تاثير عمليات حرارتي بر خواص مكانيكي و ريزساختار فولاد زنگ نزن
مارتنزيتي 431 AISI

محمدرضا هداشهرضا1*، علي شفيعي2، كامران اميني3، محمدعلي سلطاني4و علي نقيان5
دانشجوي كارشناسي ارشد مهندسي مواد، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد نجف آباد، اصفهان، ايران
دانشيار، دانشكده مهندسي مواد، دانشگاه صنعتي اصفهان، اصفهان، ايران
استاديار، دانشكده مهندسي مواد، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد شهرمجلسي، اصفهان، ايران
4 و5-كارشناس ارشد فولاد آلياژي اصفهان، اصفهان، ايران
*[email protected]
(تاريخ دريافت: 23/01/1390، تاريخ پذيرش: 25/03/91)

چكيده
فولادهاي زنگ نزن مارتنزيتي بدليل خواص مكانيكي عالي و خواص خوردگي متوسط، كاربردهاي زيادي در ژنراتورهـاي بخـار وصنايع غذايي (مانند mixer blade) دارند. درتحقيق حاضر براي بررسي ريزساختار، از ميكروسكوپ نوري و ميكروسكوپ الكتروني روبشي و براي بررسي خواص مكانيكي از آزمونهاي ضربه،كشش و سختي استفاده شد. همچنين تاثير دماي عمليات آستنيته كـردن (C،1030˚C˚970)، زمان تمپر و دماي تمپر بر روي ريز ساختار و خواص مكانيكي فولاد مذكور مورد بررسي قرار گرفت. در ادامـهبراي دستيابي به بالاترين انرژي ضربه و استحكام به طور همزمان عمليات آسـتنيته كـردن دوبـل (آسـتنيته كـردن در دمـايC ˚1030، كوئنچ در روغـن، عمليـات تمپـر در دمـايC ˚200، آسـتنيته كـردن مجـدد در دمـايC ˚970، كـوئنچ در روغـن، عمليـات تمپـر دردمايC˚650) بررسي گرديد. نتايج نشان داد با افزايش دماي آستنيته از C˚970 به C˚1030 انرژي ضربه افزايش و سختي و اسـتحكامكششي تغيير چنداني نميكند. همچنين در عمليات آستنيته كردن دوبل بالاترين خواص انرژي ضربه و استحكام كششي و سـختي بـهدست ميآيد. دليل اين مسئله در ارتباط با آن است كه در عمليات آستنيته اول كه در دماي بـالا انجـام مـيشـود كاربيـدها در زمينـه (آستنيت) حل ميشوند. عمليات تمپر در دماي پايين (C˚200) منجر به رسوب كاربيدهايي ميشود كه در عمليـات آسـتنيته دوم كـهدر دم اي پ ـايينت ر انج ام م ـي ش ود م انع رش د دان ه ه ـاي آس تنيت ش ـده و بن ابراين ي ك س اختار ري ز دان ه از آس تنيت ايج اد ميگردد. و بنابراين تركيب بهينهاي ازاستحكام و انرژي ضربه بدست مـي آيـد . همچنـين پديـده سـختي ثانويـه در فـولاد مـذكور درمحدوده دمايي C-420 ˚C˚ 350 مشاهده شد.

واژه هايكليدي:
فولاد زنگ نزن مارتنزيتي 431 AISI، انرژي ضربه، استحكام كششي، عمليات آستنيته كردن دوبل

