Skip to main content
SUPERVISOR
احمد کرمانپور (استاد راهنما) سيدفخرالدين اشرفي زاده (استاد راهنما) سيد رحمان حسيني (استاد مشاور)
 
STUDENT
Hojjat Esfandiary
حجت اسفندياري

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
Diffusion of nitrogen and thickness of nitrided layer in ultrafine and micron grain size AISI 304L was evaluated in the process of plasma nitriding. Improving the surface hardness of austenitic stainless steels can be obtained by plasma nitriding. Operating temperature is limitation of this process for austenitic stainless steels. Precipitation of chromium nitride (CrN) is formed above 480 °C which leads to decreasing of corrosion resistance. AISI 304L austenitic stainless steel samples in the grain size of micrometer to nanometer were processed by process of severe cold roll and reversion annealing of strain induced martensite. Then plasma nitriding was performed with the same conditions, 450 °C for 5h, and the gas composition was nitrogen and hydrogen with a mass ratio of 1 to 3. The evaluation of grain size and observation of microstructure was performed by scanning electron microscopy (SEM) and optical microscopy (OM). Surface morphology and distribution of precipitates in structure of plasma nitrided samples was evaluated by field emission scanning electron microscopy (FESEM). Spectroscopy energy distribution (EDS) was used to obtain the profile of concentration of nitrogen. Identification phases before and after plasma nitriding was performed by X-Ray diffractometer (XRD). It was shown that increasing the thickness of nitrided layer from 4.8 to 10.6 micrometer was attributed to decreasing of grain size from 11 micrometers to 135 nanometers. Concentration profiles of nitrogen were consistent in different samples. Decreasing of grain size led to increasing the penetration depth of nitrogen. The concentration profiles of nitrogen and the hardness profiles were consistent. Grain refinement enhanced the formation of CrN precipitates by X-ray diffraction patterns. Results of the FESEM showed that the volume percent of CrN in ultrafine samples was increased in comparison to micrometer grain size samples. In addition to the effect of grain size on the percentage of precipitates, the type of phases and percent of them had significantly effect on the formation of precipitations in the AISI 304L austenitic stainless steel. It was observed that retained martensite after reversion annealing caused the formation of iron nitride (-'? Fe 4 N) in ultrafine samples. Keywords : Austenitic stainless steel AISI 304L, plasma nitriding, cold rolling and reversion
چکيده فرايند نيتروژن‌دهي پلاسمايي فولاد زنگ‌نزن آستنيتي AISI 304L با اندازه دانه‌هاي ميکرومتري و فوق‌ريزدانه انجام و اثر اندازه دانه بر نفوذ نيتروژن و ضخامت لايه نيتريدي بررسي شد. نيتروژن‌دهي پلاسمايي فرايندي حرارتي- شيميايي است که براي افزايش سختي سطح قطعات از جمله فولادهاي زنگ‌نزن مورد استفاده قرار مي‌گيرد. محدوديت استفاده از اين فرايند براي اين ‌دسته از مواد، دماي انجام عمليات است؛ به‌طوري که در دماهاي بالاتر از 480 درجه سانتي‌گراد با تشکيل رسوبات نيتريد کروم (CrN) مقاومت به خوردگي قطعات کاهش مي‌يابد. براي ريزدانه‌کردن از فرايند پيشرفته حرارتي- مکانيکي نورد سرد و آنيل بازگشتي مارتنزيت ناشي از کرنش استفاده شد. در اين پژوهش با استفاده از اين فرايند پنج نمونه از فولاد زنگ نزن آستنيتي AISI 304L با اندازه دانه‌هاي نانومتري، فوق‌ريزدانه و ميکرومتري ساخته شد و پس از آن تحت عمليات نيتروژن‌دهي پلاسمايي در شرايط يکسان قرارگرفت. براي اين‌کار دماي فرايند 450 درجه سانتي‌گراد، مدت عمليات 5 ساعت و ترکيب گاز مورد استفاده، نيتروژن و هيدروژن با نسبت حجمي 1 به 3 انتخاب شد. براي محاسبه اندازه دانه، مشاهده ريزساختار و اندازه‌گيري ضخامت لايه نيتريدي از ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM) و ميکروسکوپ نوري (OM) استفاده شد. مورفولوژي سطح نمونه‌ها پس از فرايند نيتروژن‌دهي پلاسمايي و نيز بررسي توزيع رسوبات در ساختار با استفاده از ميکروسکوپ الکتروني روبشي گسيل ميداني (FESEM) انجام‌شد. از روش طيف‌سنجي با توزيع انرژي (EDS) براي به‌دست آوردن پروفيل غلظتي نيتروژن و توزيع عناصر در لايه نيتريدي استفاده ‌شد. براي محاسبه درصد فازها قبل از عمليات نيتروژن‌دهي از دستگاه فريتوسکوپ استفاده شد و بررسي فازهاي ايجادشده در ساختار، قبل و بعد از فرايند نيتروژن‌دهي با استفاده از روش پراش‌سنجي پرتو ايکس (XRD) انجام‌شد. پروفيل سختي ايجادشده درساختار نيز با استفاده از دستگاه ريزسختي‌سنج بررسي‌شد. نتايج به‌دست آمده نشان‌داد با کاهش اندازه دانه از حدود 11ميکرومتر تا حدود 135 نانومتر ، ضخامت لايه نيتريدي از 8/4 تا 6/10 ميکرومتر افزايش مي‌يابد. اين نتايج با مقايسه پروفيل غلظتي نيتروژن در نمونه‌هاي مختلف تطابق داشت به‌گونه‌اي که با کاهش اندازه دانه عمق نفوذ نيتروژن و نيز مقدار نيتروژن نفوذ کرده در ساختار افزايش يافت. محاسبه اختلاف سختي قبل و بعد از فرايند نيتروژن‌دهي و رسم منحني‌هاي آن برحسب فاصله از سطح نشان داد اين منحني‌ها مشابه منحني‌هاي غلظتي نيتروژن است و افزايش نفوذ نيتروژن با افزايش سختي متناسب است. با بررسي الگوهاي پراش پرتو ايکس مشخص‌شد ريزدانه ‌شدن علي‌رغم مزيت‌هاي فوق، موجب افزايش تشکيل رسوبات CrN در ساختار مي‌شود زيرا با افزايش مقدار مرزدانه و افزايش چگالي عيوب ساختاري، مکان‌هاي مناسب بيشتري براي جوانه‌زني رسوبات در ساختار فراهم مي‌شود. اين مکان‌ها از سد انرژي کم‌تري نسبت به شبکه بلوري براي جوانه‌زني برخوردار هستند و موجب تسهيل جوانه‌زني مي‌شوند. نتايج به‌دست آمده از FESEM نيز نشان داد درصد حجمي اين رسوبات در نمونه‌هاي با ساختار فوق‌ريزدانه نسبت به نمونه‌هايي که اندازه دانه در آن‌ها ميکرومتري است بيشتر است. علاوه ‌بر اندازه دانه، نوع فازها و درصد آن‌ها نيز بر تشکيل فازهاي به‌دست آمده پس از فرايند نيتروژن‌دهي فولادهاي زنگ‌نزن آستنيتي مؤثر است. مشاهده شد وجود مارتنزيت باقي‌مانده در ساختار پس از عمليات آنيل بازگشتي موجب تشکيل رسوبات نيتريد آهن (Fe 4 N-'?) در نمونه‌هاي فوق‌ريزدانه مي‌شود. کلمات کليدي: فولاد زنگ‌نزن آستنيتي AISI 304L، نيتروژن‌دهي پلاسمايي، نورد سرد و آنيل بازگشتي، اندازه دانه، نفوذ نيتروژن.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی