ارزیابی رفتار سیلان گرم و تحولات ریزساختاری فولاد یوتکتوییدی بدون و با وانادیم به منظور ایجاد ذرات سمنتیت کروی نانومتری

STUDENT

DEGREE

YEAR

The ductility of eutectoid steels can be improved if the fully lamellar microstructurecouldbe converted to nano/ultrafine ferrite + cementite microstructures by utilizing warm deformation. Additionally, the prior austenite grain size and pearlite features (inter-lamellar spacing and colony size) can be significantly refined by addition of vanadium leads to precipitation of nano-scaled VC particles. In this research, the constitutive flow behavior of plain and vanadium microalloyed eutectoid steel have been characterized in the temperature range 620-770 ?C at strain rates in the range 0.01-10 s -1 , aided with microstructural characterization of deformed specimens. Various deformation mechanisms including spheroidization, operating during warm deformation of the steel have been identified and their domains/sub-domains in temperature – strain rate space delineated through construction of a power dissipation map based on the principles of dynamic materials modelling. An instability map showing a regime characterizing the manifestation of instabilities in the temperature – strain rate space was also plotted based on Kumar’s criterion. Superposition of the instability map on the power dissipation map yielded the processing map for the steel identifying the deterministic domains for various mechanisms, in particular the safe processing window for defect-free processing of the steel. The results show that the pearlitic microstructure exhibits several deformation mechanisms within these warm working conditions. Dynamic spheroidization through cementite fragmentation occurred in the range 640-720 °C and 670-720 °C at strain rate of 0.01-0.1 s -1 with a power dissipation efficiency of 21-30% for plain and vanadium microalloyed eutectoid steel, respectively. Additionally, a novel rapid microstructural conversion technique for dynamic spheroidization in plaineutectoid steel at 730-740 °C and strain rate of 0.1-1 s -1 has been demonstrated. In the instability regime, various microstructural defects such as flow localization, lamella sliding, lamella kinking, lamella cracking and prior austenite grain boundary cracking appeared. It is shown that the presence of vanadium carbides at grain boundaries strengthened the pearlitic microstructure and retarded the occurrence of some deformation defects. Keywords: Eutectoid steel; Microalloyed Vanadium; Thermomechanical processing; Dynamic spheroidization; Processing maps.

فولادهای یوتکتویدی به لحاظ مشخصات ریزساختاری منحصربه فردشان، شامل ریزساختار کاملا لایه ای پرلیتی حاوی لایه های نانومتری سمنتیت و عدم حضور فازهای پرویوتکتویدی در ریزساختار،بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. این فولادها قادر به تحمل تغییرشکل سرد و همچنینتغییرشکل گرم در محدوده دوفازی فریت+سمنتیت (زیر دمای استحاله یوتکتویدی) می باشند. کاربرد متداول فولادهای یوتکتویدی، ساخت سیم های پراستحکام از طریق انجام فرایند کشش سیم سرد است. نوع ریزساختار و قابلیت کارسختی فولاد یوتکتویدی دو متغیر کلیدی جهت تولید سیم های پراستحکام است.در سال های اخیر، تحقیقات جدیدی در زمینه مهندسی ریزساختار و بهینه سازی خواص فولادهای یوتکتویدی بوسیله طراحی عملیات ترمومکانیکی نوین و افزودن عناصر میکروآلیاژی انجام گرفته است. در این پژوهش به ارزیابی رفتار سیلان گرم و تحولات ریزساختاری فولاد یوتکتویدی با ساختار کاملا پرلیتی در محدوده دمایی 770-620 درجه سانتیگراد و نرخ کرنش حقیقی 10-01/0 برثانیه پرداخته شده است. اهداف مورد نظر شامل توسعه رسم نقشه های فرایند جهت شناسایی دامنه ایمن (دما و نرخ کرنش مناسب) برای وقوع مکانیزم کروی شدن دینامیکی جهت تبدیل لایه های سمنتیت نانومتری به ذرات سمنتیت فوق ریز/نانومتری، بررسی رفتار تغییرشکل گرم سریع بوسیله کارگرم در دمای استحاله یوتکتویدی (720 درجه سانتیگراد)، محاسبه ثوابت و انرژی اکتیواسیون ظاهری تغییرشکل گرم و همچنین ارزیابی تاثیر افزودن عنصر میکروآلیاژی وانادیم بر رفتار کارگرم فولاد یوتکتویدی بوده است. رفتار ترمومکانیکی بوسیله آزمون فشار گرم و دستگاه شبیه ساز ترمومکانیکی Gleeble 1500 مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج بدست آمده نشان می دهد که بوسیله کارگرم در محدوده دمایی 720-640 درجه سانتیگراد و نرخ کرنش 1/0-01/0 برثانیه، مکانیزم کروی شدن دینامیک با بازدهی اتلاف انرژی 30-21 درصد فعال گردیده و امکان تبدیل لایه های سمنتیت با ضخامت 5±35 نانومتر به ذرات کروی سمنتیت با اندازه کمتر از 100 نانومتر وجود دارد. همچنین کارگرم در دمای 720 درجه سانتیگراد و نرخ کرنش سریع 1 برثانیه منجر به وقوع مکانیزم کروی شدن دینامیکی و تشکیل نانو ذرات سمنتیت گردیده است. این روش می تواند یک روش تبدیل ریزساختاری نوین برای تغییرشکل گرم سریع فولاد یوتکتویدی بدون ایجاد هرگونه عیب ریزساختاری باشد که برای اولین بار توسعه یافته است. از طرف دیگر، در نواحی ناپایداری انواع عیوب ریزساختاری از قبیل تمرکز سیلان، لغزش لایه ای، خم شدگی لایه ای، ترک خوردگی لایه ای و ترک خوردگی در مرزدانه های اولیه آستنیت مشاهده گردید. همچنین افزودن عنصر میکروآلیاژی وانادیم و به دنبال آن تشکیل نانورسوبات کاربید وانادیم با اندازه متوسط 10 نانومتر در نواحی مرزهای با زاویه کم و زیاد، از وقوع برخی عیوب ریزساختاری نظیر ترک خوردگی مرزدانه ای و تمرکز سیلان در حین کارگرم با نرخ کرنش بالا جلوگیری نمود؛ در حالی که وقوع مکانیزم کروی شدن دینامیکی نیز به تاخیر افتاد. محاسبه انرژی اکتیواسیون ظاهری تغییرشکل گرم ( Q app ) نشان داد که این مقدار برای فولاد یوتکتویدی ساده و میکروآلیاژی شده با وانادیم به ترتیب برابر 455 و kJ/mol 498 می باشد. افزودن وانادیم از طریق اثرات استحکام دهی محلول جامد و رسوب سختی باعث افزایش مقاومت به لغزش نابه جایی ها و به تاخیر انداختن مکانیزم نرم شدن درحین تغییرشکل گرم و در نتیجه افزایش انرژی اکتیواسیون به میزان kJ/mol 43 گردید. همچنین قابلیت کارسختی ریزساختارهای مختلف فولاد یوتکتویدی شامل ریزساختارهای بینیتی، دوپلکس بینیتی+پرلیتی، پرلیتی با فاصله بین لایه ای و اندازه کلونی مختلف، پرلیتی بطور جزئی کروی شده و پرلیت کروی شده و نیز تاثیر افزودن عنصر میکروآلیاژی وانادیم بر قابلیت کارسختی بوسیله آزمون کشش دمای اتاقمورد بررسی قرار گرفت. این ریزساختارها به وسیله فرایند عملیات حرارتی پیوسته و ایزوترم در حمام نمک تولید گردیدند. نتایج بدست آمده نشان داد که ریزساختار پرلیتی ظریف حاوی مناطق بطور جزئی کروی شده در مرزدانه ها دارای خواص کششی کافی و قابلیت کارسختی عالی در مقایسه با ریزساختارهای کاملا پرلیتی متداول است. بدین وسیله می توان سیم پراستحکام با حداقل گسیختگی در حین کشش سیم و سایش کمتر قالب ها تولید کرد. علاوه براین، افزودن وانادیم بصورت میکروآلیاژی از طریق ایجاد رسوبات نانومتری کاربید وانادیم و افزایش دانسیته نایه جایی های ضروری هندسی باعث بهبود قابلیت کارسختی در مقایسه با فولاد یوتکتویدی ساده گردیده است که نتایج بدست آمده از کشش سیم سرد میلگرد یوتکتویدی ساده و میکروآلیاژی شده با وانادیم نیز این موضوع را تائید نمود. کلمات کلیدی: فولاد یوتکتویدی، وانادیم میکروآلیاژی، قابلیت کارسختی،‌ تغییرشکل گرم، نقشه فرایند، کروی شدن دینامیکی، انرژی اکتیواسیون.