ارزيابي رفتار سيلان گرم و تحولات ريزساختاري فولاد يوتکتوييدي بدون و با واناديم به منظور ايجاد ذرات سمنتيت کروي نانومتري

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.

چکيده فولادهاي يوتکتويدي به لحاظ مشخصات ريزساختاري منحصربه فردشان، شامل ريزساختار کاملا لايه اي پرليتي حاوي لايه هاي نانومتري سمنتيت و عدم حضور فازهاي پرويوتکتويدي در ريزساختار،بسيار مورد توجه قرار گرفته اند. اين فولادها قادر به تحمل تغييرشکل سرد و همچنينتغييرشکل گرم در محدوده دوفازي فريت+سمنتيت (زير دماي استحاله يوتکتويدي) مي باشند. کاربرد متداول فولادهاي يوتکتويدي، ساخت سيم هاي پراستحکام از طريق انجام فرايند کشش سيم سرد است. نوع ريزساختار و قابليت کارسختي فولاد يوتکتويدي دو متغير کليدي جهت توليد سيم هاي پراستحکام است.در سال هاي اخير، تحقيقات جديدي در زمينه مهندسي ريزساختار و بهينه سازي خواص فولادهاي يوتکتويدي بوسيله طراحي عمليات ترمومکانيکي نوين و افزودن عناصر ميکروآلياژي انجام گرفته است. در اين پژوهش به ارزيابي رفتار سيلان گرم و تحولات ريزساختاري فولاد يوتکتويدي با ساختار کاملا پرليتي در محدوده دمايي 770-620 درجه سانتيگراد و نرخ کرنش حقيقي 10-01/0 برثانيه پرداخته شده است. اهداف مورد نظر شامل توسعه رسم نقشه هاي فرايند جهت شناسايي دامنه ايمن (دما و نرخ کرنش مناسب) براي وقوع مکانيزم کروي شدن ديناميکي جهت تبديل لايه هاي سمنتيت نانومتري به ذرات سمنتيت فوق ريز/نانومتري، بررسي رفتار تغييرشکل گرم سريع بوسيله کارگرم در دماي استحاله يوتکتويدي (720 درجه سانتيگراد)، محاسبه ثوابت و انرژي اکتيواسيون ظاهري تغييرشکل گرم و همچنين ارزيابي تاثير افزودن عنصر ميکروآلياژي واناديم بر رفتار کارگرم فولاد يوتکتويدي بوده است. رفتار ترمومکانيکي بوسيله آزمون فشار گرم و دستگاه شبيه ساز ترمومکانيکي Gleeble 1500 مورد مطالعه قرار گرفته است. نتايج بدست آمده نشان مي دهد که بوسيله کارگرم در محدوده دمايي 720-640 درجه سانتيگراد و نرخ کرنش 1/0-01/0 برثانيه، مکانيزم کروي شدن ديناميک با بازدهي اتلاف انرژي 30-21 درصد فعال گرديده و امکان تبديل لايه هاي سمنتيت با ضخامت 5±35 نانومتر به ذرات کروي سمنتيت با اندازه کمتر از 100 نانومتر وجود دارد. همچنين کارگرم در دماي 720 درجه سانتيگراد و نرخ کرنش سريع 1 برثانيه منجر به وقوع مکانيزم کروي شدن ديناميکي و تشکيل نانو ذرات سمنتيت گرديده است. اين روش مي تواند يک روش تبديل ريزساختاري نوين براي تغييرشکل گرم سريع فولاد يوتکتويدي بدون ايجاد هرگونه عيب ريزساختاري باشد که براي اولين بار توسعه يافته است. از طرف ديگر، در نواحي ناپايداري انواع عيوب ريزساختاري از قبيل تمرکز سيلان، لغزش لايه اي، خم شدگي لايه اي، ترک خوردگي لايه اي و ترک خوردگي در مرزدانه هاي اوليه آستنيت مشاهده گرديد. همچنين افزودن عنصر ميکروآلياژي واناديم و به دنبال آن تشکيل نانورسوبات کاربيد واناديم با اندازه متوسط 10 نانومتر در نواحي مرزهاي با زاويه کم و زياد، از وقوع برخي عيوب ريزساختاري نظير ترک خوردگي مرزدانه اي و تمرکز سيلان در حين کارگرم با نرخ کرنش بالا جلوگيري نمود؛ در حالي که وقوع مکانيزم کروي شدن ديناميکي نيز به تاخير افتاد. محاسبه انرژي اکتيواسيون ظاهري تغييرشکل گرم ( Q app ) نشان داد که اين مقدار براي فولاد يوتکتويدي ساده و ميکروآلياژي شده با واناديم به ترتيب برابر 455 و kJ/mol 498 مي باشد. افزودن واناديم از طريق اثرات استحکام دهي محلول جامد و رسوب سختي باعث افزايش مقاومت به لغزش نابه جايي ها و به تاخير انداختن مکانيزم نرم شدن درحين تغييرشکل گرم و در نتيجه افزايش انرژي اکتيواسيون به ميزان kJ/mol 43 گرديد. همچنين قابليت کارسختي ريزساختارهاي مختلف فولاد يوتکتويدي شامل ريزساختارهاي بينيتي، دوپلکس بينيتي+پرليتي، پرليتي با فاصله بين لايه اي و اندازه کلوني مختلف، پرليتي بطور جزئي کروي شده و پرليت کروي شده و نيز تاثير افزودن عنصر ميکروآلياژي واناديم بر قابليت کارسختي بوسيله آزمون کشش دماي اتاقمورد بررسي قرار گرفت. اين ريزساختارها به وسيله فرايند عمليات حرارتي پيوسته و ايزوترم در حمام نمک توليد گرديدند. نتايج بدست آمده نشان داد که ريزساختار پرليتي ظريف حاوي مناطق بطور جزئي کروي شده در مرزدانه ها داراي خواص کششي کافي و قابليت کارسختي عالي در مقايسه با ريزساختارهاي کاملا پرليتي متداول است. بدين وسيله مي توان سيم پراستحکام با حداقل گسيختگي در حين کشش سيم و سايش کمتر قالب ها توليد کرد. علاوه براين، افزودن واناديم بصورت ميکروآلياژي از طريق ايجاد رسوبات نانومتري کاربيد واناديم و افزايش دانسيته نايه جايي هاي ضروري هندسي باعث بهبود قابليت کارسختي در مقايسه با فولاد يوتکتويدي ساده گرديده است که نتايج بدست آمده از کشش سيم سرد ميلگرد يوتکتويدي ساده و ميکروآلياژي شده با واناديم نيز اين موضوع را تائيد نمود. کلمات کليدي: فولاد يوتکتويدي، واناديم ميکروآلياژي، قابليت کارسختي،‌ تغييرشکل گرم، نقشه فرايند، کروي شدن ديناميکي، انرژي اکتيواسيون.