ارزیابی خواص مکانیکی و ریزساختاری فولاد IF و کامپوزیت IF/SiC نانوساختار تولید شده توسط فرایند نورد تجمعی

STUDENT

DEGREE

YEAR

In this study, microstructure, mechanical properties, and texture development of nanostructured interstitial free (IF) steel deformed to high strain by four-layer accumulative roll bonding (ARB) process at room temperature in absence and presence of SiC particles were investigated. Microstructural observations were performed by scanning electron microscopy (SEM), scanning transmission electron microscopy (STEM), and electron backscatter diffraction (EBSD). Also, textural evolution was evaluated using X-ray diffraction. The microstructure of the fabricated composite and nanocomposite after fourth cycle of the ARB process exhibited an excellent distribution of SiC micro/nano particles in the IF steel matrix without porosity. The results indicated that the average grain size of the pure steel, composite, and nanocomposite was 95, 73, 55 nm, respectively and the microstructures consisted of equiaxed grains. It was realized that recrystallization occurred in pure IF steel, composite, and nanocomposite after the third, second, and ?rst cycles, respectively. With increasing the number of cycles, the dislocation density of samples increased. The ?ndings revealed that with increasing the number of ARB cycles, the tensile strength of the pure steel, composite, and especially nanocomposite improved, but their elongation decreased at ?rst step and then increased at second step. In addition, the ARB-processed composite and especially nanocomposite exhibited a higher hardness than the initial sample. Finally, it was found that there was a texture transition from rolling texture to shear one for pure steel, composite, and nanocomposite. However, the texture transition occurred in different cycles for these samples. Keywords: Nanostructured materials, Interstitial free steel, Steel/SiC composite, Accumulative roll bonding

