ آغاز میشود.

بــرای پیشــگیری از انحلال NbC و جلوگیــری از تشــکیل یــک ریزســاختار خشــن براســاس نتایــج محاســبات نرم افــزار Thermo-Calc درجـه حـرارت محلـول جامـد oC ۱۰۵۰ انتخـاب شـده درجـه حـرارت پیرسـازی بـرای تشـکیل فـاز G،Cu e- و فـاز بیـن فلـزی در فریـت و مارتزیـت کـه بـرای ارتقـاء اسـتحکام، نابجایی هـا را نقـل میکنـد، oC ۵۰۰ انتخـاب گردیـد.

نمونــه بــه کار رفتــه بــرای مشــاهدات ریزســاختاری یــک مکعــب بــه ابعــاد ۱۰mm بــوده کــه بــه وســیله وایــرکات بریــده شــد. عملیــات حرارتــی انحلالــی در oC ۱۰۵۰ بــه مــدت ۰.۵ ســاعت و بعــد از کوئنــچ در آب و سـرد شـدن تـا درجـه حـرارت محیـط (اتـاق) تحـت عامـت S۱۰۵۰ انجــام شــد.

بعــد از عملیــات انحلالــی نمونه ها درC o ۵۰۰ بــه مــدت ۴ ســاعت پیرســخت شــده ســپس تــا درجــه حــرارت محیــط (اتــاق) در آب کوئنــچ گردیــد. ایــن عملیــات تحــت عنــوان AG500 نامگــذاری شــد. اســتحاله ریزســاختار در جریــان انجمــاد بــا کمــک نرم افزار (Thermo-Calc 10 TCFE : database) بــرای ترکیــب آلیــاژ مشــخص محاســبه شــد.

استوانه های کشـش بـرای آزمـون خصوصیـات مکانیکـی بـا طـول 3۰ و قطـر ۵ میلیمتـر آمـاده شـدند و بـا سـرعت کشـش آزمایـش نیمـه اســتاتیک ۱ میلمتــر در دقیقــه بــه وســیله ماشــین الکترومکانیــکال یونیورســال (810 MTS Model) تحــت کشــش قــرار گرفتنــد. آزمایشــات کشــش بــرای هــر عملیــات حرارتــی ســه بــار تکــرار شــد و مقادیـر میانگیـن ثبـت گردیـد.

انـدازه سـختی نیـز بـا اسـتفاده از یــک ســختی ســنج راکــول و اعمال نیــروی ۱۰۰ نیوتــن انجــام شــد. بـرای کنتـرل تکرارپذیـری نتایـج ثبـت شـده میانگیـن پنـج سـختی ســنجی بــوده اســت. تمامــی آزمایشــات مکانیکــی در درجــه حــرارت محیــط اتــاق انجــام گردیــد.

بــرای تعییــن خصوصیــات ریزســاختاری فــولاد MPSS از یــک دیفرکتومتــر XRD (D/max-2250) و یــک میکروســکوپ نــوری (OM A1 – -Scope Zeiess) و یــک الکتــرون میکروســکوپ (SEM Merlin – ZEISS) اســتفاده شــد. نمونــه اســتفاده شــده بــرای مشــاهدات ریزســاختاری پــس از بریــدن بــه وســیله وایــرکات ابتــدا توســط ســمباده ۶۰۰ و بعــد بــا کاغــذ سمباده های ۱۰۰۰ تــا 3۰۰۰ پرداخــت و در انتهــا بــا ذرات ۲ میکــرون پولیــش گردیــد.

نمونــه پرداخـت شـده بـا مخلـوط 3۰ میلـی لیتـر اسـید هیدروکلریـک و ۵۰ گـرم کلروفریـک در ۵۰ میلـی لیتـر آب مقطـر بـرای مـدت ۵ ثانیـه در درجــه حــرارت محیــط (اتــاق) اچ شــدند و پــس از آن بلافاصله بــا محلـول متانـول شسـته و بـه وسـیله یـک سشـوار خشـک گردیدنـد.

در نهایــت نمونه ها بــه وســیله یــک میکروســکوپ نــوری (OM) بــا تنظیمـات RGB۴ بـرای مشـاهده در مانیتـور جهـت تشـخیص فازهـای مختلـف بـا رنگ هـای متفـاوت مـورد بررسـی قـرار گرفـت. بـه وسـیله نــرم افــزار J Image درصــد ناحیــه فریــت بــر مبنــای تصاویــر بــه دسـت آمـده از میکروسـکوپ نـوری بـرآورد شـد و بـرای اطمینـان از اندازه گیری هــا پنــج تصویــر انتخــاب گردیــد.

