توسعه فولادهاي آستنيتي شبه پايدار Fe-Cr-Mn-N-C نانو / فوق ريزدانه شده توسط عمليات ترمومکانيکي مارتنزيت

STUDENT

DEGREE

YEAR

Microstructures and mechanical properties of a new grade of Fe-18Cr-12Mn-N-C (wt%) austenitic stainless steels interstitial-alloyed with 0.3 to 0.48 wt% C+N at 0.22 to 1.06 C/N ratios were investigated after thermomechanical processing. Appropriate thermomechanical treatment was designed to obtain good combination of strength and elongation. The developed steel possessed ultimate tensile strength of 1 GPa, yield strength of 450 MPa, and elongation up to 83%. It was found that strength and ductility of the studied steels were affected by strain-hardening behavior and decreasing the strain-hardening rate resulted in lower ultimate tensile strength. Addition of C to N-containing Ni-free steels deteriorated mechanical properties. The best combination of strength and elongation was obtained in steel with lowest C+N (0.3wt %) and C/N ratio (0.22). The martensite reversion treatment was conducted on two grades of Ni-free austenitic stainless steels interstitially alloyed with C and N. The hot rolled sheets of steels were cold rolled up to 80% thickness reduction to acquire strain-induced ?'-martensite and subsequently reversion annealed at temperatures from 700 to 850 °C for 1 to 1000 s to revert the ?'-martensite to austenite. Microstructural evolution was investigated using optical microscopy, X-ray diffraction, electron backscatter diffraction, and magnetic measurement techniques. Mechanical properties were measured using tensile tests at room temperature. The resultant microstructures contained both reverted and recrystallized austenite when reverted at 700 and 750 °C with the annealing time less than 100 s. A nonuniform grain structure was characterized under these conditions consisting of nano/ultrafine grains formed via alpha'-martensite reversion and coarser grains by recrystallization of the retained austenite. However, a more uniform austenite grain size with average size of 1 ?m was obtained at 850 °C for 1000 s. The specimens having nonuniform grain structure exhibited excellent combinations of strength and ductility. A variety of mechanical properties was achieved depending on the annealing condition. The work hardening behavior affected UTS and ductility of the studied steels. The shift of the work hardening peaks to the higher strains was found suitable for ductility. Addition of C to N-containing Ni-free steels deteriorated mechanical properties. Best combination of strength and elongation was obtained in the test material with lower C/N ratio.

در اين تحقيق ريزساختار و خواص مکانيکي فولادهاي زنگ‌نزن آستنيتي شبه پايدارFe-Cr-Mn-N-C حاوي مقادير کم و متوسط نيتروژن و کربن (هر کدام کمتر از حدود0/4 درصد وزني) جهت بررسي اثر افزودن C به فولادهاي بدون نيکل نيتروژن دار مورد ارزيابي قرار گرفت. در اين راستا اثر افزودن توامان C وN روي پايداري آستنيت، مکانيزمهاي تغيير شکل و خواص مکانيکي بررسي شد. همچنين امکان دستيابي به ريزساختارهاي نانو/فوق ريزدانه در اين فولادها از طريق عمليات بازگشت مارتنزيت مطالعه گرديد. بدين منظور از روشهاي مختلف ارزيابي ريزساختاري نظير OM، SEM، EBSD و XRD و ارزيابي خواص مکانيکي با آزمون کشش استفاده شد. در مرحله اول ريزساختار و خواص مکانيکي فولادها در وضعيت نورد داغ شده و آنيل انحلال بررسي گرديد. در فولادهاي نورد داغ شده، در اثر آلياژسازي با C+N، استحکام کششي تا1GPa و درصد ازدياد طول تا 83 درصد بدست آمد. استحاله مارتنزيت ناشي از کرنش اثر قابل توجهي روي خواص مکانيکي اين فولادها نشان داد. مراحل استحاله مارتنزيت ناشي از کرنش در اين فولاد به صورت ????? به دست آمد. با افزايش ميزان عناصر آلياژي بين نشين انرژي نقص در چيده شدن افزايش يافته و نرخ استحاله مارتنزيت ناشي از کرنش کاهش و منجر به افت خواص مکانيکي گرديد. در اين خصوص اثر C بيش از N بود. به نحوي که با افزايش نسبت C/N در يک C+N معين، خواص مکانيکي فولاد حاصل مشتمل بر استحکام کششي نهايي و درصد ازدياد طول کاهش يافت. در نتيجه در اين دسته از فولادها C اثر مخربي روي خواص مکانيکي دارد. نرخ کرنش سختي اين فولادها يک رفتار چهار مرحله اي از خود نشان داد که با سوق يافتن پيک نرخ کرنش سختي به کرنشهاي بالاتر انعطاف پذيري بهبود يافت. در يک سطح ثابت از C+N با افزايش نسبت C/N (افزايش ميزان کربن)، استحاله مارتنزيت ناشي از کرنش به تعويق افتاده و خواص مکانيکي افت نمود. نتايج نشان داد که استحکام کششي و انعطاف پذيري فولادهاي مورد بررسي تحت تاثير رفتار کرنش سختي آنها قرار دارد. بهترين خواص مکانيکي در فولادهاي مورد بررسي در فولادي با کمترين ميزان C+N و کمترين نسبت C/N بدست آمد. در مرحله دوم ، رفتار ريزدانه شدن فولادها از طريق عمليات بازگشت مارتنزيت و اثر آن بر ريزساختار و خواص مکانيکي مورد بررسي قرار گرفت. بدين منظور فرايند نورد سرد و آنيل بازگشتي روي دو نمونه فولاد که در اثر نورد سرد بيشترين ميزان مارتنزيت در آنها ايجاد شده بود، با آنيل در دماهاي 700 تا850 درجه سانتيگراد به مدتهاي 1 تا 1000 ثانيه مورد بررسي قرار گرفت. بررسي نرخ بازگشت مارتنزيت در فولادها نشان داد که فرايند بازگشت مارتنزيت در دماي 700 درجه سانتيگراد به سرعت در هر دو فولاد رخ مي دهد. با توجه به مشاهده دانه هاي درشت و دانه هاي نانو/ فوق ريزدانه در ريزساختار، هر دو نوع مکانيزم برشي و نفوذي در اين دما فعال مي باشد. در دماي آنيل پايين به دليل تشکيل سريع دانه هاي نانو/فوق ريزدانه از طريق بازگشت از يک طرف و تشکيل دانه هاي درشت ناشي از تبلور مجدد آستنيت باقيمانده از سوي ديگر ، يک ريزساختار غيريکنواخت بدست آمد. ميانگين اندازه دانه از0/32 تا1/02 ميکرومتربرحسب دماي آنيل در فولادها بدست آمد. افزايش دما و زمان آنيل به واسطه درشت شدن دانه هاي فوق ريزدانه بازگشت يافته منجر به يکنواخت تر شدن ريزساختار گرديد. ريزساختاري با اندازه دانه ميانگين 1 ميکرومتر با آنيل بازگشتي در دماي850 درجه سانتيگراددر فولادهاي مورد بررسي بدست آمد. ريزساختار لايه اي ناهمگن مشتمل بر آستنيت بازگشت يافته نانو/فوق ريزدانه و دانه هاي درشت ناشي از تبلور مجدد آستنيت باقيمانده منجر به هم افزايي خواص و ايجاد استحکام کششي و درصد ازدياد طول بالايي در فولادها گرديد. فولاد با نسبت C/N بالا در مقايسه با فولاد با نسبت C/N کمتر، نرخ کرنش سختي کمتري از خود نشان داد. در اين دسته از فولادها نيز افزودن C منجر به افت خواص مکانيکي فولادها گرديد. بهترين نتايج در فولادي با نسبت C/N پايينتر حاصل شد.