فولاد دوفازی-تأثیر کسر حجمی بینیت حاصل از عملیات حرارتی بین بحرانی بر خواص
فولاد دوفازی
تأثیر کسر حجمی بینیت حاصل از عملیات حرارتی بینبحرانی بر خواص مکانیکی و رفتار شکست فولاد دوفازی فریتی-بینیتی
چکیده
در این پژوهش، تأثیر کسر حجمی فاز بینیت بر خواص مکانیکی و رفتار شکست فولاد دوفازی فریتی-بینیتی حاصل از عملیات حرارتی بینبحرانی. بر روی فولاد AISI 4140 مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور، نمونههایی از فولاد AISI 4140 تحت چرخههای عملیات حرارتی بینبحرانی. شامل آستنیتهکردن در دمای ۸۵۰ درجه سلسیوس به مدت یک ساعت، سپس انتقال به کورههای با دماهای ۷۵۰، ۷۶۰ و ۷۷۰ درجه سلسیوس. به مدت ۱۵ دقیقه، انتقال به حمام نمک با دمای ۳۶۰ درجه سلسیوس به مدت ۱۵ دقیقه. و در نهایت سردکردن در هوا تا دمای محیط، قرار گرفتند.
با استفاده از این روش، نمونههایی با ساختارهای دوفازی فریتی-بینیتی شامل درصدهای مختلف فاز بینیت (به ترتیب ۳۴، ۴۸ و ۶۹ درصد حجمی). و یک نمونه با ساختار کاملاً بینیتی (۱۰۰ درصد) تهیه گردید. نتایج آزمونهای مکانیکی نشان میدهد. که با افزایش کسر حجمی بینیت، استحکام تسلیم و استحکام کششی نهایی به طور قابلتوجهی افزایش مییابد. در حالی که انعطافپذیری و انرژی ضربه کاهش مییابد.
بررسی سطوح شکست نمونهها توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نشان داد. که مکانیزم شکست در نمونههای دوفازی به صورت مخلوطی از شکست ترد و نرم بوده. و ذرات ناخالصی سولفید منگنز به عنوان محلهای هستهزایی، رشد و اشاعه ترک عمل میکنند. همچنین، با افزایش کسر حجمی بینیت، نسبت شکست ترد به نرم افزایش یافته است. یافتههای این پژوهش نشاندهنده قابلیت بالای عملیات حرارتی بینبحرانی در تولید فولادهای دوفازی با نسبت استحکام به وزن مطلوب. و کاربرد گسترده در صنایع خودروسازی و سازههای سبک است.
کلیدواژهها: فولاد دوفازی، فریت-بینیت، کسر حجمی بینیت، عملیات حرارتی بینبحرانی، خواص مکانیکی، AISI 4140
۱. مقدمه
افزایش روزافزون تقاضای صنعت خودروسازی به مواد سبکوزن به منظور کاهش مصرف سوخت. و بهبود عملکرد زیستمحیطی، منجر به گسترش تولید ورقهای فولادی با استحکام بالا شده است. از آنجا که شکلپذیری بسیاری از فولادها با افزایش استحکام کاهش مییابد، تحقیقات گستردهای بر روی بهینهسازی تعادل بین استحکام و شکلپذیری متمرکز شده است. در این راستا، فولادهای دوفازی (Dual Phase Steels) به دلیل ترکیب منحصربهفرد استحکام بالا و شکلپذیری مطلوب، توجه ویژهای را به خود جلب کردهاند.
تحقیقات بر روی فولادهای دوفازی از سال ۱۹۷۵ میلادی آغاز شد. مطالعات اولیه نشان داد که آنیل بینبحرانی فولادهای کمآلیاژی در محدوده دو فازی آستنیت و فریت، فولادهایی با ریزساختار فریت-مارتنزیت یا فریت-بینیت. تولید میکند که علاوه بر استحکام بالا، انعطافپذیری بهتری نسبت به سایر فولادهای کمآلیاژ با استحکام بالا. که به روشهای دیگری مانند رسوبسختی یا سختگردانی محلول جامد سخت شدهاند، دارا میباشند. حضور همزمان این دو ویژگی در فولادهای معمولی دیگر غیرممکن است و به همین دلیل، فولادهای دوفازی بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند.
