Skip to main content
SUPERVISOR
احمد کرمانپور (استاد راهنما) سیدفخرالدین اشرفی زاده (استاد راهنما) سید رحمان حسینی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Hojjat Esfandiary
حجت اسفندیاری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
Diffusion of nitrogen and thickness of nitrided layer in ultrafine and micron grain size AISI 304L was evaluated in the process of plasma nitriding. Improving the surface hardness of austenitic stainless steels can be obtained by plasma nitriding. Operating temperature is limitation of this process for austenitic stainless steels. Precipitation of chromium nitride (CrN) is formed above 480 °C which leads to decreasing of corrosion resistance. AISI 304L austenitic stainless steel samples in the grain size of micrometer to nanometer were processed by process of severe cold roll and reversion annealing of strain induced martensite. Then plasma nitriding was performed with the same conditions, 450 °C for 5h, and the gas composition was nitrogen and hydrogen with a mass ratio of 1 to 3. The evaluation of grain size and observation of microstructure was performed by scanning electron microscopy (SEM) and optical microscopy (OM). Surface morphology and distribution of precipitates in structure of plasma nitrided samples was evaluated by field emission scanning electron microscopy (FESEM). Spectroscopy energy distribution (EDS) was used to obtain the profile of concentration of nitrogen. Identification phases before and after plasma nitriding was performed by X-Ray diffractometer (XRD). It was shown that increasing the thickness of nitrided layer from 4.8 to 10.6 micrometer was attributed to decreasing of grain size from 11 micrometers to 135 nanometers. Concentration profiles of nitrogen were consistent in different samples. Decreasing of grain size led to increasing the penetration depth of nitrogen. The concentration profiles of nitrogen and the hardness profiles were consistent. Grain refinement enhanced the formation of CrN precipitates by X-ray diffraction patterns. Results of the FESEM showed that the volume percent of CrN in ultrafine samples was increased in comparison to micrometer grain size samples. In addition to the effect of grain size on the percentage of precipitates, the type of phases and percent of them had significantly effect on the formation of precipitations in the AISI 304L austenitic stainless steel. It was observed that retained martensite after reversion annealing caused the formation of iron nitride (-'? Fe 4 N) in ultrafine samples. Keywords : Austenitic stainless steel AISI 304L, plasma nitriding, cold rolling and reversion
فرایند نیتروژن‌دهی پلاسمایی فولاد زنگ‌نزن آستنیتی AISI 304L با اندازه دانه‌های میکرومتری و فوق‌ریزدانه انجام و اثر اندازه دانه بر نفوذ نیتروژن و ضخامت لایه نیتریدی بررسی شد. نیتروژن‌دهی پلاسمایی فرایندی حرارتی- شیمیایی است که برای افزایش سختی سطح قطعات از جمله فولادهای زنگ‌نزن مورد استفاده قرار می‌گیرد. محدودیت استفاده از این فرایند برای این ‌دسته از مواد، دمای انجام عملیات است؛ به‌طوری که در دماهای بالاتر از 480 درجه سانتی‌گراد با تشکیل رسوبات نیترید کروم (CrN) مقاومت به خوردگی قطعات کاهش می‌یابد. برای ریزدانه‌کردن از فرایند پیشرفته حرارتی- مکانیکی نورد سرد و آنیل بازگشتی مارتنزیت ناشی از کرنش استفاده شد. در این پژوهش با استفاده از این فرایند پنج نمونه از فولاد زنگ نزن آستنیتی AISI 304L با اندازه دانه‌های نانومتری، فوق‌ریزدانه و میکرومتری ساخته شد و پس از آن تحت عملیات نیتروژن‌دهی پلاسمایی در شرایط یکسان قرارگرفت. برای این‌کار دمای فرایند 450 درجه سانتی‌گراد، مدت عملیات 5 ساعت و ترکیب گاز مورد استفاده، نیتروژن و هیدروژن با نسبت حجمی 1 به 3 انتخاب شد. برای محاسبه اندازه دانه، مشاهده ریزساختار و اندازه‌گیری ضخامت لایه نیتریدی از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و میکروسکوپ نوری (OM) استفاده شد. مورفولوژی سطح نمونه‌ها پس از فرایند نیتروژن‌دهی پلاسمایی و نیز بررسی توزیع رسوبات در ساختار با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FESEM) انجام‌شد. از روش طیف‌سنجی با توزیع انرژی (EDS) برای به‌دست آوردن پروفیل غلظتی نیتروژن و توزیع عناصر در لایه نیتریدی استفاده ‌شد. برای محاسبه درصد فازها قبل از عملیات نیتروژن‌دهی از دستگاه فریتوسکوپ استفاده شد و بررسی فازهای ایجادشده در ساختار، قبل و بعد از فرایند نیتروژن‌دهی با استفاده از روش پراش‌سنجی پرتو ایکس (XRD) انجام‌شد. پروفیل سختی ایجادشده درساختار نیز با استفاده از دستگاه ریزسختی‌سنج بررسی‌شد. نتایج به‌دست آمده نشان‌داد با کاهش اندازه دانه از حدود 11میکرومتر تا حدود 135 نانومتر ، ضخامت لایه نیتریدی از 8/4 تا 6/10 میکرومتر افزایش می‌یابد. این نتایج با مقایسه پروفیل غلظتی نیتروژن در نمونه‌های مختلف تطابق داشت به‌گونه‌ای که با کاهش اندازه دانه عمق نفوذ نیتروژن و نیز مقدار نیتروژن نفوذ کرده در ساختار افزایش یافت. محاسبه اختلاف سختی قبل و بعد از فرایند نیتروژن‌دهی و رسم منحنی‌های آن برحسب فاصله از سطح نشان داد این منحنی‌ها مشابه منحنی‌های غلظتی نیتروژن است و افزایش نفوذ نیتروژن با افزایش سختی متناسب است. با بررسی الگوهای پراش پرتو ایکس مشخص‌شد ریزدانه ‌شدن علی‌رغم مزیت‌های فوق، موجب افزایش تشکیل رسوبات CrN در ساختار می‌شود زیرا با افزایش مقدار مرزدانه و افزایش چگالی عیوب ساختاری، مکان‌های مناسب بیشتری برای جوانه‌زنی رسوبات در ساختار فراهم می‌شود. این مکان‌ها از سد انرژی کم‌تری نسبت به شبکه بلوری برای جوانه‌زنی برخوردار هستند و موجب تسهیل جوانه‌زنی می‌شوند. نتایج به‌دست آمده از FESEM نیز نشان داد درصد حجمی این رسوبات در نمونه‌های با ساختار فوق‌ریزدانه نسبت به نمونه‌هایی که اندازه دانه در آن‌ها میکرومتری است بیشتر است. علاوه ‌بر اندازه دانه، نوع فازها و درصد آن‌ها نیز بر تشکیل فازهای به‌دست آمده پس از فرایند نیتروژن‌دهی فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی مؤثر است. مشاهده شد وجود مارتنزیت باقی‌مانده در ساختار پس از عملیات آنیل بازگشتی موجب تشکیل رسوبات نیترید آهن (Fe 4 N-'?) در نمونه‌های فوق‌ریزدانه می‌شود. کلمات کلیدی: فولاد زنگ‌نزن آستنیتی AISI 304L، نیتروژن‌دهی پلاسمایی، نورد سرد و آنیل بازگشتی، اندازه دانه، نفوذ نیتروژن.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی