توسعه فولادهای آستنیتی شبه پایدار Fe-Cr-Mn-N-C نانو / فوق ریزدانه شده توسط عملیات ترمومکانیکی مارتنزیت

STUDENT

DEGREE

YEAR

Microstructures and mechanical properties of a new grade of Fe-18Cr-12Mn-N-C (wt%) austenitic stainless steels interstitial-alloyed with 0.3 to 0.48 wt% C+N at 0.22 to 1.06 C/N ratios were investigated after thermomechanical processing. Appropriate thermomechanical treatment was designed to obtain good combination of strength and elongation. The developed steel possessed ultimate tensile strength of 1 GPa, yield strength of 450 MPa, and elongation up to 83%. It was found that strength and ductility of the studied steels were affected by strain-hardening behavior and decreasing the strain-hardening rate resulted in lower ultimate tensile strength. Addition of C to N-containing Ni-free steels deteriorated mechanical properties. The best combination of strength and elongation was obtained in steel with lowest C+N (0.3wt %) and C/N ratio (0.22). The martensite reversion treatment was conducted on two grades of Ni-free austenitic stainless steels interstitially alloyed with C and N. The hot rolled sheets of steels were cold rolled up to 80% thickness reduction to acquire strain-induced ?'-martensite and subsequently reversion annealed at temperatures from 700 to 850 °C for 1 to 1000 s to revert the ?'-martensite to austenite. Microstructural evolution was investigated using optical microscopy, X-ray diffraction, electron backscatter diffraction, and magnetic measurement techniques. Mechanical properties were measured using tensile tests at room temperature. The resultant microstructures contained both reverted and recrystallized austenite when reverted at 700 and 750 °C with the annealing time less than 100 s. A nonuniform grain structure was characterized under these conditions consisting of nano/ultrafine grains formed via alpha'-martensite reversion and coarser grains by recrystallization of the retained austenite. However, a more uniform austenite grain size with average size of 1 ?m was obtained at 850 °C for 1000 s. The specimens having nonuniform grain structure exhibited excellent combinations of strength and ductility. A variety of mechanical properties was achieved depending on the annealing condition. The work hardening behavior affected UTS and ductility of the studied steels. The shift of the work hardening peaks to the higher strains was found suitable for ductility. Addition of C to N-containing Ni-free steels deteriorated mechanical properties. Best combination of strength and elongation was obtained in the test material with lower C/N ratio.

در این تحقیق ریزساختار و خواص مکانیکی فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی شبه پایدارFe-Cr-Mn-N-C حاوی مقادیر کم و متوسط نیتروژن و کربن (هر کدام کمتر از حدود0/4 درصد وزنی) جهت بررسی اثر افزودن C به فولادهای بدون نیکل نیتروژن دار مورد ارزیابی قرار گرفت. در این راستا اثر افزودن توامان C وN روی پایداری آستنیت، مکانیزمهای تغییر شکل و خواص مکانیکی بررسی شد. همچنین امکان دستیابی به ریزساختارهای نانو/فوق ریزدانه در این فولادها از طریق عملیات بازگشت مارتنزیت مطالعه گردید. بدین منظور از روشهای مختلف ارزیابی ریزساختاری نظیر OM، SEM، EBSD و XRD و ارزیابی خواص مکانیکی با آزمون کشش استفاده شد. در مرحله اول ریزساختار و خواص مکانیکی فولادها در وضعیت نورد داغ شده و آنیل انحلال بررسی گردید. در فولادهای نورد داغ شده، در اثر آلیاژسازی با C+N، استحکام کششی تا1GPa و درصد ازدیاد طول تا 83 درصد بدست آمد. استحاله مارتنزیت ناشی از کرنش اثر قابل توجهی روی خواص مکانیکی این فولادها نشان داد. مراحل استحاله مارتنزیت ناشی از کرنش در این فولاد به صورت ????? به دست آمد. با افزایش میزان عناصر آلیاژی بین نشین انرژی نقص در چیده شدن افزایش یافته و نرخ استحاله مارتنزیت ناشی از کرنش کاهش و منجر به افت خواص مکانیکی گردید. در این خصوص اثر C بیش از N بود. به نحوی که با افزایش نسبت C/N در یک C+N معین، خواص مکانیکی فولاد حاصل مشتمل بر استحکام کششی نهایی و درصد ازدیاد طول کاهش یافت. در نتیجه در این دسته از فولادها C اثر مخربی روی خواص مکانیکی دارد. نرخ کرنش سختی این فولادها یک رفتار چهار مرحله ای از خود نشان داد که با سوق یافتن پیک نرخ کرنش سختی به کرنشهای بالاتر انعطاف پذیری بهبود یافت. در یک سطح ثابت از C+N با افزایش نسبت C/N (افزایش میزان کربن)، استحاله مارتنزیت ناشی از کرنش به تعویق افتاده و خواص مکانیکی افت نمود. نتایج نشان داد که استحکام کششی و انعطاف پذیری فولادهای مورد بررسی تحت تاثیر رفتار کرنش سختی آنها قرار دارد. بهترین خواص مکانیکی در فولادهای مورد بررسی در فولادی با کمترین میزان C+N و کمترین نسبت C/N بدست آمد. در مرحله دوم ، رفتار ریزدانه شدن فولادها از طریق عملیات بازگشت مارتنزیت و اثر آن بر ریزساختار و خواص مکانیکی مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور فرایند نورد سرد و آنیل بازگشتی روی دو نمونه فولاد که در اثر نورد سرد بیشترین میزان مارتنزیت در آنها ایجاد شده بود، با آنیل در دماهای 700 تا850 درجه سانتیگراد به مدتهای 1 تا 1000 ثانیه مورد بررسی قرار گرفت. بررسی نرخ بازگشت مارتنزیت در فولادها نشان داد که فرایند بازگشت مارتنزیت در دمای 700 درجه سانتیگراد به سرعت در هر دو فولاد رخ می دهد. با توجه به مشاهده دانه های درشت و دانه های نانو/ فوق ریزدانه در ریزساختار، هر دو نوع مکانیزم برشی و نفوذی در این دما فعال می باشد. در دمای آنیل پایین به دلیل تشکیل سریع دانه های نانو/فوق ریزدانه از طریق بازگشت از یک طرف و تشکیل دانه های درشت ناشی از تبلور مجدد آستنیت باقیمانده از سوی دیگر ، یک ریزساختار غیریکنواخت بدست آمد. میانگین اندازه دانه از0/32 تا1/02 میکرومتربرحسب دمای آنیل در فولادها بدست آمد. افزایش دما و زمان آنیل به واسطه درشت شدن دانه های فوق ریزدانه بازگشت یافته منجر به یکنواخت تر شدن ریزساختار گردید. ریزساختاری با اندازه دانه میانگین 1 میکرومتر با آنیل بازگشتی در دمای850 درجه سانتیگراددر فولادهای مورد بررسی بدست آمد. ریزساختار لایه ای ناهمگن مشتمل بر آستنیت بازگشت یافته نانو/فوق ریزدانه و دانه های درشت ناشی از تبلور مجدد آستنیت باقیمانده منجر به هم افزایی خواص و ایجاد استحکام کششی و درصد ازدیاد طول بالایی در فولادها گردید. فولاد با نسبت C/N بالا در مقایسه با فولاد با نسبت C/N کمتر، نرخ کرنش سختی کمتری از خود نشان داد. در این دسته از فولادها نیز افزودن C منجر به افت خواص مکانیکی فولادها گردید. بهترین نتایج در فولادی با نسبت C/N پایینتر حاصل شد.