Skip to main content
SUPERVISOR
مهدي صالحي (استاد راهنما) سيد رحمان حسيني (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohsen Golzar shahri
محسن گلزارشهري

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1389

TITLE

Plasma nitriding and evaluation of structure and nitrogen diffusion depth in nanostructured austenitic stainless steel
In this research, the effect of nanograins on nitrogen diffusivity in AISI 321 stainless steel during plasma nitriding has been studied. The repetitive cold rolling and subsequent annealing were conducted to achieve nano/ultrafine grains in AISI 321 stainless steel. Pulsed DC plasma nitriding was performed for grain size in the range of 0.13-45 µm at temperatures of 400-500 °C. Structural transformations were analyzed using ferritscope and X-ray diffractometer. Microstructural evaluations were also conducted by Optical Microscopy (OM), Scanning Electron Microscopy (SEM) and Transmission Electron Microscopy (TEM). Energy Disperse Spectroscopy (EDS) was applied to identify secondary phase modality. The composition and the structure of the nitrided layer (S phase) were characterized by Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy (GDOES) and X-ray Diffraction (XRD) method. Mechanical properties of the S phase was evaluated by microhardness testing. Results indicated that, titanium carbide precipitations as the secondary phase in AISI 321 steel facilate the martensite formation. Microstructural evaluations demonstrated that, after plasma nitriding, the nitrided layer of the nanostructured steel have uniform appearance with no CrN precipitates, while CrN precipitations were formed in nitrided layer of the micrograin ones. GDOES analysis revealed that, increasing austenite grain size from 130nm up to 45µm, caused to increase surface nitrogen concentration in nitride layer. Decreasing austenite grain size led to decreases the S phase thickness, while the nitrogen diffusion mechanism is the same. Keywords: austenitic stainless steel, nano/ultrafine grain structure, thermo-mechanical treatment, plasma nitriding, nitrogen diffusivity.
چکيده هدف اصلي اين پژوهش ارزيابي و مقايسه نفوذ نيتروژن در فولاد زنگ‌نزن آستنيتي نانوساختار و ميکروساختار است. به اين منظور ابتدا از فولاد زنگ‌نزن آستنيتي 321 AISI با ميانگين اندازه دانه حدود 40 ميکرومتر به روش مکانيکي-حرارتي (نورد سرد در دماي C? 20- و عمليات حرارتي در دماهاي بالاتر از C? 700) نمونه‌هايي با ميانگين اندازه دانه 130 نانومتر تا 5 ميکرومتر تهيه شد و عوامل مؤثر بر فرايند نورد سرد و آنيل فولاد مورد مطالعه قرار گرفت. سپس نمونه‌ها در چهار گروه اندازه دانه (ميکروساختار، ريزدانه، فوق‌ريزدانه و نانوساختار) طبقه‌بندي و خواص مکانيکي آن‌ها ارزيابي شد. پس از ارزيابي خواص، نمونه‌ها در دماهاي 400، 425، 450، 475 و 500 درجه سانتيگراد به مدت 300 دقيقه در ترکيب گاز پلاسماي 4 H 2 /N 2 = در فشار 3 تور نيتروژن‌دهي پلاسمايي شد. بررسي‌هاي فازي با استفاده از فريت‌سنج و پراش‌سنج پرتو ايکس و بررسي‌هاي ريزساختاري با استفاده از ميکروسکوپ‌هاي نوري و الکتروني روبشي و الکتروني عبوري انجام پذيرفت. خواص مکانيکي (سختي، استحکام تسليم، استحکام نهايي و درصد ازدياد طول) زيرلايه و فاز S با استفاده از دستگاه آزمون کشش و تجهيزات سختي‌سنجي، ريزسختي‌سنجي و نانوسختي‌سنجي ارزيابي شد. براي بررسي ميزان زبري سطح، زبري‌سنج و براي بررسي ريخت سطحي لايه نيتروره نيز ميکروسکوپ الکتروني روبشي و نيروي اتمي مورد استفاده قرار گرفت. تعيين ترکيب شيميايي سطح فولاد پس از نيتروژن‌دهي با استفاده از طيف‌سنج نوري با منبع پلاسمايي (GD-OES) اتمي انجام شد. نتايج نشان داد که با کاهش اندازه دانه تا حدود 700 نانومتر، سختي و استحکام افزايش مي‌يابد و اين بهبود، با رابطه هال-پچ مطابقت دارد ولي براي اندازه دانه کم‌تر از 700 نانومتر شيب منحني هال-پچ تا حدود 10 برابر کاهش مي‌يابد. بررسي‌هاي ريزساختاري و آناليز GD-OES نشان داد که با کاهش اندازه دانه فولاد از 40 ميکرومتر به 130 نانومتر، ضخامت لايه نيتروره پس از نيتروژن‌دهي در دماي 500 درجه سانتيگراد از حدود 25 ميکرومتر به حدود 12 ميکرومتر کاهش نشان مي‌دهد. براي يک اندازه دانه مشخص، با افزايش دماي نيتروژن‌دهي از 400 به 500 درجه سانتيگراد، ضخامت لايه نيتروره ( N ?) تا حدود 5 برابر بيش‌تر شد. بررسي‌ها نشان داد که در محدوده دمايي نيتروژن‌دهي پلاسمايي در اين پژوهش، سرعت نفوذ عناصر جانشين مانند کروم در ساختارهاي نانو نسبت به ساختار ميکرو به شدت افزايش مي‌يابد؛ در نتيجه اتم‌هاي نيتروژن در مکان‌هاي نزديک‌تر به سطح توسط اتم‌هاي کروم به دام مي‌افتند و اجازه نفوذ بيش‌تر ندارند. نتايج تأييد کرد که با کاهش اندازه دانه، چگالي نواقص شبکه‌اي به شدت افزايش يافته و اتم نيتروژن در دام اين نواقص افتاده و تا عمق کم‌تري نفوذ مي‌کند. علاوه بر اين تشکيل رسوبات نيتريد کروم با توزيع يکنواخت در زمينه آستنيت باعث کاهش شديد سرعت نفوذ نيتروژن مي‌شود. بررسي‌هاي ريزساختاري تشکيل لايه مارتنزيت غني از نيتروژن را بر سطح لايه نيتروره فولاد ميکروساختار نشان داد. ارزيابي‌هاي GD-OES نيز ثابت کرد که در حين فرايند نيتروژن‌دهي پلاسمايي با نفوذ اتم نيتروژن به داخل نمونه، کربن از سطح به عمق فولاد پس زده شده و نفوذ سربالايي رخ مي‌دهد. نفوذ سربالايي اتم‌هاي کربن باعث تشکيل لايه نازک کربوره ( C ?) پشت لايه نيتروره ( N ?) شد. کلمات کليدي: عمليات مکانيکي-حرارتي، مارتنزيت حاصل از تغيير شکل، فولاد زنگ‌نزن آستنيتي نانوساختار، نيتروژن‌دهي پلاسمايي

ارتقاء امنیت وب با وف بومی