تاثير موليبدن بر روي خواص و ريز ساختار فولاد TWIP

سيد غلامرضا رضوي*1، حسين مناجاتي زاده2، محمد رضا طرقي نژاد3 و احمد رضائيان4
كارشناس ارشد، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد نجف آباد، دانشكده مهندسي مواد، اصفهان، ايران
استاديار، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد نجف آباد، دانشكده مهندسي مواد، اصفهان، ايران
دانشيار، دانشكده مهندسي مواد، دانشگاه صنعتي اصفهان، اصفهان، ايران
استاديار، دانشكده مهندسي مواد، دانشگاه صنعتي اصفهان، اصفهان، ايران
*Reza.Razavi64@gmail.com
(تاريخ دريافت: 05/08/1389، تاريخ پذيرش:12/11/1389)

چكيده
فولادهاي TWIP گروه خاصي از فولادهاي آستنيتي منگنز بالا هستند كه بهترين تركيب استحكام و داكتيليته را در بين فولادهاي مورد كاربرد در خودرو دارا مي باشند. در اين مقاله تاثير افزودن موليبدن بر بهبود خواص مكانيكي فولاد Fe-33Mn-3Si-2Al مورد بررسي قرار گرفته است. بدين منظور درصدهاي مختلف موليبدن به تركيب شيميايي فولاد اضافه شده و پس از ريخته گري، نورد گرم و آنيل، خواص مكانيكي و ريزساختار و فازهاي تشكيل شده در فولاد مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان داد كه با افزودن موليبدن به فولاد، خواص مكانيكي بهبود پيدا ميكند، ليكن بالاترين استحكام با مقدار موليبدن 3/0 درصد حاصل شد كه منجر به حدود 50 درصد افزايش استحكام
نهايي و حدود 40 درصد كاهش در اندازه دانه گرديد.

واژه هاي كليدي:
فولاد پرمنگنز، دوقلويي، موليبدن، خواص مكانيكي، كاربيد.

1- مقدمه
در دهههاي اخير انواع مختلفي از فولادها براي كاربرد در صنعت خودرو توسعه يافته اند كه باعث پيشرفت قابل توجهي در ايمني، اقتصاد سوخت، مقاومت به ضربه و ساير خواص شده اند. با اين حال ملاحظات ايمني و افزايش رفاه باعث نياز به تجهيزات جانبي شده است كه ميتواند در تضاد با اصل كاهش وزن خودرو قرار گيرد[1].
فولادهاي 1TRIP به عنوان فولادهايي كه سطوح استحكام بالا را با داكتيليته بالا تلفيق مي كنند، شناخته شده و بنابراين در صنايع خودرو مورد توجه بسيار قرار گرفته اند. پديده پلاستيسيته القا شده در اثر استحاله شامل تشكيل مارتنزيت از آستنيت باقيمانده در اثر كرنش و اعمال تغيير شكل مي باشد كه منتهي به افزايش استحكام و داكتيليته مي گردد[2]. در فولادهاي TRIP، تحت تنشهاي داخلي و يا خارجي، مارتنزيت ε(HCP) و α(BCC) در شبكه γ(FCC) تشكيل مي شود[2]. اما استفاده از اين فولادها در صنايع خودرو به دليل وجود مقادير زياد عناصر آلياژي گران قيمت مقرون به صرفه نبوده است. در نتيجه دستهاي ديگر از فولادهاي پرمنگنز ابداع و مورد بررسي قرار گرفتند[2].
فولادهاي 2TWIP فولادهاي با درصد منگنز بالا (17-35%) هستند كه در دماي اتاق نيز آ ستنيتي مي باشند. بهموجب اين علت (آستنيته بودن) تغيير شكل در آنها بهوسيله دوقلويي در داخل دانه ها رخ مي دهد. ايجاد دوقلويي و ميزان آن به نرخ سخت كردن فولاد بستگي دارد كه هرچه بالاتر باشد باعث مي شود ساختار ريزتر شود. در نتيجه باندهاي دوقلويي، مشابه با مرز دانهها فعاليت ميكنند كه منجر به استحكام بيشتر در فولاد مي شود[3]. در فولادهاي TWIP استحكام فوقالعاده بالا با شكلپذيري بالا تلفيق شده است[3]. تشكيل دوقلويي ها و يا انجام استحاله فازي با ميزان 3SFE فاز آستنيت (γfcc) ارتباط دارد. SFE زياد [2γFCC > 20mJ /m>80] موجب ترغيب تشكيل دوقلوييها وSFE پايين[2γFCC < 20mJ /m] موجب انجام
استحاله آستنيت به مارتنزيت ε و سپس مارتنزيت α مي شود[4].
تاثير عناصر آلياژي بر SFE، فاز آستنيت Fe-Mn هنوز به طور گسترده و دقيق مورد بررسي قرار نگرفته است. اما طبق بررسي
هاي انجام شده مشخص شد كه عناصر Cu و Al مقدار SFE آستنيت را به طور قابل توجهي افزايش مي دهند. اين در حالي است كه Cr موجب كاهش SFE اين فولاد مي شود[5]. اثر Si تا حدي پيچيده است، به طوري كه افزودن اين عنصر تا مقادير كم (تقريبا تا 4% وزني ) موجب افزايش SFE شده و با افزودن بيشتر آن، مقدار SFE كاهش مي يابد[6-7].
در اين تحقيق تأثير عنصر آلياژي موليبدن بر روي خواص مكانيكي نوعي فولاد TWIP مورد بررسي قرار گرفته است.

2- مواد و روش تحقيق:
فولاد مورد استفاده در اين تحقيق با تركيب شيميايي نشان داده شده در جدول (1)، در كوره القايي تحت اتمسفر خنثي ريخته گري شده و سپس به منظور حذف جدايش عناصر آلياژي (خصوصاً منگنز در مرز دانهها) به مدت 1 ساعت در دماي
°C 1200 تحت عمليات همگن سازي قرار گرفت. سپس عمليات نورد گرم در 5 پاس متوالي به منظور اعمال كرنش حقيقي 70 درصد روي آن انجام و در هوا سرد شد (دماي انتهايي نورد °C 900 بود). پس از نورد گرم، به منظور آنيل كامل، نمونهها به مدت 10 دقيقه در دماي °C 1100 در كوره نگهداري و سپس در هوا سرد شدند.

جدول(1): تركيب شيميايي فولاد مورد استفاده (درصد وزني)
فولاد C Mn Si Al Mo Fe S
1 0/13 32/9 3 2 – Bal. <0/006
2 0/13 33 3 1/9 0/3 Bal. <0/006
3 0/13 33 3 2 1/3 Bal. <0/006

به منظور انجام آزمايش كشش در دماي محيط و با نرخ كرنش
رايج 1-S3-10 نمونه ها طبق استاندارد ASTM E8M-04 به وسيله ماشينكاري آماده شده و سپس در دستگاه كشش Instron 4486 مورد آزمايش قرار گرفتند. به علاوه، به منظور بررسي ساختاري، نمونه ها طبق روال معمول (سنباده زني، پوليش، حكاكي با نايتال %50) آماده سازي شده و بوسيله ميكروسكپ نوري (Olympus
Ck40M) و همچنين ميكروسكپ الكتروني روبشي
(VEGA//Tescan) و عبوري (Philips CM200 200 kV) مورد بررسي قرار گرفتند. اندازه دانه ها از روي تصاوير ميكروسكپ نوري و مطابق روش خطي محاسبه گرديد. بدين منظور، از هر نمونه 10 عكس تهيه شده و در هر عكس 5 خط با طول هاي متفاوت به صورت تصادفي انتخاب و اندازه دانه ها با استفاده از رابطه Jefree محاسبه شد. شناسايي فازها در ساختار نيز بوسيله XRD انجام گرفت.