نمونه های XRD بــا اندازه های mm ۱۰×۱۰×۱۰ بــا کاغــذ ســمباده و پولیــش مکانیکــی پرداخــت شــدند. درصــد حجمــی آســتنیت بــه صــورت کمــی بــا اســتفاده از تشعشــع Cu-Ka دســتگاه XRD اندازه گیـری گردیـد دامنـه اسـکن 3۰ تـا ۱۰۰ درجـه و سـرعت اسـکن 3 درجــه دردقیقــه بــوده اســت. درصــد حجمــی آســتنیت محاســبه شــده بــا طیف هــای پــراش اشــعه X بــرای پیک هــای شــبکه مکعبــی اتــم در وجــوه (FCC) و بــرای پیک هــای شــبکه مکعبــی اتــم در مــرز (BCC)  بــر مبنــای معادلــه 3 مقایســه شــد:

معادله (3)

Vg = درصد حجمی آستنیت برای هر پیک Ia و Ig = شــدت های تجمیــع شــده بــه ترتیــب پیک هــای (FCC و BCC) آســتنیت و فریــت همچنیــن الکتــرون میکروســکوپ عبــوری (F۲O Tecnai FEI , TEM) مجهــز بــه اســپکترومتر نشــر انــرژی (EDS) بــرای مشــاهده خصوصیــات مورفولــوژی و ترکیــب آلیــاژی آسـتنیت تغییـر یافتـه بـا شـتاب ولتـاژ KV ۲۰۰ بـه کار گرفتـه شـد.

نمونه های آزمایــش ابتــدا تــا ۵۰ میکــرون نــازک شــدند ســپس بــه صــورت دیسک هایی بــه قطــر 3 میلیمتــر در آمــده و در نهایــت بــا فــرز یونــی بــا یــون Ar+ ۴KV تحــت زاویــه برخــورد 7 تــا ۸ درجــه آمــاده گردیدنــد.

نتایج:

• ریزساختار

ریزســاختار متالوگرانــی و نتایــج XRD در شــرایط ریختگــی، عملیــات انحلالــی شــده (1050S) و پیرســازی شــده (AG500) در شــکل ۲ ارائــه شــده اســت. در شــکل ۲a مورفولــوژی کــروی و شــبکه ای فــاز فریــت بــا یــک درصــد حجمــی در حــدود %3/۱ ۱۸.۶± درصــد نشــان داده شــده و در شــکل ۲d در نمونــه ریختگــی آســتنیت باقــی مانــده کــه بــه طــور عمــده در لبه های مارتنزیــت بــا یــک درصــد حجمــی ۲۶.۶ درصـدی مشـاهده میشـود.

بـه علاوه ذرات ظریـف دانـه NbC در حالــی کــه فــاز غالــب ریزســاختار مارتنزیــت اســت، در ابتــدا مــرز فــاز فریــت / مارتنزیــت بــا درصــد حجمــی ناچیــز پخــش شــده کــه بــه صــورت موانــع قفــل کننــده عمــل میکننــد. ریــز ســاختار پــس از عملیــات انحلالــی در شــکل ۲b ارائــه شــده کــه درآن ریزســاختار غالــب مارتنزیــت کوئنــچ شــده اســت.

نتایــج XRD بـه دلیـل کاهـش پایـداری آسـتنیت در اثـر نفـوذ عناصـر آلیـاژی نشـان میدهـد کـه مقـدار آسـتینت پـس از عملیـات حرارتـی محلولـی کاهـش یافتـه (۱۰/3 درصـد)  و درصـد حجمـی فریـت نیـز 3.۶ ± ۲۰.۵ درصـد اسـت.

در ایـن عملیـات حرارتـی بجـای انحلال، رسـوبات ثانویـه در امتـداد مــرز دانه ها پخــش شــده اند. براســاس محاســبات بــا نرم افزار Thermo-Clac رســوبات ثانویــه میتوانــد NbC باشــد. ریزســاختار نمونــه پــس از پیرســازی در شــکل ۲c نشــان داده شــده کــه در آن مشــاهده میشــود مارتنزیــت کوئنــچ شــده بــه صــورت مارتنزیـت تـو فالـی شـکل اسـتحاله یافتـه کـه در فولادهـای مارتنزیتی کــم کربــن معمــولاً بــه وجــود می آید:

پــس از پیرســازی نتیجــه XRD نشـان میدهـد مقـدار آسـتنیت بالاتـر رفتـه و بـه ۲۴.۱ درصـد رسـیده. کـه مبیـن تشـکیل آسـتنیت تغییـر یافتـه پـس از پیرسـازی اسـت. فریـت باقـی مانـده دارای مورفولـوژی کـروی و شـبکه ای بـا افزایـش درصـد حجمـی بـه ۴.۱ ± ۲3.۱ درصـد بـوده اسـت. درصـد حجمـی ذرات NbC و رسـوبات ریـز در حـد نانـو در جریــان فرآینــد پیرســازی بســیار انــدک و ناچیــز بــوده بنابرایــن ریزســاختار باقــی مانـده مارتنزیــت اسـت.

• خصوصیات مکانیکی

شــکل 3 منحنی هــای تنــش- کرنــش نمونه ها در شــرایط ریختگــی، عملیــات انحلالــی و پیرســازی نشــان میدهــد و جــدول ۲ اســتحکام نهایــی کشــش (UTS)، اســتحکام تســلیم YS ( در ۰.۲ درصــد ســقف اســتحکام) و ازدیــاد طــول نســبی (TEL) نمونه های مختلــف ارائــه شــده اســت.

نمونه ها در شــرایط ریختگــی دارای اســتحکام کشــش ۱۱3۵ و اســتحکام تســلیم 3۵۰ مگاپاســکال و ۲۵.3 درصــد ازدیــاد طـول نسـبی داشـته و سـختی آن نیـز بـه دلیـل وجـود مقـدار زیـاد آســتنیت باقیمانــده ۲۶.۸ راکــول C بــوده اســت. منحنــی پــس از نقطــه تســلیم یــک کار ســختی بســیار مشــخص را نشــان میدهــد.

کـه ایـن امـر بـه دلیـل اثـر TRIP بـه لحـاظ تغییـر شـکل آسـتنیت ناپایــدار بــوده کــه میتوانــد بــه طــور قابــل ملاحظه ای اســتحکام فــولاد را افزایــش دهــد و بــا جلوگیــری از تشــکیل گلــوگاه چقرمگــی ارتقــاء یابــد.

پــس از عملیــات انحلالــی UTS و TEL نمونــه بـدون تغییـر باقـی مانـده ولـی YS و سـختی HRC افزایـش یافتـه و بــه ۴۰۵ مگاپاســکال 3۰.۲ راکــول C میرســد. در ایــن مرحلــه اثــر TRIP بـه میـزان زیـادی بـه دلیـل کـم شـدن مقـدار آسـتنیت کاهش مییابــد.

پــس از عملیــات پیرســازی، مقادیــر UTS ، YS و HRC نمونه ها افزایــش یافتــه و بــه ترتیــب ۱۲۴7، ۴3۶ مگاپاســکال و 33 راکــول ســی میرســد در حالــی کــه TEL تقریبــا بــدون تغییــر باقــی میمانـد. ایـن فرآینـد پیرسـازی تولیـد آسـتنیت برگشـت پذیر کـرده بنابرایــن موجــب یــک اثــر TRIP بــه طــور قابــل توجــه در هنــگام فرآینــد کشــش میگــردد.

نکتــه حائــز توجــه اینکــه مطابــق جــدول ۲ نســبت های اســتحکام تسـلیم در هـر سـه نمونـه بسـیار پائیـن اسـت کـه ایـن امـر بـه دلیـل درصـد حجمـی بـالای فازهـای نـرم (فریـت + آسـتنیت) در ریزسـاختار می باشد. در نمونــه ریختگــی مقــدار فریــت و آســتنیت ۲.۴۵ درصــد بــوده و در نقطــه تســلیم رســوبی وجــود نــدارد کــه در ریزســاختار نابجایی هـا را قفـل نمایـد.

امـا پـس عملیـات انحلالـی درصـد حجمـی آسـتینت باقیمانـده بـه طـور قابـل ملاحظه ای کاهـش یافتـه و مقـدار فــاز نــرم تــا 3۵.۸درصــد افــت مینمایــد. ایــن موضــوع موجــب کاهــش اثــر TRIP و افزایــش اســتحکام تســلیم نمونــه میگــردد.