مقدمه
فولادهاي زنـگ نـزن مـارتنزيتي بـه طـور همزمـان بـا دارا بـودنخواص مكانيكي بهينه، مقاومت به خوردگي و مقاومت به سايش بالا بهطور گسترده در صنايع پتروشيمي، دريـائي و هـوا – فضـا وصنايع غذايي مورد استفاده قـرار مـيگيرنـد [1-4]. در ايـن ميـانفولاد زنگ نزن مارتنزيتي 431 AISIدر نازل راكت، اجزا اگزوز اتومبيل، غلطكهاي چرم سازي، قطعـات ماشـين كاغـذ سـازي،قالبهاي بلـور شيشـه و قطعـات مـورد اسـتفاده در دريـا اسـتفاده ميشود [4]. ميتـوان ايـن دسـته از فـولاد (فـولاد 431AISI ) راتوسط عمليـات حرارتـي بـه بـالاترين سـختي و سـطح اسـتحكامرساند، در حاليكه چقرمگي عالي داشته باشـد . بـر خـلاف سـايرفولادهاي زنگ نزن، در فولادهاي زنگ نزن مارتنزيتي، عمليات حرارت ي نقـش بس يار ب الايي دارد و ب ه دس ت آوردن خ واصمكانيكي مناسب، بستگي شديدي به دما و زمان آسـتنيته كـردن،سرعت سرد كردن، دما و زمان تمپر دارد. بنابراين كنتـرل پروسـهعمليات حرارتي براي تشكيل مارتنزيت لايهاي، كمتـرين مقـدارفري ت دلت ا و آس تنيت ب اقيمان ده بس يار ض روري اس ت [5-6].
حرارتي با دقت انجام گيرد [4]. در مطالعهاي كه توسط ناصري و همكارانش [7] در فولاد زنگ نزن نزن مـارتنزيتي 420AISI در مورد تاثير دما و زمان آستنيته بـر روي انـرژي ضـربه و اسـتحكامكششي انجام شده، بالاترين انرژي ضربه و اسـتحكام كششـي در
بنابراين در فولادهـاي زنـگ نـزن مـارتنزيتي اسـتحكام و انـرژيضربه وابستگي زيادي به مقدار كربن و عناصر آلياژي موجود در آســتنيت دارد [7]. عمليــات حرارتــي پيشــنهادي بــراي فــولاد 431 AISI شــامل: الــف) آســتنيته كــردن در محــدوده دمــايي C˚1050-950 و بهدنبال آن كوئنچ در روغن، ب) عمليات تمپـردر دماهاي C˚ 300-200 براي دستيابي به استحكام بالا و انـرژيضربه متوسط و عمليات تمپـر در محـدوده دمـاييC ˚ 700-600 براي استحكام متوسط و انرژي ضربه بالا ميباشد. براي دسـتيابيبه اپتيمم مقدار از تافنس و استحكام بالا بايسـتي سـيكل عمليـات
كاربيدهاي دندريتي رسوب كرده روي مرز فريت دلتـا منجـر بـهكاهش انرژي ضربه شده است. در حاليكه وانگ و همكـارانش [9] معتقد بودند كه حضـور فر يـت دلتـا در ريـز سـاختار، انـرژيضربه فولاد زنگ نزن مارتنزيتي Cr-4Ni13 را كاهش مـي دهـد . در مطالعهاي كه توسط كالياري و همكارانش [10] بر روي فولاد زنگ نزن مارتنزيتي Ni-Mo به منظور تـاثير دمـاي تمپـر بـر رويسختي انجام گرفت، پديده سـختي ثانويـه در محـدودهي دمـاييC˚560-500 مشاهده شد. با توجه به لزوم دستيابي به اسـتحكام وانرژي ضربه بـالا در فـولاد زنـگ نـزن مـارتنزيتي 431 AISI، در تحقيق حاضر تاثير دماي عمليات آسـتنيته كـردن، تـاثير عمليـاتآستنيته كردن دوبل و تاثير دما و زمان تمپر در فـولاد مـذكور بـراستحكام، انرژي ضربه و ريزساختار مورد ارزيابي قرار ميگيرد.

مواد و روش تحقيق
در اين تحقيق فولاد زنگ نزن مارتنزيتي 431AISI مورد تحقيق و بررسي قرار گرفت. تركيب شيميايي اين فـولاد در جـدول (1) آمده است.