3- نتايج و بحث
ساختار ميكروسكپي نمونه هاي مورد آزمايش قبل و بعد از آزمايش كشش در شكل (1) نشان داده شده است. در تمامي ساختارها، دانه هاي هم محور آستنيت با مرزهاي صاف به همراه دوقلويي هاي آنيل تشكيل شده در ساختار مشاهده مي شود.
همچنين در شكل 2 و 3 به ترتيب آناليز فازي از نمونه ها قبل از آنيل و نتايج بعد از آزمايش كشش نشان داده شده است. با توجه به تصاوير مشاهده مي شود كه با افزايش موليبدن فاز زمينه در تمامي نمونه هاي قبل از آزمايش كشش تك فاز آستنيت مي باشد و نمونه ي بدون موليبدن و حاوي 3/0 درصد موليبدن اين فاز را حتي بعد از تغييرشكل پلاستيكي حفظ كرده اند، اما در نمونه حاوي 3/1 درصد موليبدن بعد از تغيير شكل پلاستيكي پيكهاي فاز α مربوط به مارتنزيت كه ناشي از تغييرشكل است به وجود آمده است (در تصوير با فلش مشخص شده اند). اين مطلب مؤيد آن است كه در اين فولاد در اثر اعمال كارسرد استحاله آستنيت به مارتنزيت اتفاق افتاده كه نوعي استحاله
.است TRIP

تاثير موليبدن بر روي خواص و ريز ساختار فولاد TWIP 39
شكل (1): تصاوير ميكروسكپ نوري ازنمونهها قبل و بعد از آزمايش كشش

شكل (2): نتايج حاصل از XRD نمونه هاي قبل از آنيل : الف – فولاد بدون موليبدن، ب – فولاد حاوي 3/0 درصد موليبدن، ج – فولاد حاوي 3/1 درصد موليبدن.

شكل (3): نتايج حاصل از XRD نمونه هاي بعد از آنيل و آزمايش كشش:
الف- فولاد بدون موليبدن، ب- فولاد حاوي 3/0 درصد موليبدن، ج- فولاد حاوي 3/1 درصد موليبدن.

تغيير اندازه دانه بر حسب درصد موليبدن فولاد در شكل (4) نشان داده شده است. همان گونه كه مشاهده ميشود كمترين اندازه دانه در درصد موليبدن 3/0 حاصل شده است. به علاوه مشاهده ميشود كه در همه مقادير موليبدن، اندازه دانهها پس از آنيل نسبت به حالت نورد گرم شده اندكي افزايش يافته است. ليكن اين ميزان افزايش در درصد موليبدن 3/0 بيش از ساير درصدها است.

شكل (4): تغييرات اندازه دانه بر حسب تغييرات موليبدن .

نتايج حاصل از منحني تنش – كرنش مهندسي آزمايش كشش در شكل (5) آورده شده است. در اين شكل نيز مي توان مشاهده نمود در مقدار موليبدن 3/0 درصد بالاترين ميزان استحكام در اين فولاد حاصل شده است. مقايسه منحني هاي تنش – كرنش مهندسي به دست آمده نشان ميدهد كه با افزايش موليبدن تا 3/0 درصد استحكام نهايي به ميزان %58 (از 468 به 810MPa ) و تنش تسليم به ميزان %50 (از 200 به 400 MPa) افزايش يافته است. با توجه به اينكه فولاد بدون موليبدن و فولاد حاوي 3/0 درصد موليبدن قبل و بعد از آزمايش كشش زمينه آستنيتي خود را حفظ كردهاند مي توان گفت كه در اين فولادها مكانيزم غالب براي تغيير شكل، مكانيزم دوقلويي بوده است [6-5]. در نتيجه بهبود خواص فولاد حاوي 3/0 درصد موليبدن به دليل تغيير شكل و ريزتر شدن دانهها بر اساس مكانيزم دوقلويي (TWIP) و افزايش دوقلويي در ساختار ميباشد. زيرا مرزهاي دوقلويي در ساختار نظير مرزدانه عمل كرده و استحكام فولاد را بالا مي برد[4]. همچنين با توجه به شكل (4) با افزايش موليبدن تا 3/0 درصد اندازه دانه كاهش مي يابد و اين كاهش اندازه دانه به دليل افزايش دوقلوهاي مكانيكي در ساختار است[4]. ريز شدن دانهها از طريق رابطه هال-پچ باعث افزايش استحكام مي شود.

