فولادهای زنگ نزن

فولادهای زنگ نزن نقش مهمی را در جهان امروز بازی میکنند فولادهای زنگ ترن آستینی معمولاً مقاومت به خوردگی بسیار عالی نافس، جوش پذیری و ازدیاد طول خوبی را از خود نشان می دهند.

اما دارای استحکام تسلیم نسبتا پایینی در حالت آنیل شده می باشند. خواص مکانیکی فولادهای زنگ نزن آستینی به ترکیب شیمیایی و مشخصه های ریز ساختاری برای مثال اندازه دانه) وابسته است. در میان مکانیزم های استحکام دهی مختلف ریز کردن دانه ها تنها روشی است که منجر به بهبود همزمان استحکام و چقرمگی می شود.

با توجه به این که فولادهای رنگتون آستینی در دماهای آنیل مرسوم دچار دگرگونی فازی نمی شوند تنها روش زیردانه کردن آنها آنیل بعد از بورد سرد می باشد. اما به علت دماهای بالای آنیل در این فولادها رسیدن به اندازه دانه های بسیار زیر با محدودیت روبرو است. در سال های اخیر تکنیک های آزمایشگاهی جهت تولید فولادهای فوق ریزدانه شده از دو منظر قابل بررسی است.

اولا تکنیک های تغییر شکل پلاستیکی شدید و ثانیاً فرآیندهای ترمومکانیکی پیشرفته نظیر فرایند مارتنزینی که اصولاً شامل اصلاح سازی فرآیندهای نورد فولاد در ابعاد بزرگ مرسوم می باشد. در این پژوهش جهت دستیابی به ریز ساختاری با اندازه دانه های نانو زیر میکرون، فرآیند ما تنزینی که شامل نورد سرد و آنیل روی فولاد رنگتون آستینی 3041 AISE صورت گرفت اثر نورد سرد روی تشکیل مارتنزیت ناشی از گونش و همچنین اثر دما و زمان آنیل روی بازگشت مار تربت ناشی از کرنش به آستنیت در اندازه دانه های نانو زیر میکرون روی فولاد زنگ نزن آستنیتی نیمه پایدار مورد بررسی قرار گرفت کوچک ترین اندازه دانه متوسط در نمونه ای که به میزان ۹۰ کارسرد و سپس در دمای 7000به مدت 300 دقیقه آنیل شده بود، به دست آمد.

این محصول دارای استحکام تسلیم و کرنش شکست به ترتیب برابر 115 و 8 می باشد، این در حالیست که استحکام تسلیم نمونه قبل از فرایند مارتنزیتی برابر با 300 و کرنش شکست 52بوده است.

مقدمه

توسعه ی فولادهای با استحکام بالا و داکتیلیته ی خوب هدفی است که عموماً مطرح است؛ برای مثال پایگاه تکنولوژی اروپا، در چشم انداز سال ۲۰۳۰ ترکیبی از مقاومت کششی ۱۰ با ۳۰ ازدیاد طول نهایی را برای دستیابی به نسل جدیدی از فولادها برای سازه های سبک وزن و نیز فولادهای زنگ نزن هدف گذاری کرده است.

فولادهای زنگ نزن نقش مهمی را در جهان امروز بازی میکنند حتی اگر تناژ تولیدی آنها تنها حدود ۲ از کل محصولات تولیدی فولادها باشد. فولادهای زنگ نزن آستنیتی بیش از دو سوم کل محصولات فولادهای زنگ نزن را شامل میشوند بیش از نیمی از فولادهای زنگ نزن آستنیتی به کار گرفته شده نوع 304 AISI و 316 AISI و ترکیبات کم کربن آنها میباشند که عبارتند از: 304 AISI و AISI 316L فولادهای زنگ نزن آستنیتی معمولاً مقاومت به خوردگی بسیار عالی تافنس و جوش پذیری و ازدیاد طول خوبی را از خود نشان می دهند اما دارای استحکام تسلیم نسبتاً پایینی در حالت آئیل شده در حدود 2005 می باشند.

بنابراین این فولادها برای کاربردهایی که خواص خوردگی عالی استحکام متوسط و ظاهر زیبا مد نظر می باشد انتخاب می شوند. فولادهای زنگ نزن آستنیتی بعلت استحکام تسلیم نسبتاً پایین برای کاربردهای ساختمانی مناسب نیستند.