جدول (1): تركيب شيميايي فولاد زنگ نزن مارتنزيتي 431AISI
%C %Cr %Ni %Mo
0/17 15/38 1/77 0/12
%Mn %Cu %W %Si
0/37 0/2 0/07 0/25
(درصد وزني)
دماي آستنيته C˚1050 به مـدت زمـانmin 120 بـه دسـت آمـدهاست. اين محققين بالاتر بودن انرژي ضربه در دماي ºC 1050 را به دليل كاهش ميزان فسفر در مرز دانهها دانستهاند، در حـالي كـهبالاتر بودن استحكام كششي را ناشي از ميزان افزايش نفـوذ و درنتيجه افزايش انحلال كاربيدها در زمينه دانستهاند كـه ايـن عامـلباعث افزايش ميزان تتراگوناليته و همچنين افزايش ميـزان عيـوبشبكه مانند دوقلوييها و نابجاييها شده اسـت . در مطالعـه اي كـهتوسط شفر [8] بر فولاد كروم- مارتنزيتي به منظـور تـاثير فريـتدلتا و كاربيدهاي دندريتي بـر روي انـرژي ضـربه انجـام گرفـت، اين فولاد طي مراحل ذوب در كوره قوس الكتريكي به صـورتشـمش هـايي بـه قطـر mm 397 و طـول mm2000 ريختـه گـري ميشود. سپس اين شمشها در محـدوده دمـاييC ˚1180-1150 آهنگري شده و عمليات آنيل در دمـاي C˚780 انجـام مـي شـود . سپس نمونههاي استاندارد كشش و ضربه را به صورت طولي و به شكل بلوك از سطح ديسك انتخاب و توسط ارهي نواري بـرشداده ميشود. در نهايت نمونه – هاي كشش و ضـربه بـه صـورتنيمه تمام و مجزا آماده سازي ميشوند.
جهت عمليات حرارتي، نمونهها با نـرخ گرمايشـيºC/min 8 تـادم اي ºC 620 ب ه م دت زم انmin 30 پيش گرم شـدند. س پس نمونهها با همان نرخ حرارتي جهت مقايسه تاثير دماي آستنيته بـرخواص مكانيكي تـا دمـايSA1) 970˚C ) و SA2)1030˚C) بـهمدت زمانmin 45 آستنيته شده و در روغن C˚30 كوئنچ شدند، در نهايت عمليات تمپر در دماي C˚650 به مدت زمان h2 انجـامشد. همچنـين بـه منظـور تركيـب بهينـهاي از اسـتحكام و انـرژيضربه، عمليات آستنيته كردن دو مرحلهاي (DA) شـامل آسـتنيتهكردن در دماي C˚1030، كوئنچ در روغن C˚30، تمپر در دماي C˚200 به مدت زمان h2، آستنيته كردن مجدد در دماي C˚970، كوئنچ در روغن C˚30 و عمليات تمپر در دماي C˚650 به مـدتزمان h2 انجام شد. به منظور بررسي تاثير دماي تمپر براسـتحكام،سختي و انرژي ضربه نمونههاي آستنيته شده در دماي C˚970 بـهمدت زمان SA1) 45 min) پـس از كـوئنچ در روغـنC ˚30، در دماهاي C،420˚C،350˚C،250˚C˚580 و C˚650 تحت عمليات تمپر به مدت زمان h2 قرار گرفتند. به منظور بررسـي تـاثير زمـانتمپر، نمونـه 1SA در دمـايC ˚ 650 بـه مـدت زمـانh ،4h،2h 6 تمپر گرديد. آزمون كشش در دماي محـيط بـر روي نمونـههـايعمليات حرارتي شـده مطـابق بـا اسـتاندارد 250125DIN بـانرخmm/min4 توسط دستگاه كشش 250 ZWICK Z انجام گرفت.
همچنين آزمون ضربه شياري (شارپي) مطابق اسـتاندارد 10045E بر روي نمونههاي عمليات حرارتي شده با ابعـادmm 50×10×10 انجام گرفت. عمليات سختي سنجي با استفاده از دسـتگاه سـختيEMCo مدل 750 M4U بر روي نمونههاي ضربه (عمليات شده) و پاليش شده در واحد برينل با نيروي اوليه 10 كيلوگرم و نيروي نهايي 5/187 صورت گرفت. بـراي بررسـي سـاختار نمونـههـا ازدستگاه پراش پرتو X مدل 3710PW و تابش پرتو Cukα اسـتفادهشد. عدد اندازه دانهها در نمونههـاي 1SA2،SA و DA مطـابق بـااسـتاندارد 112ASTM E و توسـط اكسيداسـيون سـطحي تعيـينگردي د. ب راي بررس ي س اختار نمون هه ا از محل ول اچ ويل لا و ريزساختار نمونهها توسط ميكروسكوپ نـوريOlymous ، مـدل 3PMG بررسي شد.
نتايج و بحث
3-1 تاثير دماي آستنيته بر خواص مكانيكي و ريزساختار در ش كل (1) ان دازه دان هه اي آس تنيت اولي ه ب راي نمون هه اي 1SA2،SA وDA آورده شــده اســت. همــانطوريكــه مشــاهده ميشود با افزايش دماي آستنيته از C˚970 به C˚1030 عدد اندازه دانههاي آستنيت اوليه از ASTM 9 به ASTM 8 كاهش مييابد.