شكل (5): نتايج حاصل از منحني تنش – كرنش مهندسي به دست آمده از آزمايش كشش با نرخ كرنش 1-S3-10.

در شكلهاي (6) و (8) به ترتيب تصاوير ميكروسكپ الكتروني روبشي از نمونههاي با 3/0 و 3/1 درصد موليبدن نشان داده شده است. در اين تصوير مجدداً مشاهده مي شود اندازه دانه هاي فولاد 3/0 درصد خيلي ريزتر بوده و حضور بارز دوقلويي ها در اين نمونه و عدم حضور آنها در نمونه 3/1 درصد مشهود است. بر
روي نمونه اول آناليز خطي EDX براي عناصر Mn ،Si ،Al، C ،Mo و Fe و نيز آناليز سطحي براي عناصر C و Mo انجام گرفت كه نتايج آن در شكل (6) نشان داده شده است. هر دو آناليز خطي و سطحي حاكي از يكنواختي توزيع اين عناصر در ساختار اعم از درون دانه ها و مرز دانه هاست. از آنجا كه موليبدن يك عنصر كاربيدزاي قوي است[8]، تشكيل رسوبات كاربيدي در اين فولاد اجتناب ناپذير است. ليكن توزيع يكنواخت هر دو عنصر كربن و موليبدن در ساختار نشان ميدهد كه كاربيد تشكيلي به صورت يكنواخت در ساختار توزيع شده است. در شكل(7) تصوير گرفته شده به كمك ميكروسكپ الكتروني عبوري از اين كاربيدهاي غني از موليبدن براي نمونه حاوي 3/0 درصد موليبدن مشاهده مي شود. طبق بررسي هاي انجام شده كاربيد Mo2C در ساختار ايجاد شده است. همچنين افزايش استحكام در فولاد 3/0 درصد مي تواند ناشي از تشكيل محلول جامد همگن نيز باشد.

شكل(6): الف-تصوير ميكروسكپ الكتروني روبشي از نمونه حاوي 3/0
موليبدن، ب-آناليز خطي نمونه، ج و د-آناليز سطحي عناصر كربن و موليبدن در زمينه.

شكل(7):كاربيد Mo2C تشكيل شده در نمونه حاوي 3/0 درصد موليبدن.

عدم حضور دوقلويي ها در ساختار فولاد 3/1 درصد موليبدن همانگونه كه قبلاً نيز اشاره شد، به دليل انجام استحاله
γfcc(Austenite)→αbcc(bcc-Martensite) است. اين استحاله با افزايش درصد موليبدن فولاد و در نتيجه كاهش SFE به مقادير كمتر از 2mJ/m20 ترغيب مي شود. در حالي كه در مقادير كمتر موليبدن يعني 3/0 درصد ميزان اين كاهش در SFE هنوز آنقدر نيست كه مكانيزم تغيير شكل از دوقلويي به استحاله آستنيت به مارتنزيت تغيير يابد. بيان شده كه مكانيزم غالب تغيير شكل در

تاثير موليبدن بر روي خواص و ريز ساختار فولاد TWIP 41
مقادير SFE بالاي 2mJ/m80 عمدتاً لغزش نابجايي هاست[9].
از طرف ديگر در نمودار شكل (4) مشاهده مي شود كه درصد ازدياد طول در نمونه 3/1 درصد موليبدن كمي بيش از نمونه 3/0 درصد است. براي بررسي علت اين موضوع آناليز سطحي EDX از عناصر كربن و موليبدن در نمونه 3/1 درصد گرفته شد كه در شكل (8) نشان داده شده است. همانطور كه مشاهده ميشود اين دو عنصر در اين نمونه در مرز دانهها تجمع يافته اند. اين تجمع باعث تشكيل كاربيد M2C غني از موليبدن در مرزدانه ها شده كه از جدايش آنها جلوگيري كرده و باعث افزايش ميزان تغيير شكل مي شود[11 -10].

