ارزيابي خواص مکانيکي و ريزساختاري فولاد IF و کامپوزيت IF/SiC نانوساختار توليد شده توسط فرايند نورد تجمعي

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

چکيده در اين پژوهش به بررسي ريزساختار و خواص مکانيکي فولاد عاري از عناصر بين‌نشين نانوساختار پرداخته شده است. بدين منظور از فرايند نورد تجمعي چهارلايه در دماي محيط و افزودن ميکروذرات و نانوذرات کاربيد سيليسيم در حين فرايند به فولاد عاري از عناصر بين‌نشين جهت دستيابي به ساختار نانو استفاده گرديد. قبل از انجام فرايند نورد تجمعي، استحکام پيوند بين ورق‌ها و پارامترهاي تاثيرگذار روي آن مانند مقدار کاهش ضخامت، مقدار ذرات و اندازه‌ي ذرات توسط آزمون لايه‌کني مورد ارزيابي قرار گرفت. بررسي‌هاي ريزساختاري توسط ميکروسکوپ الکتروني روبشي، ميکروسکوپ الکتروني عبوري روبشي و پراش الکترون برگشتي انجام شد. به منظور ارزيابي خواص مکانيکي از آزمون‌هاي کشش تک‌محوري و سختي‌سنجي استفاده گرديد. نتايج آزمون لايه‌کني نشان داد که با افزايش مقدار کاهش ضخامت و نيز با کاهش مقدار نانوذرات، استحکام پيوند بهبود مي‌يابد. با افزايش مقدار ذرات، ميزان تغييرشکل آستانه‌اي نيز افزايش يافت. در مقدار ثابتي از ذرات کاربيد سيليسيم، حضور نانوذرات نسبت به ميکروذرات استحکام پيوند را بيشتر تحت تاثير قرار داد. در نمونه‌هاي ساخته شده توسط فرايند نورد تجمعي با استفاده از ذرات کاربيد سيليسيم، افزايش تعداد سيکل موجب يکنواختي بيش‌تر ذرات در زمينه گرديد. نتايج به دست آمده از ميکروسکوپ الکتروني عبوري روبشي نشان داد که مي‌توان با دخيل کردن توامان چند عامل يعني نورد تجمعي چهار لايه، نورد تجمعي در دماي محيط و افزودن ذرات حين فرايند، اندازه دانه‌ي فولاد عاري از عناصر بين‌نشين را به nm 55 رساند. حتي بدون حضور ذرات نيز مي‌توان به ريزساختاري با اندازه دانه‌ي nm 95 در اين فولاد دست پيدا کرد. در واقع اندازه دانه‌ي نهايي به دست آمده براي نمونه‌هاي فولاد خالص، کامپوزيت و نانوکامپوزيت به ترتيب برابر با 95، 73 و nm 55 بودند که در هر سه حالت، ساختار نانو در فولاد به وجود آمد. وقوع تبلورمجدد پيوسته در هر سه نمونه و تبلورمجدد ناپيوسته در کامپوزيت و نانوکامپوزيت در پيدايش ساختار نانو کاملا موثر بود. وقوع تبلورمجدد براي نمونه‌هاي مختلف در سيکل‌هاي متفاوتي اتفاق افتاد. در واقع براي نمونه‌هاي فولاد خالص، کامپوزيت و نانوکامپوزيت، تبلورمجدد به ترتيب در سيکل‌هاي سوم، دوم و اول به طور گسترده رخ داد. با انجام فرايند آنيل در دماي °C 600 به مدت 30 دقيقه روي نمونه‌هاي نهايي حاصل از نورد تجمعي، اندازه‌ي دانه‌ها به شدت افزايش يافت. اندازه دانه‌ي نهايي نمونه‌هاي فولاد خالص، کامپوزيت و نانوکامپوزيت پس از فرايند آنيل به ترتيب برابر با 9/1، 8/1 و mm 5/1 بود. نتايج مربوط به خواص مکانيکي نشان داد که با افزايش تعداد سيکل، مقدار استحکام کششي به طور مداوم افزايش مي‌يابد به طوري که پس از سيکل چهارم، استحکام کششي فولاد خالص، کامپوزيت و نانوکامپوزيت به ترتيب 5/4 برابر (MPa 980)، 5/5 برابر (MPa 1225) و 6 برابر (MPa 1323) مقدار استحکام کششي نمونه‌ي اوليه بود. نتايج نشان داد که استحکام کششي کامپوزيت در تمامي سيکل‌ها کم‌تر از استحکام کششي نانوکامپوزيت است. پس از سيکل اول مقدار ازدياد طول از 9/50% براي نمونه‌ي اوليه به 1/8% براي فولاد خالص، 6/5% براي کامپوزيت و 3/5% براي نانوکامپوزيت کاهش يافت. مرحله‌ي دوم موجب افزايش مقدار ازدياد طول به 0/12%، 1/9% و 2/8% به ترتيب براي فولاد خالص، کامپوزيت و نانوکامپوزيت گرديد. همچنين پس از سيکل اول، افزايش شديدي در مقادير سختي مشاهده شد که تقريبا 6/2 (براي فولاد خالص)، 8/2 (براي کامپوزيت) و 9/2 (براي نانوکامپوزيت) برابر سختي نمونه‌ي اوليه بود. با انجام فرايند آنيل، استحکام و انعطاف‌پذيري به ترتيب کاهش و افزايش يافتند. بررسي سهم مکانيزم‌هاي استحکام‌دهي در افزايش استحکام تسليم نمونه‌هاي نهايي نشان داد که سهم مکانيزم ريز شدن دانه حداکثر (بين 67% تا 72%) و سهم مکانيزم رسوب‌سختي حداقل (بين 1/3% تا 7/3%) است. سطح مقطع شکست ميکروسکوپي نمونه‌ي اوليه شامل ديمپل‌هاي عميق و هم‌محور بود که نشان‌دهنده‌ي شکست نرم است. با افزايش تعداد سيکل‌ها، قطر و عمق ديمپل‌ها کم‌تر شد و شکست نرم جاي خود را به شکست نرم برشي داد. بافت غالب موجود در تمامي نمونه‌ها اعم از فولاد خالص، کامپوزيت و نانوکامپوزيت مي‌بايست از نوع بافت نورد مي‌بود؛ اما بافت برشي در سيکل سوم براي فولاد خالص، سيکل دوم براي کامپوزيت و سيکل اول براي نانوکامپوزيت غالب بود. کلمات کليدي: ساختار نانو، فولاد عاري از عناصر بين‌نشين، کامپوزيت فولاد/کاربيد سيليسيم، فرايند نورد تجمعي