خواص مکانیکی فولادهای زنگ نزن آستنیتی به ترکیب شیمیایی که با محلول جامد بین نشینی و یا جانشینی می توانند سخت شوند و مشخصه های ریز ساختاری برای مثال اندازه دانه و میزان فریت وابسته است مطالعات زیادی درباره ی استحکام دهی فولادهای زنگ نزن و مکانیزم های آن صورت گرفته و چندین روش از ترکیب این روش های استحکام دهی مثل ریزدانه کردن استحکام دهی محلول جامد استحکام بخشی به کمک دگرگونی کار سختی، استحکام بخشی دگرگونی مارتنزیتی ناشی از کرنش پیر سختی کرنشی و یا استحکام دهی رسوبی وجود دارد در میان مکانیزم های استحکام دهی مختلف ریز کردن دانه ها تنها روشی است که منجر به بهبود همزمان استحکام و چقرمگی می شود.

توسعه روز افزون تکنولوژی و نیاز آن به تولید قطعات با خواص متنوع نشان داده است که در بسیاری از موارد تنها فرآیندهای شکل دهی نمیتواند تأمین کننده ی ویژگیهای لازم در قطعات مهندسی باشند و از این رو، عملیات حرارتی پس از شکل دهی به منظور ایجاد خواص مورد نیاز در قطعات صنعتی گسترش یافته اند.

این رهیافت باعث توسعه ی یکی از شاخه های اصلی علم متالورژی به نام عملیات ترمومکانیکی گردیده است. ترکیب عملیات شکل دهی مکانیکی عملیات حرارتی و دگرگونیهای فازی تعریفی است که عمدتاً برای عملیات ترمومکانیکی بیان می شود.

در سالهای اخیر تکنیک های آزمایشگاهی جهت تولید فولادهای فوق ریزدانه شده از در منظر قابل بررسی است. اولا تکنیک های تغییر شکل پلاستیکی شدید و ثانیاً فرآیندهای ترمومکانیکی پیشرفته که اصولاً شامل اصلاح سازی فرآیندهای نورد فولاد در ابعاد بزرگ مرسوم میباشد. روشهای ترمومکانیکی پیشرفته در مقایسه با تکنیک های

تغییر شکل پلاستیکی شدید فرآیندهای صنعتی در ابعاد بزرگ می باشند.

دسته های مشخصی از فولادهای زنگ نزن آستنیتی نیمه پایدار می توانند به طور مؤثری به وسیله ی نورد سرد به علت

تشکیل شدن مارتنزیت ناشی از کرنش در حین تغییر شکل مستحکم تر شوند. برای مثال نوع 301N با استحکام تسلیم 250 50و استحکام شکست MPa 970همراه با ازدیاد طول 30به تولید صنعتی رسیده است.

آئیل کردن جزئی ساختار نورد سرد شده نشان داد که تهیه ی ترکیبی بهبود یافته از استحکام و داکتیلیته (یعنی

استحکام تسلیم ۵۰Ma و ازدیاد طول اخیراً برای فولاد نوع 304 AISI امکان پذیر است ما و همکارانش با پیشنهاد یک عملیات ترمومکانیکی شامل تکرار سیکل نورد سرد – آنیل برای فولادی با ترکیب شیمیایی 10-5N-SM توانستند استحکام تسلیم 780MPa و استحکام کششی MPa 110همراه با ازدیاد طول 40را بر پایه ی ساختاری با اندازه دانه های نانو بدست آورند.

ارت علوم، تحقیقات ماوری به شمارد 195121و اخراج 139590 کامل سکون سی ایران و تنها برای مدلهای علمی آموزشی و پژوهشی و در بانه قانون حمت از مبلمان مستان و هنرستان (11348و الحافل و اصلاحات بعدی آن و سایر قوانین و مقررات مربوط شدنی است.

محققان ژاپنی نومی مرا و همکارانش نشان دادند که پدیده ی بازگشت مارتنزیت ناشی از کرنشی که تحت تغییر شکل سرد سنگین قرار گرفته به آستنیت میتواند منجر به اندازه دانه ی زیر ۱ میکرومتر شود. این پدیده استحکام تسلیم را تا حدود 5در فولاد 8.5-180 افزایش میدهد.

هر چند که مقادیر داکتیلیته مربوطه داده نشده است.

در این پژوهش تلاش ما بر آن بوده است که با دستیابی به ساختار فوق ریزدانه بر اساس مکانیزم بازگشت مارتنزیت ناشی از کرنش در فولاد زنگ نزن آستنیتی نیمه پایدار AISI 304L به کمک عملیات ترمومکانیکی شامل نورد سرد و آنیل خواص مکانیکی این فولاد را بهبود ببخشیم.

فولادهای زنگ نزن

فولادهای زنگ نزن در اوایل قرن بیستم در امین آلمان اختراع شدند. ترکیب شدن این فولادها با مقادیری از عناصر آلیاژی جانشینی منجر به توسعه مداوم آنها شد. این عناصر آلیاژی در این فولادها برای یک یا چند علت اضافه می شوند که هدف نهایی از اضافه شدن آنها عمدتاً دستیابی به خواص مکانیکی بهتر و یا مقاومت به خوردگی بالاتر می باشد. مطابق معمول مزایای این اضافه شدن همواره مضرات غیر قابل اجتنابی را به همراه خواهد داشت که مهمترین آن کاهش پتانسیل پایداری ریز ساختار میباشد.

در هنگام انجماد و بعد از آن هنگام عملیات ترمومکانیکی و بعد از آن و یا در دماهای بالا تعداد مشخصی از فازها با ترکیبات آلیاژی میتوانند شکل بگیرند. حتی نزدیک دمای اتاق ممکن است ریز ساختار ناپایدار باشد برای مثال تشکیل مارتنزیت ناشی از کرنش ممکن است رخ دهد.

فولادهای زنگ نزن نقش مهمی را در جهان امروز بازی میکنند حتی اگر تناژ تولیدی آنها تنها حدود ۲ از کل محصولات تولیدی فولادها باشد فولادهای زنگ نزن گروه وسیعی از آلیاژهای ویژه اند که بیشتر برای مقاومت در برابر خوردگی توسعه یافته اند. از جمله ویژگیهای دیگر مورد نظر برای این آلیاژها عبارت است از: شکل پذیری عالی، چقرمگی زیاد در دمای اتاق و دمای پایین و مقاومت خوب در برابر پوسته شدن اکسایش و خزش در دماهای

بالا فولادهای زنگ نزن شامل فولادهای زنگ نزن آستنیتی فرینی مارتنزیتی دوفازی و رسوب سختی می باشند که فولادهای زنگ نزن آستنیتی فرینی و دو فازی را نمیتوان بوسیله ی عملیات حرارتی سخت کرد و می بایست تحت عملیات ترمومکانیکی این کار صورت پذیرد.

فولادهای زنگ نزن آستنیتی

جدول ترکیبات استاندارد رایج فولادهای زنگ نزن آستنیتی دسته بندی شده بر طبق انجمن آهن و فولاد آمریکا (AISI) را نشان میدهد. این جدول عناصر آلیاژی اصلی و محدوده های ترکیب آنها را بیان می کند. علاوه بر آهن ترکیبات اصلی Cr جهت بهبود مقاومت به خوردگی و Ni جهت پایداری آستنیت میباشند. محدوده میزان کرم از ۱۵ تا ۲۶ درصد وزنی و میزان نیکل از ۵ تا ۳۷ درصد وزنی میباشند. فولادهای زنگ نزن آستنیتی به دو گروه ۲۰۰ و ۳۰۰ تقسیم بندی می شوند. سری ۲۰۰ میزان کمتری Ni از سری ۳۰۰ دارد.

فولادهای سری ۲۰۰ میزان Mn بالایی در حدود ۱۵٫۵ درصد وزنی و همچنین N بالا که تا حدودی جایگزین Ni بعنوان پایدار کننده آستنیت می شود، می باشد. در بعضی از این نوع فولادها می توان ۲ تا ۴ درصد وزنی مولیبدن یافت Mo اصولاً برای بهبود بخشیدن مقاومت در برابر خوردگی حفره ای اضافه میشود همچنین Mo باعث بالا رفتن سختی محلول جامد می شود. بیشتر فولادهای توسعه یافته شده ی اخیر بعنوان فولادهای زنگ نزن فوق آستنیتی شناخته میشوند که میتوانند حاوی حدود ۶ درصد وزنی Mo باشند.

بخش آستنیتی در فولادهای زنگ نزن آستنیتی حاوی مقادیر بالای کرم نیکل، مولیبدن و نیتروژن می باشد و نتیجه آن میزان آهن نزدیک یا کمتر از ۵۰ درصد وزنی است در جدول ۱۲ حداکثر میزان سیلیسیم ۱ درصد وزنی میباشد. این در حالی است که سیلیسیم بالاتر یعنی بین ۱ و ۳ درصد وزنی می تواند مقاومت در برابر پوسته شدن با اکسیداسیون را بهبود بخشد.

فولادهای زنگ نزن آستنیتی معمولاً مقاومت به خوردگی بسیار عالی تافلس و جوش پذیری خوبی را از خود نشان می دهند، اما دارای استحکام تسلیم نسبتاً پایینی در حالت آنیل شده میباشند بنابراین این فولادها برای کاربردهایی که خواص خوردگی عالی استحکام متوسط و ظاهر زیبا مد نظر می باشد. انتخاب می شوند.

فولادهای زنگ نزن آستنیتی بعلت استحکام تسلیم نسبتاً پایین برای کاربردهای ساختمانی مناسب نیستند. خواص مکانیکی فولادهای زنگ نزن آستنیتی به ترکیب شیمیایی که با محلول جامد بین نشینی و با جانشینی می توانند سخت شوند و مشخصه های ریز ساختاری برای مثال اندازه دانه و میزان فریت وابسته است.

فولادهای زنگ نزن آستنیتی بیش از دو سوم کل محصولات فولادهای زنگ نزن را شامل می شوند. بیش از نیمی از فولادهای زنگ نزن آستنیتی به کار گرفته شده نوع 304 AISI و 316 AISI و ترکیبات کم کربن آنها می باشند که عبارتند از: AISI 304L و AISI 316L[۳]

مکانیزم و روشهای استحکام دهی فولادهای زنگ نزن

مطالعات زیادی درباره ی استحکام دهی فولادهای زنگ نزن و مکانیزه های آن صورت گرفته و چندین روش از

ترکیب این روشهای استحکام دهی مثل ریزدانه کردن استحکام دهی محلول جامد استحکام بخشی به کمک

دگرگونی، کار سختی استحکام بخشی دگرگونی مارتنزیتی ناشی از کرنش پیر سختی کرنشی و یا استحکام دهی رسوبی وجود دارد

ریزدانه کردن

به طور کلی، اندازه دانه ی ریزتر باعث استحکام و تافتس بیشتر فلز میشود بدست آوردن دانه های در اندازه میکرون

بوسیله ی هر عملیات ترمومکانیکی معمولی برای ریزدانه کردن دشوار است به هر صورت تو می مورا و همکارن یک روش ریزدانه کردن بوسیله ی مکانیزم بازگشت آستنیت از مارتنزیت ناشی از کرنش ) پیشنهاد کردند و موفق شدند که دانه های فوق ریز در ابعاد ۲۰۰nm بدست آورند.

رابطه بین اندازه دانه ی آستنیت و تنش تسلیم ۰٫۲ در یک فولاد زنگ نزن آستنیتی را نشان می دهد. یک رابطه خطی بین تنش تسلیم ۱۰٫۲ و اندازه دانه در فولادهای با اندازه دانه ۵۰۰ و بیشتر وجود دارد و معادله ی هال پچ حفظ میشود در اندازه دانه ی ریزتر دیده میشود .

روشهای تولید فولادهای فوق ریزدانه شده

در سال های اخیر تکنیکهای آزمایشگاهی جهت تولید فولادهای فوق ریزدانه شده از دو منظر قابل بررسی است. اولا تکنیک های تغییر شکل پلاستیکی شدید و ثانیاً فرآیندهای ترمومکانیکی پیشرفته که اصولاً شامل اصلاح سازی فرآیندهای نورد فولاد در ابعاد بزرگ مرسوم میباشند. در مقایسه با تکنیک های تغییر شکل پلاستیکی شدید، روش های ترمومکانیکی پیشرفته فرآیندهای صنعتی در ابعاد بزرگ میباشند و در گستره دمایی مختلف قدری راحت تر عمل میکنند و روشهای ترمومکانیکی پیشرفته به صورت مفید از دگرگونی های فازی و نورد کنترل شده استفاده می کنند.

تکنیک های تغییر شکل پلاستیکی شدید تکنیک های تغییر شکل پلاستیکی شدید کرنشهای پلاستیکی متراکم شده بزرگی را در دماهای اتاق با دماهای بالاتر برای مثال عمدتاً در گستره دمایی تغییر شکل گرم اعمال میکنند.

این تکنیک ها می توانند جهت تولید فولادهای فوق ریزدانه شده با اندازه دانه میانگین زیر یک میکرومتر تا ده نانومتر مورد استفاده قرار می گیرند.