شكل (8): الف-تصوير ميكروسكپ الكتروني روبشي از فولاد حاوي
3/1درصد موليبدن، ب و ج: آناليز سطحي كربن و موليبدن در زمينه.

در شكل (9) نيز سطح مقطع شكست نمونه هاي آزمون كشش نشان داده شده است. همانطور كه قابل مشاهده است با افزايش موليبدن سطح شكست از ترد به نرم تغيير حالت داده است كه با توجه به شكل (6) و قرارگيري موليبدن و كربن در اطراف مرزدانه ها قابل انتظار است.

شكل (9): سطح مقطع شكست: الف- فولاد بدون موليبدن، ب-حاوي 3/0 درصد موليبدن، ج- حاوي 3/1 درصد موليبدن

4- نتيجه گيري
– افزودن 3/0 درصد موليبدن استحكام نهايي فولاد Fe-33Mn-3Si-2Al-0.13C را تقريبا 50 درصد افزايش مي دهد.
– افزودن بيش از 3/0 درصد موليبدن باعث كاهش SFE فاز آستنيت شده و از مكانيزم TWIP جلوگيري كرده و مكانيزم TRIP را ترغيب مي كند.
– حضور دوقلويي هاي مكانيكي در ساختار باعث ريزشدن دانه ها و افزايش استحكام مي شود.

5- مراجع
P. Cugy, A. Hildenbrand, M. Bouzekri, “A Super High Strength Fe-Mn-C Austenitic Steel With Excellent Formability For Automobile Applications”, Arcelor Research Sa, Maizieres, France, pp. 98-106, 2003.
O. Grassel, L. Kruger, G. Frommeyer, L. W. Meyer, “High
Strength Fe-Mn-(Al, Si) Trip/Twip Steels DevelopmentProperties-Application”, International Journal of Plasticity, Vol. 16, pp. 1391-1409, 2000.

R. Hill, E. Robert, Physical Metallurgy Principles 3rd Ed., pp. 826-828, Publishing Company, 1994.

S. Vercammen, B. Blanpain, B.C. De Cooman, “Cold
Rolling Behavior of An Austenitic Fe-30mn-3al-3si TwipSteel: The Iimportance of Deformation Twinning”, Acta Material, Vol. 52, pp. 205-212, 2004.
E. Opbroek. “Advanced High Strength Steel” ISIJ, Vol. 3, pp.8-17, 1998.
V.F. Zackay, E.R. Parker, D. Fahr And P. Busch, “Enhancement of Ductility In High Strength Steels”, Trans. Asm, Vol. 60, pp. 253-261, 1967.

R.E, Schramm, R.P, Reed, “Stacking Fault Energies of Seven Commercial Austenitic Atainless Steels.Metall”, Matrial Transformation A, Vol. 6a, pp. 1345-1353, 1975.

G.E. Totten, Ph.D. Fasm, “Steel Heat Treatment
Handbook 2ed”, Taylor & Francis, pp. 17-18, 2006.

S. Allain, J.P. Chateau, O. Bouaziz, S. Migot And N. Guelton: “A Physical Model of The Twinning-Induced Plasticity Effect In A High Manganese Austenitic Steel “, Material. Science. Engineering. A, Vol, 158, pp. 387-389, 2004.

H. Luo, P. Zhao, “Effect Of Molybdenum And Temperature Reduction on Hot Ductility of 0·2c–Mn Steels”, Iron Making And Steel Making, Vol. 28, No. 6, pp. 439-443, 2001.

W.B. Lee, S.G. Hong, C.G. Park, K.H. Kim, S.H. Park, ”Influence of Mo on Precipitation Hardening In Hot Rolled Hsla Steels Containing Nb”, Scripta Material, Vol.
43, pp. 319–324, 2000.
6- پي نوشت
Transformation Induce Plasticity
Twinning Induce Plasticity
Stacking Fault Energy



قیمت: تومان


پاسخ دهید