در این پژوهش به بررسی ریزساختار و خواص مکانیکی فولاد عاری از عناصر بین‌نشین نانوساختار پرداخته شده است. بدین منظور از فرایند نورد تجمعی چهارلایه در دمای محیط و افزودن میکروذرات و نانوذرات کاربید سیلیسیم در حین فرایند به فولاد عاری از عناصر بین‌نشین جهت دستیابی به ساختار نانو استفاده گردید. قبل از انجام فرایند نورد تجمعی، استحکام پیوند بین ورق‌ها و پارامترهای تاثیرگذار روی آن مانند مقدار کاهش ضخامت، مقدار ذرات و اندازه‌ی ذرات توسط آزمون لایه‌کنی مورد ارزیابی قرار گرفت. بررسی‌های ریزساختاری توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی، میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی و پراش الکترون برگشتی انجام شد. به منظور ارزیابی خواص مکانیکی از آزمون‌های کشش تک‌محوری و سختی‌سنجی استفاده گردید. نتایج آزمون لایه‌کنی نشان داد که با افزایش مقدار کاهش ضخامت و نیز با کاهش مقدار نانوذرات، استحکام پیوند بهبود می‌یابد. با افزایش مقدار ذرات، میزان تغییرشکل آستانه‌ای نیز افزایش یافت. در مقدار ثابتی از ذرات کاربید سیلیسیم، حضور نانوذرات نسبت به میکروذرات استحکام پیوند را بیشتر تحت تاثیر قرار داد. در نمونه‌های ساخته شده توسط فرایند نورد تجمعی با استفاده از ذرات کاربید سیلیسیم، افزایش تعداد سیکل موجب یکنواختی بیش‌تر ذرات در زمینه گردید. نتایج به دست آمده از میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی نشان داد که می‌توان با دخیل کردن توامان چند عامل یعنی نورد تجمعی چهار لایه، نورد تجمعی در دمای محیط و افزودن ذرات حین فرایند، اندازه دانه‌ی فولاد عاری از عناصر بین‌نشین را به nm 55 رساند. حتی بدون حضور ذرات نیز می‌توان به ریزساختاری با اندازه دانه‌ی nm 95 در این فولاد دست پیدا کرد. در واقع اندازه دانه‌ی نهایی به دست آمده برای نمونه‌های فولاد خالص، کامپوزیت و نانوکامپوزیت به ترتیب برابر با 95، 73 و nm 55 بودند که در هر سه حالت، ساختار نانو در فولاد به وجود آمد. وقوع تبلورمجدد پیوسته در هر سه نمونه و تبلورمجدد ناپیوسته در کامپوزیت و نانوکامپوزیت در پیدایش ساختار نانو کاملا موثر بود. وقوع تبلورمجدد برای نمونه‌های مختلف در سیکل‌های متفاوتی اتفاق افتاد. در واقع برای نمونه‌های فولاد خالص، کامپوزیت و نانوکامپوزیت، تبلورمجدد به ترتیب در سیکل‌های سوم، دوم و اول به طور گسترده رخ داد. با انجام فرایند آنیل در دمای °C 600 به مدت 30 دقیقه روی نمونه‌های نهایی حاصل از نورد تجمعی، اندازه‌ی دانه‌ها به شدت افزایش یافت. اندازه دانه‌ی نهایی نمونه‌های فولاد خالص، کامپوزیت و نانوکامپوزیت پس از فرایند آنیل به ترتیب برابر با 9/1، 8/1 و mm 5/1 بود. نتایج مربوط به خواص مکانیکی نشان داد که با افزایش تعداد سیکل، مقدار استحکام کششی به طور مداوم افزایش می‌یابد به طوری که پس از سیکل چهارم، استحکام کششی فولاد خالص، کامپوزیت و نانوکامپوزیت به ترتیب 5/4 برابر (MPa 980)، 5/5 برابر (MPa 1225) و 6 برابر (MPa 1323) مقدار استحکام کششی نمونه‌ی اولیه بود. نتایج نشان داد که استحکام کششی کامپوزیت در تمامی سیکل‌ها کم‌تر از استحکام کششی نانوکامپوزیت است. پس از سیکل اول مقدار ازدیاد طول از 9/50% برای نمونه‌ی اولیه به 1/8% برای فولاد خالص، 6/5% برای کامپوزیت و 3/5% برای نانوکامپوزیت کاهش یافت. مرحله‌ی دوم موجب افزایش مقدار ازدیاد طول به 0/12%، 1/9% و 2/8% به ترتیب برای فولاد خالص، کامپوزیت و نانوکامپوزیت گردید. همچنین پس از سیکل اول، افزایش شدیدی در مقادیر سختی مشاهده شد که تقریبا 6/2 (برای فولاد خالص)، 8/2 (برای کامپوزیت) و 9/2 (برای نانوکامپوزیت) برابر سختی نمونه‌ی اولیه بود. با انجام فرایند آنیل، استحکام و انعطاف‌پذیری به ترتیب کاهش و افزایش یافتند. بررسی سهم مکانیزم‌های استحکام‌دهی در افزایش استحکام تسلیم نمونه‌های نهایی نشان داد که سهم مکانیزم ریز شدن دانه حداکثر (بین 67% تا 72%) و سهم مکانیزم رسوب‌سختی حداقل (بین 1/3% تا 7/3%) است. سطح مقطع شکست میکروسکوپی نمونه‌ی اولیه شامل دیمپل‌های عمیق و هم‌محور بود که نشان‌دهنده‌ی شکست نرم است. با افزایش تعداد سیکل‌ها، قطر و عمق دیمپل‌ها کم‌تر شد و شکست نرم جای خود را به شکست نرم برشی داد. بافت غالب موجود در تمامی نمونه‌ها اعم از فولاد خالص، کامپوزیت و نانوکامپوزیت می‌بایست از نوع بافت نورد می‌بود؛ اما بافت برشی در سیکل سوم برای فولاد خالص، سیکل دوم برای کامپوزیت و سیکل اول برای نانوکامپوزیت غالب بود. کلمات کلیدی: ساختار نانو، فولاد عاری از عناصر بین‌نشین، کامپوزیت فولاد/کاربید سیلیسیم، فرایند نورد تجمعی