بیشترین استفاده از فولادهای دوفازی در صنعت خودروسازی و بدنه خودروها میباشد که دلیل آن، ویژگیهای منحصربهفرد این فولادها از نظر استحکام و انعطافپذیری است. با این حال، در حین جوشکاری فولادهای فریتی-مارتنزیتی، مارتنزیت موجود در نواحی متأثر از جوش بازپخت شدید شده. و سبب افت سختی و استحکام قابلملاحظه در این نواحی میشود. بنابراین، برای فاز دوم، از بینیت به جای مارتنزیت در فولادهایی که تحت جوشکاری قرار میگیرند. استفاده گردید و این امر سبب شد تحقیقات بر روی فولادهای فریتی-بینیتی انجام گیرد. در حقیقت، فولادهای دوفازی فریتی-بینیتی زمانی استفاده میشوند که نیاز به چقرمگی و انعطافپذیری بیشتر بوده و استحکام در اولویت دوم باشد.
علاوه بر استحکام و انعطافپذیری بالا، فولادهای دوفازی نسبت به فولادهای معمول HSLA. از خواص منحصربهفرد دیگری مانند انرژی ضربه بالا، نرخ کارسختی اولیه بالا و نسبت استحکام تسلیم به استحکام کششی پایین برخوردار میباشند. سطح استحکام این فولادها بیشتر مرتبط با مقدار فاز سختتر در ریزساختار است. فولادهای دوفازی معمولاً دارای نسبت استحکام تسلیم به استحکام کششی پایینی هستند (تقریباً ۰.۶ برای فولادهای دوفازی در مقابل ۰.۸ برای فولادهای HSLA). بنابراین، افزایش طول و انعطافپذیری بیشتری دارند. بعلاوه، رفتار کارسختی فولادهای دوفازی متفاوت با فولادهای HSLA میباشد. فولادهای HSLA به محض تغییر شکل، شکلپذیری خود را از دست میدهند. اما به دلیل زمینه فریت نرم در فولادهای دوفازی، این مواد شکلپذیری خود را در حین تغییر شکل حفظ کرده. و توزیع کرنش در عرض مقطع تغییرفرمیافته بهتر میشود. به همین دلیل، در بسیاری از برنامههای کاربردی که به تغییر شکلهای بزرگ پلاستیکی نیاز باشد، از فولادهای دوفازی استفاده میشود.
عملیات حرارتی بینبحرانی مهمترین روش برای تولید فولادهای دوفازی محسوب میشود. این نوع عملیات حرارتی شبیه عملیات حرارتی مرسوم نرمالهکردن یا کوئنچ-تمپر است. اما در اثر عملیات حرارتی بینبحرانی به یک ریزساختار فریتی-مارتنزیتی یا فریتی-بینیتی به جای ریزساختار فریتی-پرلیتی مرسوم میرسیم. در عملیات حرارتی بینبحرانی، دما در محدوده بین دمای A₁ و A₃ (منطقه دو فازی آستنیت و فریت) انتخاب میشود. با تبرید از دمای بینبحرانی، نواحی که فریت موجود است در ساختار دو فازی باقی میماند. در حالی که آستنیت به مارتنزیت یا بینیت و حتی پرلیت تبدیل میشود.
فولاد AISI 4140 که جز فولادهای HSLA است و از دسته فولادهای کروم-مولیبدندار با کربن متوسط میباشد، در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفت. این نوع فولادها که به فولادهای MO40 نیز مشهور هستند، دارای تولید جهانی بوده و کاربرد فراوانی در صنایع مختلف دارند. دمای بحرانی این فولاد با استفاده از آزمون دیلاتومتری در محدوده ۷۴۲ تا ۷۸۲ درجه سلسیوس تعیین گردید. هدف از انجام این تحقیق، بررسی چگونگی تغییرات استحکام، انعطافپذیری، سختی و انرژی ضربه فولاد AISI 4140 در برابر تغییرات کسر حجمی بینیت. و همچنین اثر کسر حجمی بینیت بر رفتار و نوع شکست این فولاد میباشد.
۲. مواد و روشهای تحقیق
۲.۱. مواد اولیه
در این مطالعه، فولاد میکروآلیاژی AISI 4140 با قطر اولیه ۲۰ میلیمتر انتخاب شد. ترکیب شیمیایی این فولاد در جدول (۱) ارائه شده است. فولاد AISI 4140 یک فولاد کروم-مولیبدندار با کربن متوسط است که به دلیل خواص مکانیکی مطلوب و سختیپذیری بالا، در صنایع مختلف کاربرد گستردهای دارد.
۲.۲. تعیین محدوده دمایی بینبحرانی
به منظور تعیین دقیق محدوده دمایی دو فازی آستنیت و فریت (منطقه بینبحرانی)، از آزمون دیلاتومتری (Dilatometry) استفاده گردید. بدین منظور، یک نمونه به قطر ۵ میلیمتر و ارتفاع ۲۲ میلیمتر با دقت بالا تراشکاری شده و دو سطح آن با دقت تراز شد. سپس نمونه در دستگاه دیلاتومتر قرار گرفت و محدوده دمای بینبحرانی برابر با ۷۴۲ تا ۷۸۲ درجه سلسیوس تعیین گردید. بر اساس این محدوده، دماهای ۷۵۰، ۷۶۰ و ۷۷۰ درجه سلسیوس به عنوان دماهای بینبحرانی برای انجام عملیات حرارتی انتخاب شدند.
۲.۳. عملیات حرارتی
چرخه عملیات حرارتی اعمال شده بر روی نمونهها به شرح زیر بود:
مرحله اول – آستنیتهکردن: نمونهها تا دمای ۸۵۰ درجه سلسیوس حرارت داده شده و به مدت یک ساعت در این دما نگهداری شدند. تا ساختار کاملاً آستنیتی تشکیل شود.
مرحله دوم – عملیات بینبحرانی: پس از آستنیتهکردن، هر یک از نمونهها به کورههای جداگانه با دماهای ۷۵۰، ۷۶۰ و ۷۷۰ درجه سلسیوس منتقل شده. و به مدت ۱۵ دقیقه در این دماها نگهداری شدند. این مرحله باعث تشکیل ساختار دو فازی فریت و آستنیت گردید.
مرحله سوم – آستمپرینگ در حمام نمک: نمونهها از کوره خارج شده و بلافاصله به حمام نمک (نیترات سدیم) با دمای ۳۶۰ درجه سلسیوس. به مدت ۱۵ دقیقه منتقل شدند. دمای ۳۶۰ درجه سلسیوس نزدیک به دمای شروع مارتنزیت (Ms) این فولاد (حدود ۳۴۰ درجه سلسیوس) انتخاب گردید. تا فاز بینیت از نوع بینیت پایینی (Lower Bainite) با تیغههای ظریف تشکیل شود.
مرحله چهارم – سردکردن در هوا: نمونهها از حمام نمک خارج شده و در هوا تا دمای محیط سرد شدند.
علاوه بر نمونههای دوفازی، یک نمونه نیز به منظور مقایسه، تحت عملیات آستمپرینگ کامل قرار گرفت. بدین منظور، نمونه پس از آستنیتهگری در دمای ۸۵۰ درجه سلسیوس به مدت یک ساعت. مستقیماً به حمام نمک با دمای ۳۶۰ درجه سلسیوس به مدت ۱۵ دقیقه منتقل شده. و سپس در هوا سرد گردید تا ساختار کاملاً بینیتی (۱۰۰ درصد بینیت) حاصل شود.
۲.۴. آمادهسازی متالوگرافی و بررسی ریزساختار
نمونهها پس از عملیات حرارتی، آمادهسازی متالوگرافی شده و با استفاده از محلول نایتال ۴٪ اچ گردیدند. ریزساختارهای حاصل با استفاده از میکروسکوپ نوری (OM) مدل BP-OLYMPUS و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مدل VEGA/TESCAN مورد بررسی قرار گرفتند. برای تعیین درصد فازهای مختلف متشکل در ریزساختار، تصاویر نوری نمونهها توسط نرمافزار Image Pro-Plus 6.0 مورد آنالیز تصویری قرار گرفتند.
فولاد دوفازی
۲.۵. آزمونهای مکانیکی
آزمون کشش: نمونههای کشش پس از اعمال چرخههای عملیات حرارتی، مطابق با استاندارد ASTM E8M مهیاسازی میشود. و به وسیله دستگاه کشش Santam با نرخ کرنش ۱ میلیمتر بر دقیقه، آزمون کشش انجام و نتایج ثبت گردید.
آزمون ضربه: پس از اعمال چرخههای عملیات حرارتی، نمونههای ضربه در ابعاد ۱۰×۱۰×۵۵ میلیمتر مطابق با استاندارد مهیاسازی میشود. و توسط دستگاه ضربه شارپی مدل SIT-300AC، آزمون ضربه انجام شد.
۲.۶. بررسی سطوح شکست
سطح مقطع شکست نمونهها پس از آزمون ضربه شارپی، با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مدل Philips XL30 مورد بررسی قرار گرفت. تا مکانیزم شکست و عوامل مؤثر بر آن شناسایی گردد.
۳. نتایج و بحث
۳.۱. ریزساختار و کسر حجمی بینیت
تصاویر میکروسکوپ نوری (شکل ۲) ساختارهای حاصل از عملیات حرارتی در دماهای بینبحرانی مختلف را نشان میدهد. در این تصاویر، مناطق روشن فاز فریت و مناطق تیره فاز بینیت میباشند. با توجه به این تصاویر و نتایج آنالیز تصویری، مشاهده میشود. که با افزایش دمای بینبحرانی از ۷۵۰ به ۷۷۰ درجه سلسیوس، درصد فاز بینیت افزایش مییابد. نتایج آنالیز تصویری نشان داد که نمونههای مورد عملیات حرارتی در دماهای ۷۵۰، ۷۶۰ و ۷۷۰ درجه سلسیوس. به ترتیب دارای ۳۴، ۴۸ و ۶۹ درصد حجمی بینیت بودند. نمونه آستمپرینگی نیز دارای ساختار ۱۰۰ درصد بینیتی بود.
تصاویر میکروسکوپ الکترونی (شکل ۳) از فازها و قسمتهای مختلف متشکل در ریزساختار نمونه ۱۰۰% بینیتی و دوفازی فریتی-بینیتی (با ۶۹% بینیت) نشان میدهد. که فاز بینیت تشکیل شده در نمونهها، با توجه به دمای آستمپرینگ ۳۶۰ درجه سلسیوس. (نزدیک به دمای Ms این فولاد که حدود ۳۴۰ درجه سلسیوس است). از نوع بینیت پایینی (Lower Bainite) با تیغههای ظریف میباشد.
۳.۲. خواص کششی
نمودار تنش-کرنش مهندسی نمونههای دوفازی با درصدهای مختلف بینیت (شکل ۴) نشان میدهد که منحنیهای تنش-کرنش نمونهها فاقد نقطه تسلیم بالایی و پایینی میباشند. این ویژگی از خصوصیات مهم فولادهای دوفازی به حساب میآید و به دلیل وجود نابجاییهای متحرک در فاز فریت نرم است. که تسلیم را در تنشهای پایینتر امکانپذیر میسازد.
نتایج آزمون کشش (جدول ۲) نشان میدهد که ساختار ۱۰۰% بینیتی دارای بیشترین مقدار استحکام تسلیم و استحکام کششی میباشد. و با افزایش کسر حجمی فریت (کاهش کسر حجمی بینیت)، استحکام تسلیم و نهایی کاهش مییابد. به عبارت دیگر، با افزایش کسر حجمی بینیت از ۳۴% به ۱۰۰%، استحکام تسلیم و استحکام کششی نهایی به طور قابلتوجهی افزایش مییابد.
علت کاهش استحکام در ساختارهای فریتی-بینیتی نسبت به ساختار کاملاً بینیتی، وجود نابجاییهای متحرک در فاز فریت میباشد. با افزایش درصد حجمی فریت، بر تعداد نابجاییهای متحرک افزوده میشود و در نتیجه تسلیم در تنشهای پایینتری رخ میدهد. تسلیم زودتر به معنی پایینتر بودن نسبت YS/UTS میباشد. به علاوه، به دلیل کاهش نرخ کارسختی در اثر افزایش درصد حجمی فریت، استحکام کشش نیز با افزایش درصد حجمی فریت کاهش مییابد.
فولاد دوفازی
نتایج همچنین نشان میدهد که نسبت استحکام تسلیم به استحکام کششی نهایی (YS/UTS) در ساختار فریتی-بینیتی کمتر از ساختار بینیتی میباشد. این خاصیت از ویژگیهای مهم فولادهای دوفازی محسوب میشود و با افزایش درصد حجمی فریت، این نسبت کاهش بیشتری پیدا میکند. این پدیده نشان میدهد که افزایش درصد حجمی فریت تأثیر بیشتری بر تنش تسلیم داشته. و استحکام تسلیم نسبت به استحکام کششی با سرعت بیشتری کاهش مییابد.
نمودار تنش-کرنش (شکل ۴) نشان میدهد که رفتار ناحیه الاستیک در هر چهار ساختار فریتی-بینیتی مشابه بوده، ولی ناحیه تغییر شکل پلاستیک آنها متفاوت میباشد. همچنین مشاهده میگردد که منحنیهای تنش-کرنش مهندسی برای ساختارهای فریتی-بینیتی با درصد متفاوت بینیت بسیار شبیه هم بوده. و با منحنی تنش-کرنش مهندسی برای ساختار بینیتی اختلاف دارند. این پدیده نشان میدهد که افزایش درصد حجمی فریت تأثیر زیادی بر رفتار کششی ساختارهای دوفازی فریتی-بینیتی فولاد مورد استفاده ندارد.
با توجه به نتایج (جدول ۲)، ساختار کاملاً بینیتی کمترین مقدار درصد ازدیاد طول یکنواخت و درصد ازدیاد طول کل را دارا میباشد. و با افزایش درصد حجمی فریت، این مقادیر افزایش مییابد. علت این امر وجود فاز نرم فریت است که دارای انعطافپذیری بالاتری نسبت به بینیت میباشد. به عبارت دیگر، با افزایش کسر حجمی بینیت، انعطافپذیری کاهش مییابد.
۳.۳. انرژی ضربه
نتایج آزمون ضربه شارپی نشان میدهد که با افزایش کسر حجمی بینیت، انرژی ضربه جذبی توسط نمونهها کاهش مییابد. ساختار کاملاً بینیتی دارای کمترین انرژی ضربه و ساختار با ۳۴% بینیت (بیشترین کسر حجمی فریت) دارای بیشترین انرژی ضربه میباشد. این رفتار به دلیل ماهیت تردتر فاز بینیت در مقایسه با فاز فریت نرم و شکلپذیر است. با افزایش کسر حجمی فاز سخت و ترد بینیت، مسیرهای عبور ترک با موانع کمتری مواجه میشود و رشد ترک با سرعت بیشتری انجام میشود.
۳.۴. بررسی سطوح شکست
بررسی سطوح شکست نمونهها توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نشان داد. که مکانیزم شکست در نمونههای دوفازی به صورت مخلوطی از شکست ترد و نرم میباشد. در این بررسی، مشاهده شد که ذرات ناخالصی سولفید منگنز (MnS) به عنوان محلهای هستهزایی، رشد و اشاعه ترک عمل میکنند. این ذرات که در حین تولید فولاد به صورت ناخالصی باقی میمانند، به دلیل اختلاف خواص مکانیکی با زمینه. محل مناسبی برای تمرکز تنش و تشکیل حفرههای ریز (Micro-voids) محسوب میشوند.
همچنین، با افزایش کسر حجمی بینیت، نسبت شکست ترد به نرم افزایش مییابد. به عبارت دیگر، در نمونههای با بینیت بیشتر، سطح شکست دارای مناطق ترد بیشتری بوده. و رفتار شکست به سمت شکست ترد (شکست برشی) گرایش مییابد. این مشاهده با نتایج کاهش انرژی ضربه با افزایش کسر حجمی بینیت همخوانی کامل دارد.
۴. نتیجهگیری
در این پژوهش، تأثیر کسر حجمی بینیت حاصل از عملیات حرارتی بینبحرانی بر خواص مکانیکی. و رفتار شکست فولاد دوفازی فریتی-بینیتی AISI 4140 مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل از این تحقیق را میتوان به شرح زیر خلاصه نمود:
نخست، عملیات حرارتی بینبحرانی در دماهای مختلف (۷۵۰، ۷۶۰ و ۷۷۰ درجه سلسیوس). بر روی فولاد AISI 4140، امکان تولید ریزساختارهای دوفازی فریتی-بینیتی با کسر حجمی بینیت مختلف (به ترتیب ۳۴، ۴۸ و ۶۹ درصد) را فراهم میآورد. با افزایش دمای بینبحرانی، کسر حجمی فاز بینیت افزایش مییابد.
دوم، با افزایش کسر حجمی بینیت، استحکام تسلیم و استحکام کششی نهایی به طور قابلتوجهی افزایش مییابد. ساختار کاملاً بینیتی (۱۰۰% بینیت) دارای بیشترین استحکام و ساختار با ۳۴% بینیت (بیشترین کسر حجمی فریت) دارای کمترین استحکام میباشد.
سوم، افزایش کسر حجمی بینیت منجر به کاهش انعطافپذیری و انرژی ضربه میگردد. ساختار کاملاً بینیتی کمترین درصد ازدیاد طول و کمترین انرژی ضربه را دارا میباشد.
چهارم، نسبت استحکام تسلیم به استحکام کششی نهایی (YS/UTS) در ساختارهای فریتی-بینیتی کمتر از ساختار بینیتی است. و با افزایش درصد حجمی فریت، این نسبت کاهش بیشتری مییابد. این ویژگی از خصوصیات مهم فولادهای دوفازی محسوب میشود.
پنجم، منحنیهای تنش-کرنش نمونههای دوفازی فاقد نقطه تسلیم بالایی و پایینی هستند که این ویژگی از مشخصات بارز فولادهای دوفازی به شمار میرود.
ششم، بررسی سطوح شکست توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان داد. که مکانیزم شکست در نمونههای دوفازی به صورت مخلوطی از شکست ترد و نرم بوده. و ذرات ناخالصی سولفید منگنز به عنوان محلهای هستهزایی، رشد و اشاعه ترک عمل میکنند. با افزایش کسر حجمی بینیت، نسبت شکست ترد به نرم افزایش مییابد.
فولاد دوفازی
هفتم، فولادهای دوفازی فریتی-بینیتی تولید شده به روش عملیات حرارتی بینبحرانی، با توجه به ترکیب مطلوب استحکام و انعطافپذیری. و همچنین نسبت پایین YS/UTS، گزینههای مناسبی برای کاربرد در صنایع خودروسازی و سازههای سبک محسوب میشوند.
هشتم، انتخاب دمای بینبحرانی مناسب، ابزاری مؤثر برای کنترل کسر حجمی فاز بینیت و در نتیجه تنظیم خواص مکانیکی نهایی فولادهای دوفازی فریتی-بینیتی میباشد.
منابع و مآخذ
- Piri, R., Ghasemi, B., & Yousefpour, M. (2017). Effect of bainite volume fraction, resulting from Intercritical heat treatment on mechanical properties and Fracture behavior of bainite–ferrite dual phase steel. Metallurgical Engineering, 20(1), 46-54.
- Speich, G. R. (1980). Fundamentals of dual-phase steels. Proceedings of the Metallurgical Society of AIME, 3-39.
- Maleque, M. A., Poon, Y. M., & Masjuki, H. H. (2004). The effect of intercritical heat treatment on the mechanical properties of AISI 3115 steel. Journal of Materials Processing Technology, 482-487.
- Bakhtiari, R., & Ekrami, A. (2009). The effect of bainite morphology on the mechanical properties of a high bainite dual phase steel. Materials Science and Engineering A, 525, 159-165.
- Saeidi, N., & Ekrami, A. (2009). Materials Science and Engineering A, 523, 125-129.
- Akbarpour, M. R., & Ekrami, A. (2008). Materials Science and Engineering A, 477, 306-310.
- Krauss, G. (1980). Principles of Heat Treatment of Steels. ASM Metal Handbook, 240-245.
- Prabhudev, K. H. (1987). Handbook of Heat Treatment of Steels. New Delhi: Tata McGraw-Hill Publishing Co. Ltd.
فولاد دوفازی