تکنیک های تغییر شکل پلاستیکی شدید عبارتند از:

داکستروژن زاویه ای

نورد تجمعی

پیچش فشار بالا

تغییر شکل کرنش بالای دو جهته

فرآیندهای ترمومکانیکی پیشرفتهدر مقایسه با تغییر شکل پلاستیکی شدید که فاکتور اصلی در این روش اعمال کرنش بزرگ می باشد. فرآیندهای ترمومکانیکی پیشرفته استراتژی دیگری جهت تولید دانه های فوق ریزدانه شده را دنبال می کنندکهای تغییر شکل پلاستیکی شدید

برای شیوه های تغییر شکل پلاستیکی شدید یک مسیر کرنش با طراحی خوب مهم تر و آسان تر از یک مسیر دمایی کنترل شده ی دقیق است. طبیعت ناپیوسته پیچیدگی و مقیاس کوچک این فرآیند باعث می شود که اجزای آن در مقياس صنعتی نیازمند سرمایه گذاری و قوه ابتکار بالایی باشد. در مقایسه با روشهای تغییر شکل پلاستیکی شدید، فرآیندهای ترمومکانیکی برای نمونه های بزرگ مؤثرترند تفاوت مهم تری که بین این دو شیوه وجود دارد این است. که شیوه های ترمومکانیکی پیوسته هستند و نیاز به کرنش کل کمتری دارند و در یک رژیم دمایی با دگرگونی فازی می توانند بهینه شوند

عملیات ترمومکانیکی در فولادهای زنگ نزن

عملیات های ترمومکانیکی معمول فولادهای زنگ نزن نشان داده شده است. برخی فولادهای آستنیتی کار سرد شده و سپس پیر کرنش شده اند در حالی که دیگر فولادها نیمه پایدار بوده و شامل مارتنزیت ناشی از نورد سرد می باشند و در ادامه بوسیله ی پیرکرنش یا استحکام بخشی رسوبی استحکام بخشی می شوند. در برخی از فولادهای حاوی آستنیت با نیمه پایدار فولادهای دانه ریز بوسیله ی عملیات بازگشت تولید می شوند.

عملیات ترمومکانیکی جهت دستیابی به ساختار فوق ریزدانه در فولادهای زنگ نزن آستنیتی نیمه پایدار جهت دستیابی به دانه های آستنیت 7 فوق ریزدانه ۳ شرط بایستی برای عملیات ترمومکانیکی ارائه شده لحاظ شود.

آستنیت نیمه پایدار بایستی به صورت تقریباً کامل به مارتنزیت با نورد سرد در زیر دمای M دگرگونی یابد زیرا اندازه دانه ی آستنیتی که از آستنیت نورد سرد شده به دست می آید کوچک نمی باشد.

دمای بازگشت مارتنزیت به آستنیت 7 بایستی قابل کنترل باشد تا از رشد دانه ی آستنیت بازگشت یافته جلوگیری شود. دمای دگرگونی آستنیت بازگشت یافته به مارتنزیت بایستی زیر دمای اتاق باشد تا ساختار آستنیتی پایداری را داشته باشیم.

ترمومکانیکی جهت دستیابی به ساختار فوق ریزدانه در فولادهای زنگ نزن آمسینی نیمه پایدار

مارتنزیت در فولادهای زنگ نزن آستنیتی

به طور کلی آستنیت در فولادهای زنگ آستنیتی و به خصوص در سری فولادهای ۳۰۰ فاز پایداری نمی باشد. دگرگونی خود به خودی مارتنزیت در دمای M آغاز میشود. در شرایط انحلالی دمای M معمولاً پایین تر از دمای اتاق می باشد. دمای M دمایی که پایین تر از آن دما با اعمال تنش الاستیک دگرگونی مارتنزیتی به کمک تنش رخ می دهد معمولاً پایین تر از دمای اتاق و بالاتر از دمای M می باشد. غالباً دمای M دمایی که پایین تر از آن دما مارتنزیت تحت تغییر شکل تشکیل میشود برای این نوع از فولادها بالاتر از دمای اتاق می باشد.

سه حالت دگرگونی مارتنزیتی متفاوت از لحاظ مکانیزم در به طور شماتیک رسم شده است. در زیر دمای M مارتنزیت به طور خود به خودی بدون اعمال تنش تشکیل میشود.

بین دماهای M و M مارتنزیت به کمک اعمال تنش ایجاد میشود.