تأثير نورد سرد و عمليات حرارتي بر ريزساختار و خواص مكانيكي فولادهاي
Fe-Ni-Mn-Mo-Ti-Cr ماراجينگ

عباس محمودي1*، محمدرضا موقر قرهباغ1 و سيامك حسيننژاد2
عضو باشگاه پژوهشگران جوان، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد اهر، اهر، ايران
عضو هيأت علمي، دانشگاه صنعتي سهند تبريز، دانشكده مهندسي مواد، تبريز، ايران
*[email protected]
(تاريخ دريافت: 28/01/1390، تاريخ پذيرش: 2/04/1390)

چكيده
در تحقيق حاضر ريزساختار و خواص كششي فولاد ماراجينگ Fe-Ni-Mn-Mo-Ti حاوي 6 درصد وزني كروم طي فرآيند نورد سرد و عمليات حرارتي پس از آن (آنيل محلولي و پيرسازي) مورد بررسي قرار گرفته است. از ميكروسكوپهاي نوري، الكتروني روبشي، الگوي پراش اشعهي ايكس، آزمايش كشش و سختيسنجي براي مطالعه ريزساختار و خواص مكانيكي نمونهها استفاده گرديد. نتايج به دست آمده نشان ميدهد كه انجام عمليات حرارتي آنيل محلولي در نمونهي نورد سرد شده، سبب تشكيل رسوبات فاز ثانوي لاوه از نوع Fe2(Mo,Ti) در زمينه مارتنزيتي ميگردد. ريزساختار آنيل محلولي حاوي كسر حجمي بالايي از آستنيت باقيمانده ميباشد. آستنيت باقيمانده از نظر مكانيكي ناپايدار بوده و حين بارگذاري كششي به مارتنزيت استحاله مييابد و به ازدياد طول نسبي آلياژ كمك ميكند.
استحكام كششي اين فولاد در شرايط پير سخت شده در حدود Mpa900 و درصد ازدياد طول نسبي آن 30 درصد ميباشد كه بيشتر آن به
صورت تغيير شكل يكنواخت قبل از گلويي ميباشد.

واژه هاي كليدي:
فولاد ماراجينگ، آستنيت باقيمانده، پيرسختي، رسوبات فاز لاوه.

1- مقدمه
فولادهاي ماراجينگ دستهاي از فولادهاي فوق مستحكم با چقرمگي شكست بالا هستند كه از سال 1960 تاكنون به طور گسترده در صنايع نظامي، هستهاي و هوافضا به كار رفتهاند. توليد رده هاي استاندارد اين فولادها به دليل عناصر آلياژي گران قيمت به كار رفته در آنها همچون كبالت و نيكل، پرهزينه بوده و تحقيقات زيادي جهت بهينهسازي تركيب شيميايي و كاهش هزينههاي توليد آنها انجام گرفته است كه منجر به حذف كامل عنصر كبالت و جايگزيني بخشي از نيكل با عناصر آلياژي ارزان قيمت نظير منگنز شده است. از اينرو ردهي جديدي از فولادهاي ماراجينگ بدون كبالت Fe-Ni-Mn ابداع شد
[1 و 2].

فولادهاي ماراجينگ Fe-Ni-Mn استحكام خود را از تشكيل رسوبات بسيار ريز نانومتري در حين عمليات پيرسازي به دست ميآورند. اين عمليات به رغم افزايش قابل توجه سختي و استحكام آلياژ، منجر به تغيير رفتار شكست آلياژ از شكست نرم درون دانهاي به شكست ترد مرزدانهاي ميشود كه كارايي آلياژ مورد مطالعه را محدود ميكند [5 -3]. در تحقيقات انجام شده جدايش اتمهاي منگنز به مرزدانهها [6] و تشكيل مناطق عاري از
رسوب (PFZ) در مجاورت مرزدانهها [7] و همچنين رسوبگذاري تركيب بين فلزي NiMn [8] به عنوان دلايل اين شكست ناگهاني شناخته شدهاند. تاكنون تحقيقات متعددي به منظور كاهش تردي مرزدانه اي و بهبود خواص مكانيكي فولادهاي ماراجينگ منگنزدار انجام گرفته است كه از جمله آنها ميتوان به افزودن برخي عناصر آلياژي همچون موليبدن [9]، تيتانيم [10] و كروم [11] اشاره نمود. هيو و لي [11] نشان
دادند كه افزودن 3 درصد وزني كروم به آلياژ Fe-9Ni-5Mn-5Mo-1.5Ti منجر به افزايش استحكام و انعطافپذيري آلياژ پس از پيرسازي ميشود. نيلي احمدآبادي و همكاران [12] تأثير مقادير بيشتر كروم را ارزيابي نموده و استحكام كششي نسبتاً بالا توأم با انعطافپذيري پايين را در پيك سختي آلياژ محتوي 4 درصد وزني كروم گزارش نمودند.
جدول (1): آناليز شيميايي فولاد تهيه شده بر حسب درصد وزني.
Fe Ni Mn Mo Ti Cr C P S
Bal. 8/89 6/55 4/68 1/54 6/33 0/025 0/007 0/024
رسوبگذاري فاز لاوه در امتداد مرزدانهها و شكست ترد آنها در حين بارگذاري منجر به جوانهزني ترك و شكست زودرس اين آلياژها ميشود. محمودي و همكاران تأثير 2، 4 و 6 درصد وزني كروم را بر روي خواص مكانيكي آلياژ Fe-Ni-Mn بررسي نموده و نشان دادند كه مقادير مياني كروم تأثير نامطلوب بر خواص كششي آلياژ داشته و موجب شكست ترد ميشود و ليكن با افزايش درصد كروم به 6 درصد تردي آلياژ كاهش چشمگيري از خود نشان ميدهد [13]. افزودن عناصر آلياژي نظير نيكل، منگنز، موليبدن، تيتانيم و كروم به مقدار زياد سبب تشكيل آستنيت باقيمانده در ساختار ميگردد [14]. آستنيت باقيمانده اگر چه استحكام نهايي آلياژ را كاهش ميدهد و ليكن از نظر مكانيكي ناپايدار بوده و تحت كرنش به مارتنزيت استحاله مييابد كه اين امر منجر به افزايش تغيير طول نسبي آلياژ تحت كشش ميشود [15].
اگر چه مطالعات گسترده اي بر نقش كروم در خواص مكانيكي فولادهاي ماراجينگ Fe-Ni-Mn انجام شده است و ليكن تاكنون تأثير كار سرد و عمليات حرارتي پس از آن و نقش آن در توزيع رسوبات فاز لاوه در زمينه كمتر مورد توجه قرار گرفته است. در تحقيق حاضر تأثير نورد سرد و عمليات حرارتي پس از آن بر ريزساختار و خواص مكانيكي فولادهاي ماراجينگ Fe-Ni-Mn-Mo-Ti حاوي 6 درصد وزني كروم مورد بررسي قرار گرفته است.

مواد و روش تحقيق
ذوبي به وزن 200 گرم با آناليز شيميايي نشان داده شده در جدول (1)، در كوره ذوب قوسي تحت خلأ و با استفاده از مواد اوليه با خلوص بالا تهيه گرديد. جهت همگنسازي، شمش ريختگي در لولهي كوارتز حاوي گاز آرگون محبوس شده و در دماي 1150 درجه سانتيگراد به مدت 48 ساعت حرارت داده شد. پس از 50% كاهش ضخامت نمونهها تحت نورد سرد، عمليات آنيل محلولي در كوره خلأ و دماي 1050 درجه سانتيگراد به مدت 1 ساعت انجام گرفته و سپس نمونهها در آب كوئنچ شدند. عمليات پيرسازي همدما در دماي 480 درجه سانتيگراد در كوره نمك خنثي انجام شد. سختيسنجي به روش راكولسي با نيروي kgf150 انجام گرفت. آزمايش كشش مطابق استاندارد ASTM:A370 روي نمونههاي تخت و تحت سرعت حركت فك mm/min1 انجام گرفت. جهت مطالعات ريزساختاري و سطوح شكست از ميكروسكوپهاي نوري، الكتروني روبشي و پراش اشعه ايكس استفاده شد.

نتايج و بحث
تصوير ميكروسكوپ نوري از ريزساختار نمونه ي ريختگي در شكل (1- الف) نشان داده شده است. در اين حالت جدايشهاي بين دندريتي در ريزساختار مشاهده ميشود به گونهاي كه دندريتها تيره و نواحي بين دندريتي به رنگ روشن ديده مي شوند. دندريتها فقير از عنصر آلياژي بوده و پس از كوئنچ به مارتنزيت تبديل شدهاند، لذا به رنگ تيره ديده ميشوند اين در حالي است كه نواحي بين دندريتي غني از عنصر آلياژي بوده، لذا آستنيت پايدار شده است. همانطور كه در شكل (1- ب) نشان داده شده است، پس از نورد سرد و آنيل در دماي
1050 درجه سانتيگراد به مدت 1 ساعت، ساختاري بسيار ظريف همراه با جزاير سفيد رنگ آستنيت باقيمانده در نمونه ايجاد ميشود.
در شكل (2) تصوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي از ريزساختار نمونه پس از نورد سرد و عمليات آنيل محلولي نشان داده شده است. رسوبات ريز و سفيد رنگ توزيع شده در زمينه فازهاي لاوه بوده و آناليز EDX آنها در شكل (3) نشاندهنده آن است كه رسوبات مشاهده شده غني از عناصر آلياژي موليبدن و تيتانيم هستند.
تحقيقات انجام گرفته نشان ميدهـد كـه ايـن رسـوبات اغلـب در مرزدانهها تشكيل شده و از تردي بالايي برخـوردار هـستند [12].
لذا توزيع ظريفتـر رسـوبات فـاز ثـانوي در زمينـه مـيتوانـد بـهكاهش اثرات مخرب آنها بر خواص مكانيكي منجر شود.
نتايج پراش پرتو ايكس از نمونههاي ريختگي، نورد سرد و آنيـلشده و ناحيه گلويي شده در تست كشش در شكل (4) ارائه شدهاست. همانطور كه در شكل (4- الف) نـشان داده شـده اسـت در

)
الف
(

γ

)

الف

(

γ

65 Fe-Ni-Mn-Mo-Ti-Cr تأثير نورد سرد و عمليات حرارتي بر ريزساختار و خواص مكانيكي فولادهاي ماراجينگ
(ب)
شكل (1): ريزساختار نمونه، الف) در شرايط ريختگي و ب) در شرايط نورد سرد و آنيل شده در دماي 1050 درجه سانتيگراد به مدت 1 ساعت.

شكل (2): تصوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) از نمونهي نورد سرد و آنيل محلولي شده.

دو پيــك جديــد در زوايــاي تقريبــاً 38 و 41 درجــه مــشاهده ميشوند. اگر چه اين پيكها از شدت بالايي برخوردار نيـستند و ل يكن ك املاً از زمين ه قاب ل تفكي ك ب وده و موقعي ت آنه ا ب ا موقعيــــت پيــــك صــــفحات (20-11) و (22-11) فــــاز لاوه Fe2(Mo,Ti) با ساختار هگزاگونـال يكـسان مـيباشـد . نتيجـه بـه دست آمده همراه با نتايج آنـاليزEDX نـشاندهنـده تـشكيل فـازلاوه در حين عمليات آنيل محلولي نمونـههـاي نـورد سـرد شـدهاست. مقايسه پروفايل پراش پرتو ايكس به دست آمـده از نمونـهريختگي، نورد سرد و آنيل محلولي شده و ناحيه گلويي شـده درتست كشش نشاندهنـده كـاهش شـدت پيـكهـاي آسـتنيت بـاافزايش تغيير شكل پلاستيك است. اين نشان ميدهد كه در حينكشش آستنيت باقيمانده به مارتنزيت استحاله يافته است.
در شكل (5) نمودار تغييرات سختي بر حسب زمان پـس از آنيـلمحلولي و پيرسازي در دمـاي 480 درجـه سـانتيگـراد نـشان دادهشده است. با شروع عمليات پيرسازي سختي ابتدا افزايش يافتـه وپس از رسيدن به يك مقدار بيشينه دوباره كاهش مييابد.
مقايسه حداقل و حداكثر سختي آليـاژ نـشان مـيدهـد كـه آليـاژ

10972812954

الف

الف

شكل (3): آناليز EDX به دست آمده از رسوبات فاز ثانوي.



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید