SUPERVISOR
Abbas Najafi-zadeh,Ahmad KermanPour
عباس نجفي زاده (استاد راهنما) احمد کرمانپور (استاد راهنما)
STUDENT
Saeed Sadeghpour
سعيد صادق پور
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Production and Characterization of Ti Modified Nano/Ultrafine Grained 201L Stainless Steel through Martensite Thermomechanical Treatment
Because of their extremely small grain sizes, nanograined (NG) materials exhibit very high strength. However truly NG materials (grain sizes below 100 nm) also have drawbacks: they are often produced in small quantities and exhibit limited tensile elongation to failure. Several methods have been suggested in terms of microstructural design to improve the limited ductility of NG materials. In recent years thermomechanical processes using strain-induced martensitic transformation and its reverse transformation (Martensite Treatment) were named as a method that produces NG metastable austenitic steels. This method is a combination of severe cold deformation and phase reversion annealing approach. NG and ultrafine grained (UFG) steels produced through this method have high tensile strength and excellent ductility. Nonetheless there is a significant interest to enhance the ductility in the NG/UFG materials produced by martensite treatment. It is the aim of this research to study the effect of accompanying martensite process by nanosize precipitates in order to produce a NG/UFG stainless steel with an improvement in its ductility. In this regard a Ti containing microalloyed 201L stainless steel was prepared in a laboratory vacuum induction furnace. The cast ingot was homogenized at 1200 °C for 12h, hot rolled to 8 mm thick and water quenched. The strip was then solution treated at 1200 °C for various times. After preparing the initial microstructure, specimens were cold rolled from 5 to 0.5 mm and subsequently annealed in the temperature range of 750-900 °C for 30-3600 s. X-ray diffraction and a Ferritescope instrument were used to determine the phase fraction of austenite and martensite after cold deformation and after annealing. The structural features were examined in optical microscope, scanning electron microscope (SEM), field emission SEM and atomic force microscope. Precipitation behavior was evaluated by electrical resistivity and microhardness tests. Distribution and chemical composition of the precipitates were examined using energy dispersive spectroscopy in the SEM. The saturation thickness reduction of martensite formation during the cold rolling at room temperature in Ti modified 201L stainless steel was about 30%. The results showed that the martensite transformation was suppressed with increasing strain rate due to adiabatic heating. The main findings were that through the martensite treatment a structure with a grain size of about 45±12 nm achieved after 90% cold rolling followed by reversion annealing at 900 °C for 60 s. This NG steel possessed a high yield strength (~1000 MPa), six times higher than that of initial coarse-grained steel, very high tensile strength (1330 Mpa), and exceptional elongation of 42% due to both precipitates and strain induced martensite that form during tensile test. The results show that the deformation mechanisms of NG/UFG austenitic stainless steels with high strength high ductility combination can be distinctly different from the CG counterpart, as documented via nanoindentation. The differences in the deformation mechanisms of NG/UFG and CG steels are distinctly reflected in the force–displacement plots and attributed to differences in austenitic stability associated with the grain size effect. These results are discussed and their possible effects on the final microstructure and mechanical properties are inferred. Key Words: Ti modified stainless steel, Thermomechanical traetment, Strain induced martensite, metastable austenite, Nano/Ultrafine grained, Reversion annealing, Cold rolling
چکيده مواد فوقريزدانه/نانوساختار به علت داشتن دانههايي با اندازه بسيار کوچک، استحکام بالايي از خود نشان ميدهند. با اين وجود داراي معايبي از جمله توليد در مقادير بسيار کم و همچنين ازدياد طول کششي محدود تا قبل از شکست ميباشند. روشهاي متعددي بر پايه طراحي ريزساختاري جهت بهبود انعطافپذيري مواد نانوساختار پيشنهاد شده است. در سالهاي اخير فرايندهاي ترمومکانيکي با استفاده از استحاله مارتنزيتي در اثر کرنش و استحاله بازگشت آن (فرايند مارتنزيت)، به عنوان روشي براي توليد فولادهاي آستنيتي نيمهپايدار نانوساختار شناخته شدهاند. اين روش ترکيبي از تغييرفرم سرد شديد و آنيل بازگشتي است. فولادهاي نانوساختار/فوقريزدانهاي که از طريق اين روش توليد ميشوند داراي استحکام کششي بالا و انعطافپذيري بسيار خوب هستند. با اين وجود ارتقاي انعطافپذيري در مواد نانوساختار/فوقريزدانه توليد شده به اين روش همچنان از اهميت بالايي برخوردار است. هدف از اين پژوهش مطالعه اثر همزمان فرايند مارتنزيت و ايجاد رسوبات نانومتري در توليد يک فولاد زنگنزن نانوساختار/فوقريزدانه با انعطافپذيري بالا است. براي اين منظور فولاد زنگنزن 201L حاوي عنصر ميکروآلياژي تيتانيوم تحت خلأ ريختهگري شد. نمونه ريختگي در دماي °C 1200 به مدت 12 ساعت همگن شده و سپس تا ضخامت mm8 نورد داغ شد. در مرحله بعد نمونهها در دماي °C 1200 و در زمانهاي مختلف تحت عمليات آنيل انحلالي قرار گرفتند. پس از آمادهسازي ريزساختار اوليه، نمونهها از ضخامت 5 تا mm 5/0 نورد سرد شدند و سپس در محدوده دمايي °C 900-750 و در زمانهاي s 3600-30 آنيل انحلالي بر روي آنها انجام شد. از پراش اشعه ايکس و دستگاه فريتوسکوپ براي تعيين مقادير فازها پس از نورد سرد و آنيل استفاده شد. جنبههاي ريزساختاري توسط ميکروسکوپهاي نوري، الکتروني روبشي نشر ميداني و نيروي اتمي مورد بررسي قرار گرفت. رفتار رسوبگذاري با آزمايشهاي ريزسختي سنجي و مقاومت ويژه الکتريکي ارزيابي شد. جهت بررسي ترکيب شيميايي و توزيع رسوبات نيز از آناليز طيفسنجي نشر انرژي استفاده گرديد.تشکيل مارتنزيت حين نورد سرد در کاهش ضخامت 30% به مقدار اشباع رسيد. طبق نتايج به دست آمده به علت ايجاد گرماي آدياباتيک، افزايش نرخ کرنش سبب تاخير در استحاله مارتنزيتي ميشود. نتايج نشان داد که با استفاده از فرايند مارتنزيت ميتوان پس از 90% نورد سرد و در ادامه آن آنيل در دماي °C 900 به مدت s 60، ساختاري با اندازه دانه nm 12±45 به دست آورد. اين فولاد نانوساختار استحکام تسليم بالا در حدود MPa 1000 (بيش از شش برابر حالت درشت دانه اوليه)، استحکام کششي حدود MPa 1330 و درصد ازدياد طول بسيار بالاي 42% از خود نشان داد. دليل بروز اين خواص برهمکنش رسوبگذاري و استحاله مارتنزيتي در اثر کرنش حين آزمون کشش تشخيص داده شد. آزمون نانوفروروندگي نشان داد که درفولاد زنگ نزن نانوساختار/فوقريزدانه دليل بروز استحکام و ازدياد طول بالا ميتواند متفاوت از حالت درشت دانه باشد. اين اختلاف در مکانيزم تغيير فرم در فولاد نانوساختار و درشت دانه در منحنيهاي نيرو-جابجايي مشاهده شد و دليل آن اختلاف شديد اندازه دانه تشخيص داده شد. نتايج به دست آمده مورد بررسي قرار گرفت و اثرات آنها بر ريزساختار و خواص مکانيکي نهايي تحليل شد. کلمات کليدي: فولاد زنگنزن حاوي Ti، عمليات ترمومکانيکي، مارتنزيت حاصل از کرنش، آستنيت نيمهپايدار، فولاد نانوساختار/ريزدانه، آنيل بازگشتي، نورد سرد