امــا پـس از پیرسـازی درصـد حجمـی نـاز نرم تـا ۴7.۲ درصـد افزایـش یافته، تشـکیل فازهـای بیـن فلـزی نانـو، فـاز E-Cu و فـاز G در ریزسـاختار بـه طــور موثــری نابه جایی ها را قفــل کــرده و موجــب ارتقــای اســتحکام کشــش میگــردد. در تحقیــق قبلــی نگارنــدگان رســوب فازهــای بیـن فلـزی بـر خطـوط نابجایـی در فریـت کـه بـه طـور موثـری فقـدان اســتحکام آن را جبــران میکنــد، گــزارش شــده اســت.

• مورفولوژی شکست

شــکل ۴ بــه ترتیــب مورفولــوژی شکســت نمونه های کشــش در شـرایط ریختگـی، عملیـات انحلالـی شـده و پیرسـخت شـده را نشـان می دهــد. در شــکل ۴a مورفولــوژی درشــت ســاختار شکســت نمونــه ریختگــی، ترک هــای میکروســکوپی بــزرگ ثانویــه زیــادی مشــاهده میشـود. شـکل ۴b تصویـر میکروسـکوپی شکسـت نمونـه ریختگـی مخلوطــی از فرورفتگی هــا (شکســت نــرم) و شکســت نیمــه کلیــواژ (تـرد) را نشـان میدهـد.

تصویـر درشـت سـاختار مورفولوژی شکسـت نمونـه S۱۰۵۰ در شـکل ۴c نشـان دهنـده خصوصیـات شکسـت نـرم یعنـی ناحیـه الیـاف ماننـد، ناحیـه تشعشـع و لبه هـای بـرش اسـت. در مورفولـوژی میکروسـکوپی نمونـه S۱۰۵۰ نیـز سـطح شکسـت اولیـه بــا فرورفتگی هــا (دیمپــل) محــوری مشــاهده میشــود.

شـکل ۴e شکسـت ماکروسـکوپی (درشـت سـاختار) نمونـه AG۵۰۰ را نشـان میدهـد کـه خصوصیـات معمـول یـک شکسـت نـرم بـا یـک درجـه بزرگ تـر از تغییـر شـکل بــدون هیچگونـه تــرک میکروســکوپی ثانویـه اسـت و در شـکل ۴f مورفولـوژی میکروسـکوپی همیـن نمونـه نیــز نشــان دهنــده فرورفتگی هــای (دیمپــل) محــوری می باشــد.

سگالش

• تشکیل آستنیت برگشت پذیر و پایدار سازی

آســتینت برگشــت ناپذیر نشــان داده شــده کــه مانــع بــروز تــرک شــده و موجــب ارتقــای چقرمگــی فــولاد میگــردد. نمونه های MPSS در اثـر پیرسـازی میتوانـد دارای بیـش از ۱۰ درصـد آسـتنیت برگشـت پذیر بـا اثـر قابـل توجـه TRIP در فرآینـد کشـش شـود کـه موجـب افزایـش اسـتحکام و ارتقـای ۲۵ درصـدی ازدیـاد طول نسـبی میگــردد.

در شــکل ۵a در تصویــر TEM ملاحظه میشــود نمونــه پیرسـازی شـده تحـت تأثیـر هیـچ تغییـر شـکل کشـش قـرار نگرفتـه اســت. مارتنزیــت بــه شــکل توفالــی ماننــد بــوده و دارای نابجایــی بــا تراکــم بالاســت، بــه طــور کــه بیــن توفال هــای مارتنزیــت یــک فیلـم و لایـه نـازک آسـتنیت بـا ضخامـت ۱۰۰ تـا ۲۰۰ نانومتـر وجـود دارد.

براسـاس آنالیـز بـه وسـیله EDS ایـن لایـه نـازک کـه آسـتنیت برگشـت ناپذیر اسـت حـاوی مقادیـر بالاتـر Ni و Cu اسـت. در شـکل ۵b تصویــر TEM از نمونــه پیرســخت شــده پــس از تغییــر شــکل کششـی ارائـه شـده کـه در آن مارتنزیـت توفـال شـکل توزیـع شـده و تراکـم نابجایی هـا درون توفال هـای مارتنزیـت بـه دلیـل تغییـر شـکل افزایـش یافتـه اسـت.

در شـکل ۵b همچنیـن ملاحظه میشـود کـه لایـه و فیلـم نـازک آسـتنیت پـس تغییـر شـکل تحـت تنـش کاملاً بـه مارتنزیـت اسـتحاله نیافتـه اسـت. ناحیـه خـط چین هـای سـفید نشــان دهنــده بــه وجــود آمــدن اســتحاله و نواحــی مجــاور بیــن مناطـق اسـتحاله نیافتـه می باشـد.

از ایـن موضـوع چنیـن اسـتنباط میشــود کــه پایــداری مکانیکــی آســتنیت برگشــت پذیر یکنواخــت نیســت. براســاس شــکل های ۵c و ۵d نتایــج EDS نشــان میدهــد کــه مقــدار Ni در موقعیــت P1 نســبت بــه P2 کمتــر اســت.

از آنجــا کـه نیـکل عنصـری بـرای تشـکیل و پایـداری آسـتنیت بـوده در ایـن بررسـی ملاحظه میگـردد در لایـه و فیلـم نـازک آسـتنیت نیـکل بـه طـور یکنواخـت توزیـع نشـده در نتیجـه پایـداری کمتـر و میـل بیشـتر بــه اســتحاله بــه مارتنزیــت در آســتنیت حــاوی نیــکل پائین تــر در جریـان تغییـر شـکل پلاستیک وجـود دارد.

• تغییر شکل چند فازی و گسیختگی

شــکل ۶ منحنی هــای واقعــی تنــش- کرنــش و منحنی هــای مربــوط کارســختی بــرای نمونه های MPSS در شــرایط ریختگــی، عملیــات انحلالــی و پیرســخت شــده را نشــان میدهــد. بنابــر منحنی هــای کارسـختی در شـکل ۶ میتـوان مشـاهده نمـود کـه میـزان کارسـختی هـر سـه نمونـه در مرحلـه A سـریعا کاهـش یافتـه سـپس در مرحلـه B افزایـش و در نهایـت در مرحلـه C بـه طـور قابـل توجهـی کاهـش یافتــه اســت.

البتــه تفاوت هــای قابــل ملاحظه ای بیــن نمونه ها وجــود دارد. در نمونــه S1050 کارســختی در مرحلــه (A % ۲.۱۱ eT>) بـه آرامـی کاهـش یافتـه ولـی در مرحلـه B بـا افزایـش کرنـش نسـبتا افزایــش قابــل توجــه داشــته (% 3.44 – ۲.۱۱) ســپس کارســختی بــه میـزان زیـادی کاهـش یافتـه بـه طـوری کـه پـس ایجـاد گلـوگاه در نمونــه شکســت بــه وجــود آمــده اســت.

امــا در مقایســه بــا نمونــه S۱۰۵۰ نمونــه ریختگــی و AG500 در مرحلــه A کارســختی ســریعتر کاهـش یافتـه (% ۱.۹۹ > eT) و حداقـل مقادیـر کارسـختی نسـبت بـه نمونـه S1050 بسـیار کمتـر بـوده ولـی در مرحلـه B کارسـختی نمونـه ریختگـی و نمونـه AG500 بـه تدریـج افزایـش داشـته البتـه در نمونـه AG500 نسـبت بـه نمونـه ریختگـی کارسـختی بـه دلیـل اثـرTRIP سـریعتر افزایـش یافتـه اسـت.

در مرحلـه نهایـی C در نمونـه AG500 یــک کاهــش ســریع تر در کارســختی را بــه لحــاظ افــت پلاستیسیته در اثــر استحکام دهی رســوبی بــه وجــود می آیــد. فلش هــا در شــکل ۶ نشــان دهنــده پایــداری بــرای بــه وجــود آمــدن گلــوگاه در نمونه های مختلــف اســت. هنگامــی کــه کرنــش واقعــی بــه ۱۸.۸ درصــد میرســد در نمونــه ریختگــی گلــوگاه بــه وجــود می آیــد و در کرنـش ۱۶.3 درصـد ایـن شـرایط در نمونـه AG500 ایجـاد میگـردد.

امــا نمونــه S1050 در کرنــش واقعــی ۱۴.۶ درصــد شــروع شــرایط گلــوگاه دیــده می شــود. علــت ایــن امــر مقــدار آســتنیت کمتــر در نمونـه S1050 و کمتـر بـودن اثـر TRIP، در نتیجـه کاهـش در تأخیـر بـه وجـود آمـدن گلـوگاه خواهـد بـود.

در شـکل 7 تصاویـر SEM از نمونه های ریختگـی، S1050 و AG500 در نزدیـک شکسـت ارائـه شـده اسـت. مشـاهده میشـود در نمونـه ریختگــی مطابــق شکل های 7a و 7b ترک هــا بــه طــور عمــده در فــاز مــرز دانه ها و درون فریــت بــه وجــود آمــده کــه ایــن ترک هــا در مـرز دانه ها بیشـتر بـه دلیـل وجـود رسـوبات NbC بـوده (۸)، در حالــی کــه ترکهــای درون فریــت بــه لحــاظ رســوبات کــروی اســت.

نتایــج EDS و تحقیقــات قبلــی نشــان میدهنــد کــه ایــن رســوبات فازهــای بیــن فلــزی حــاوی مقادیــر بــالای Si و Mo میباشــند (۱۰) شــکل 7b . فازهــای بیــن فلــزی در درجــه حــرارت محیــط (اتــاق) فازهــای ســخت و تــردی هســتند کــه میتوانــد چقرمگــی آلیــاژ را دچـار افـت نمایـد.

پــس از عملیــات انحلالــی، فازهــای بیــن فلــزی حــل میشــوند و بدیــن ترتیــب بــروز تــرک در مــرز دانه ها و درون فریــت بــه میــزان زیـادی کاهـش می یابـد. در شـکل 7d ریزسـاختار نمونـه AG۵۰۰ نزدیـک شکسـت مشـاهده میشـود کـه در آن تغییـر شـکل شـدید درون مارتنزیت هـای توفالـی شـکل و فریـت بـه وجـود آمـده اســت.

تشــکیل ترک هــا در مــرز دانه ها عمدتــا بــه دلیــل اختــاف تغییـر شـکل فـاز نـرم فریـت و فـاز سـخت مارتنزیـت بـوده کـه منجـر بــه تمرکــز تنــش و بــه دنبــال آن تــرک در مــرز دانه ها میگــردد. بــه علاوه طبیعــت تــرد ذرات NbC در مــرز دانه ها آنهــا را بـه خصـوص بـه تـرک خـوردن و در ادامـه توسـعه تـرک حسـاس میکنــد .

شکل های ۸a و ۸b تصاویــر TEM از فازهــای فریــت و مارتنزیــت در نمونــه AG۵۰۰ را نشــان میدهــد کــه در آن ذرات فــاز G در مقیــاس نانـو بـه صـورت نفـوذ کـرده در مارتنزیـت و فریـت توزیـع شده اند. ایـن ذرات میتواننـد از حرکـت نابجایی هـا را در هنـگام تغییـر شـکل ممانعــت کننــد. فــاز G یــک ترکیــب بیــن فلــزی سیلیســاید اســت کــه در بســیاری از فولادهــای ضدزنــگ پیرســخت شــده فولادهــای ضدزنــگ داپلکــس مشــاهده میشــود.

میکروســکوپ الکترونــی عبــوری بــا حساســیت بــالا (HRTEM)۵ نشــان میدهــد کـه فـاز G دارای شـکل مربـع (۱۶ × ۱۵ نانومتـرو) ثابـت بلـوری ۱۲.۱ و ۱۴.۱ نانومتــر اســت. در شــکل d نتیجــه بررســی SEAD۶ در ارتبـاط بـا شـکل c۸ ارائـه شـده کـه نشـان میدهـد فـاز G بـه زمینـه چسـبیده اسـت. ایـن ذرات کـه در مقیـاس نانـو هسـتند بـا تأثیـر کـم بـر کاهـش چقرمگـی موجـب ارتقـای اسـتحکام فـولاد میشــوند.

نتیجه گیری

یــک فــولاد ضد زنــگ جدیــد بــا ریزســاختاری متشــکل از مارتنزیــت، فریــت و آســتنیت از طریــق اعمال عملیــات حرارتــی انحلالــی و پیرسـازی تهیـه گردیـد. ایـن فـولاد ضدزنـگ بـه دلیـل ریزسـاختاری مخلــوط از فازهــای نــرم و ســخت، اثــر TRIP بــر روی آســتنیت ناپایــدار و رســوبات در مقیــاس نانــو در اثــر پیرســازی خصوصیــات بــرتری را دارد و براسـاس نتایـج آزمایشـات نتیجه گیری هایـی بدیـن شــرح حاصــل گردیــد:

• بـا محـدود کـردن ترکیـب شـیمیایی آلیـاژ در ناحیـه سـه فـازی مارتنزیـت + فریـت + آسـتنیت براسـاس نمـودار Schaeffler، یـک ریزســاختار مخلــوط حــاوی فازهــای نــرم و ســخت میتوانــد در شــرایط ریختگــی کــه تلفیقــی از چقرمگــی و اســتحکام بالاســت، بــه دســت آیــد.
• با نفـوذ نیـکل بیـن لایه های توفـال شـکل مارتنزیـت در جریـان پیرســازی یــک آســتنیت برگشــت پذیر بــه وجــود می آید. در ایــن لایـه بـا ضخامـت ۱۰۰ تـا ۲۰۰ نانومتـر نیـکل یـک توزیـع غیریکنواخـت دارد و در جریـان تغییـر شـکل پلاستیک آسـتنیت حـاوی یـک مقـدار کمتـر نیـکل تحـت یـک اسـتحاله بـه مارتنزیـت تبدیـل میشـود.
• نمونـه پیرسـازی شـده دارای بهتریـن تلفیـق اسـتحکام و ازدیـاد طـول نسـبی یعنـی مـگا پاسـکال ۱۲۴7 UTS= و ۱.۲۵ TEL=% اسـت. ایـن ارتقـاء خصوصیـات اسـتحکام بـه دلیـل اثـر TRIP بـر مارتنزیـت و وجــود رســوبات فــاز G می باشــد کــه میتوانــد نابه جایی ها را در فریـت و مارتنزیـت منتقـل نمایـد.

منابع:

منبع خارجی: China Foundry No:3/2024

منبع فارسی: خردادماه 1403- مجله صنعت ریخته گری

ترجمه: عبدالحمید قدیمی

[1] Zhu Z H, Zhang W D, Tu X H, et al. Effect of sigma phase precipitation on microstructure and properties of cast ZG0Cr26Ni5Mo3Cu3 duplex stainless steel under different heat treatments. China Foundry, 2018,15)3): 182-188.
[2] Lo K H, Shek C H, Lai J K L. Recent developments in stainless steels. Materials Science and Engineering: A, 2009, 65: 39-104.
[3] Di Schino A. Manufacturing and applications of stainless steels. Metals, 2020, 10: 327-329.
[4] Li Y, Zhao Y Q, Zeng W D, et al. Effect of heat treatment process on the microstructure and properties of 2Cr13 stain- less steel. Foundry, 2022, 71)11): 1364-1367. )In Chinese)
[5] Sohrabi M J, Naghizadeh M, Mirzadeh H. Deformation-in- duced martensite in austenitic stainless steels: A review. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2020, 20:
124-143.
[6] Lan K, Ding W, and Yang Y T. Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of Ti-containing low alloy martensitic wear-resistant steel. China Foundry, 2022, 20)4): 329-338.
[7] Xie Z J, Shang C J, Wang X I, et al. Recent progress in thirdgeneration low alloy steels developed under M3 micro- structure control. International Journal of Minerals, Metallur- gy and Materials, 2020, 27: 1-9.
[8] Wu Z, Wang M, He J, et al. A novel cast multiphase stain- less steel with high strength and high toughness. Metallurgi- cal and Materials Transactions: A, 2023, 54: 2617-2630.
[9] He Q, Wang Y F, Wang M S, et al. Improving strength-duc- tility synergy in 301 stainless steel by combining gradient structure and TRIP effect. Materials Science and Engineer- ing: A, 2020, 780: 139146.
[10] Wu Z, Liu Y, Zhang H, et al. Microstructure and mechan- ical properties of a novel cast multi-phase stainless steel. Journal of Materials Research and Technology, 2022, 19: 4177-4182.
[11] Song Y, Li C, Liao Y, et al. Effects of tempering tempera- ture on the microstructure evolution and mechanical proper- ties of 16%Cr-5%Ni super martensitic stainless steel. Journal of Materials Research and Technology, 2023, 24: 9306-9322.
[12] Kratochvı́l J, Sedláček R. Energetic approach to subgrain
formation. Materials Science and Engineering: A, 2004, 387- 389: 67-71.
[13] Wang N, Chen Y, Wu G, et al. Investigation on micro- mechanism involved in ferrite hardening after prestraining of dual-phase steel. Materials Science and Engineering: A, 2021, 800: 140387.
[14] Wu Z, Wang M, He J, et al. Strain partitioning in ferrite and mechanical properties of a cast multiphase stainless steel. Materials Today Communications, 2023, 35: 105644.
[15] Govindaraj V, Hodgson P, Singh R P, et al. The effect of austenite reversion on the microstructure and mechanical properties of a 12Cr-3Ni-3Mn-3Cu-0.15Nb-0.05C maraging stainless steel.
Materials Science and Engineering: A, 2021, 828: 142097.
[16] Wang P, Xiao N, Lu S, et al. Investigation of the mechani- cal stability of reversed austenite in 13%Cr-4%Ni martensitic stainless steel during the uniaxial tensile test. Materials Science and Engineering: A, 2013, 586: 292-300.
[17] Niu M C, Yang K, Luan J H, et al. Cu-assisted austenite reversion and enhanced TRIP effect in maraging stainless steels. Journal of Materials Science & Technology, 2022, 104: 52-58.
[18] Xu S S, Lu X H, Liu S C, et al. Precipitation strength- ening of Cu/NiAl co-precipitates in a martensite-austenite dual-phase steel. Materials Characterization, 2021, 182:
111589.
[19] Yang M, Wang C, Yang S, et al. New insights into the pre- cipitation strengthening of ferritic steels: Nanoscale G-phase particle. Materials Letters, 2017, 209: 134-137.
[20] Chen X, Li Y. Fracture toughness improvement of aus- tempered high silicon steel by titanium, vanadium and rare earth elements modification. Materials Science and Engi- neering: A, 2007, 444: 298-305.
[21] Wang P, Zheng W, Dai X, et al. Prominent role of reversed austenite on corrosion property of super 13Cr mar- tensitic stainless steel. Journal of Materials Research and Technology, 2023, 22: 1753-1767.
[22] Schaeffler A L. Constitution diagram for stainless steel weld metal. Metal progress, 1949, 56)11): 680.
[23] Chen S R, Davies H A, Rainforth W M. Austenite phase formation in rapidly solidified Fe-Cr-Mn-C steels. Acta Materialia, 1999, 47: 4555-4569.
[24] Johnson E, Gråbæk L, Johansen A, et al. Microstructure
of rapidly solidified stainless steel. Materials Science and Engineering, 1988, 98: 301-303.
[25] Suutala N, Takalo T, Moisio T. Ferritic-austenitic solidifi- cation mode in austenitic stainless steel welds. Metallurgical Transactions A, 1980, 11)5): 717-725.
[26] Zhang H, Mi P, Hao L, et al. Evolution of toughening mechanisms in PH13-8Mo stainless steel during aging treat- ment. Materials )Basel), 2023, 16: 3630-3644.
[27] Chen C Y, Chiu P H, Liu W S, et al. Interaction between η-Ni3Ti and reversed austenite within Custom 465 stainless steel: Experimental evidence and related patents investi- gation. Materials Science and Engineering: A, 2022, 839: 142852.
[28] Zhang H, Ji X, Ma D, et al. Effect of aging temperature on the austenite reversion and mechanical properties of a Fe-10Cr-10Ni cryogenic maraging steel. Journal of Materials Research and Technology, 2021, 11: 98-111.
[29] Chiang J, Lawrence B, Boyd J D, et al. Effect of micro- structure on retained austenite stability and work hardening of TRIP steels. Materials Science and Engineering: A, 2011, 528: 4516-4521.
[30] Sello M P, Stumpf W E. Laves phase embrittlement of the ferritic stainless steel type AISI 441. Materials Science and Engineering: A, 2010, 527: 5194-5202.
[31] Song C, Yu H, Lu J, et al. Stress partitioning among fer- rite, martensite and retained austenite of a TRIP-assisted multiphase steel: An in-situ high-energy X-ray diffraction study. Materials Science and Engineering: A, 2018, 726: 1-9.
[32] Guo X F, Ni Y Y, Gong J M, et al. Formation of G-phase in 20Cr32Ni1Nb stainless steel and its effect on mechanical properties. Acta Metallurgica Sinica )English Letters), 2017, 30: 829-839.
[33] Chen Y, Dai X, Chen X, et al. The characterization of G-phase in Fe20Cr9Ni cast duplex stainless steel. Materials Characterization, 2019, 149: 74-81.
[34] Shuro I, Kuo H H, Sasaki T, et al. G-phase precipitation in austenitic stainless steel deformed by high pressure torsion. Materials Science and Engineering: A, 2012, 552: 194-198.
[35] Yang M, King D J M, Povstugar I, et al. Precipitation be- havior in G-phase strengthened ferritic stainless steels. Acta Materialia, 2021, 205: 116542.