SUPERVISOR
Abbas Najafi-zadeh,Ahmad KermanPour
عباس نجفی زاده (استاد راهنما) احمد کرمانپور (استاد راهنما)
STUDENT
Saeed Sadeghpour
سعید 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
مواد فوقریزدانه/نانوساختار به علت داشتن دانههایی با اندازه بسیار کوچک، استحکام بالایی از خود نشان میدهند. با این وجود دارای معایبی از جمله تولید در مقادیر بسیار کم و همچنین ازدیاد طول کششی محدود تا قبل از شکست میباشند. روشهای متعددی بر پایه طراحی ریزساختاری جهت بهبود انعطافپذیری مواد نانوساختار پیشنهاد شده است. در سالهای اخیر فرایندهای ترمومکانیکی با استفاده از استحاله مارتنزیتی در اثر کرنش و استحاله بازگشت آن (فرایند مارتنزیت)، به عنوان روشی برای تولید فولادهای آستنیتی نیمهپایدار نانوساختار شناخته شدهاند. این روش ترکیبی از تغییرفرم سرد شدید و آنیل بازگشتی است. فولادهای نانوساختار/فوقریزدانهای که از طریق این روش تولید میشوند دارای استحکام کششی بالا و انعطافپذیری بسیار خوب هستند. با این وجود ارتقای انعطافپذیری در مواد نانوساختار/فوقریزدانه تولید شده به این روش همچنان از اهمیت بالایی برخوردار است. هدف از این پژوهش مطالعه اثر همزمان فرایند مارتنزیت و ایجاد رسوبات نانومتری در تولید یک فولاد زنگنزن نانوساختار/فوقریزدانه با انعطافپذیری بالا است. برای این منظور فولاد زنگنزن 201L حاوی عنصر میکروآلیاژی تیتانیوم تحت خلأ ریختهگری شد. نمونه ریختگی در دمای °C 1200 به مدت 12 ساعت همگن شده و سپس تا ضخامت mm8 نورد داغ شد. در مرحله بعد نمونهها در دمای °C 1200 و در زمانهای مختلف تحت عملیات آنیل انحلالی قرار گرفتند. پس از آمادهسازی ریزساختار اولیه، نمونهها از ضخامت 5 تا mm 5/0 نورد سرد شدند و سپس در محدوده دمایی °C 900-750 و در زمانهای s 3600-30 آنیل انحلالی بر روی آنها انجام شد. از پراش اشعه ایکس و دستگاه فریتوسکوپ برای تعیین مقادیر فازها پس از نورد سرد و آنیل استفاده شد. جنبههای ریزساختاری توسط میکروسکوپهای نوری، الکترونی روبشی نشر میدانی و نیروی اتمی مورد بررسی قرار گرفت. رفتار رسوبگذاری با آزمایشهای ریزسختی سنجی و مقاومت ویژه الکتریکی ارزیابی شد. جهت بررسی ترکیب شیمیایی و توزیع رسوبات نیز از آنالیز طیفسنجی نشر انرژی استفاده گردید.تشکیل مارتنزیت حین نورد سرد در کاهش ضخامت 30% به مقدار اشباع رسید. طبق نتایج به دست آمده به علت ایجاد گرمای آدیاباتیک، افزایش نرخ کرنش سبب تاخیر در استحاله مارتنزیتی میشود. نتایج نشان داد که با استفاده از فرایند مارتنزیت میتوان پس از 90% نورد سرد و در ادامه آن آنیل در دمای °C 900 به مدت s 60، ساختاری با اندازه دانه nm 12±45 به دست آورد. این فولاد نانوساختار استحکام تسلیم بالا در حدود MPa 1000 (بیش از شش برابر حالت درشت دانه اولیه)، استحکام کششی حدود MPa 1330 و درصد ازدیاد طول بسیار بالای 42% از خود نشان داد. دلیل بروز این خواص برهمکنش رسوبگذاری و استحاله مارتنزیتی در اثر کرنش حین آزمون کشش تشخیص داده شد. آزمون نانوفروروندگی نشان داد که درفولاد زنگ نزن نانوساختار/فوقریزدانه دلیل بروز استحکام و ازدیاد طول بالا میتواند متفاوت از حالت درشت دانه باشد. این اختلاف در مکانیزم تغییر فرم در فولاد نانوساختار و درشت دانه در منحنیهای نیرو-جابجایی مشاهده شد و دلیل آن اختلاف شدید اندازه دانه تشخیص داده شد. نتایج به دست آمده مورد بررسی قرار گرفت و اثرات آنها بر ریزساختار و خواص مکانیکی نهایی تحلیل شد. کلمات کلیدی: فولاد زنگنزن حاوی Ti، عملیات ترمومکانیکی، مارتنزیت حاصل از کرنش، آستنیت نیمهپایدار، فولاد نانوساختار/ریزدانه، آنیل بازگشتی، نورد سرد