شكل (1): ريز ساختارميكروسكوپ نوري
از نمونه ها: الف) 1SA، ب) 2SA، ج) DA

دليل اين مسئله آن است كه با افزايش دماي آستنيته، كاربيـدهايآلياژي در آستنيت حل شده و بـا حـل شـدن ايـن كاربيـدها كـهموانع رشد دانههاي آستنيت ميباشند، دانههـا رشـد مـيكنـد . در نمونهاي كه تحت عمليات آستنيته دوبل قـرار گرفتـه اسـت عـدداندازه دانههـاي آسـتنيتASTM 9-8 اسـت . انـدازه ي دانـه هـايآستنيت اوليه در نمونه DA در مقايسه بـا نمونـه 1SA درشـت تـراست.
دليل اين مسئله در ارتباط با حل شدن بيشـتر كاربيـدهاي آليـاژيدر نمون ه DA اس ت. اي ن در ح الي اس ت ك ه ان دازه دان هه ايآستننيت اوليه در نمونه DA در مقايسه با نمونه2SA ريزتر اسـت . در حقيق ت در نمون ه DA در عملي ات آس تنيته اول كاربي دهاي آلياژي حل شده و رشد دانـه رخ مـيدهـد امـا عمليـات تمپـر دردماي C˚200 منجر به رسوب كاربيدهايي ميشـود (تشـكيل ايـنكاربي دها ناش ي از خ روج ك ربن از محل ول جام د ف وق اش باعمارتنزيت است) كه جلوي رشد دانهها را در عمليات آستنيته دوم در دماي C˚970 گرفته و بنابراين اندازه دانـه هـاي آسـتنيت اوليـهنسبت به نمونه 1SA درشتتـر و نسـبت بـه نمونـهي 2SA ريزتـراست. نتايج حاصل از انرژي ضربه و استحكام كششـي نهـايي درنمونههاي 1SA2 ،SA و DA، در جدول (2) آورده شده است.

جدول (2):نتايج حاصله از انرژي ضربه، استحكام كششي نهايي و سختي در شرايط آستنيته كردن مختلف
سختي(HB) استحكامكششي نهايي
( Mpa) انرژي ضربه (J) كد نمونه
280 901 44 SA1
285 908 34 SA2
291 912 81 DA

همانطور كه مشاهده ميشود استحكام كششـي نهـايي و سـختيبا افـزايش دمـاي آسـتنيته ازC ˚ 970 بـهC ˚1030 تغييـر چنـدانينميكند. دليل اين مسـئله در ارتبـاط بـا تـاثير دو پـارامتر مهـم درعمليات آستنيته كردن است: 1) افزايش كروم و كربن به صورت محلول جامد در آستنيت با افزايش دماي آستنيته كردن كه منجر به افزايش سختي و استحكام ميشود و 2) افزايش مقدار آستنيت باقيمانده با افزايش دماي آستنيته كه داراي اثـر مخـرب بـر رويس ختي و اس تحكام كشش ي اس ت. بن ابراين س ختي و اس تحكام كششي نهايي با افزايش دمـاي آسـتنيته تغييـرات چنـداني نـدارد.
همچنين به دليل ريزتر بودن دانههـاي آسـتنيت، انـرژي ضـربه درنمونه 1SA در مقايسه با نمونهي2SA بالاتر اسـت . در نمونـهDA بهترين تركيب استحكام و انرژي ضربه بدست ميآيد بـه نحـويكه انرژي ضربه در حد %84 و استحكام كششي در حـد %5/1 در مقايسه با نمونه 1SA افزايش داشته است. بالان و همكـارانش [4] بهب ود ان رژي ض ربه و اس تحكام كشش ي را در عملي ات آس تنيته كردن دوبل در فولادي مشابه با فولاد تحقيق حاضر بهدليل ايجاد ي ك س اختار هم وژن از آس تنيت ب ا دان هه اي ري ز و ع اري از كاربيدهاي حل نشده دانستهاند. ريزساختار حاصل از نمونـه هـاي 1SA2 ،SA و DA در شكل (2) آورده شده اسـت . ايـن تصـاويرحضور مارتنزيت لايهاي تمپر شده، فريت دلتا و كاربيـد را نشـانميدهد.

شكل (2): ريزساختار ميكروسكوپ نوري از نمونههاي: الف) 1SA،
DA (و ج SA2 (ب

الگوي پراش پرتو X نمونه 1SA نيز حضـور كاربيـدهاي از نـوع6M23C را تاييد مينمايد ( شكل (3)). در مطالعـه اي كـه توسـط Rao و Thomas [ 11و12] و Sarrikay [13] بـــ ر روي فـــ ولاد Fe –4Cr-0/3C، در مورد تـاثير عمل يـات آسـتنيته كـردن دوبـلانجام شده است، اين محققين حل شدن كاربيدها در دماي بالا را
بنابراين در تحقيق حاضر در عمليات آستنيته كردن دوبـل بـدليلاستحكام كششي است.
حــل شــدن كاربيــدها در عمليــات آســتنيته اول در دمــاي بــالا

θ
2

شكل
)
3
🙁

نمونه

از

ايكس

پرتو

پراش

الگوي
1
SA

Intensity

θ

2

شكل

)

3

🙁

نمونه

از



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید