استحکام بخشی به ورق استیل 304

استحکام بخشی به ورق استیل 304

• بازدید:19
• کامنت:0
• سه شنبه, 11 شهریور 1404

چکیده:

فولاد زنگ نزن آستنیتی گرید ۳۰۴ به دلیل ترکیب مطلوب ، خواص مکانیکی، مقاومت به خوردگی و هزینه نسبتاً پایین، پرکاربردترین فولاد زنگ نزن در صنایع مختلف محسوب میشود. با این حال، استحکام ذاتی پایین این آلیاژ در حالت نرم (آنیل شده) محدودیتی برای کاربرد های تحت بارگذاری شدید ایجاد میکند. این مقاله به بررسی کاربرد فرآیند کارسرد شدید (SPD) و به دنبال آن عملیات حرارتی آنیل کردن، به عنوان یک راهبرد مؤثر برای دستیابی به ریزساختار ultrafine-grained (UFG) و بهبود همزمان استحکام و چقرمگی در این آلیاژ می پردازد. مکانیزم های اصلی، تبدیل مارتنزیت القایی و بازیابی ریزساختار طی آنیل مورد بحث قرار خواهند گرفت.
 

۱. مقدمه

فولادهای زنگ نزن آستنیتی خانواده ۳۰۰، به ویژه گرید ۳۰۴، به دلیل ساختار FCC و وجود عناصر آلیاژی مانند کروم و نیکل، از چقرمگی عالی و مقاومت به خوردگی برخوردارند. اما استحکام تسلیم پایین آنها (در حدود ۲۰۰-۳۰۰ مگاپاسکال) اغلب نیاز به بهبود دارد. روشهای مرسوم مانند کارسرد معمولی، اگرچه استحکام را افزایش میدهد، اما معمولاً منجر به کاهش چشمگیر چقرمگی و شکل پذیری میشود که این یک trade-off کلاسیک در متالورژی است.
فرآیندهای کارسرد شدید (SPD) مانند نورد تجمعی (ARB)، اکستروژن با کانال زاویه دار (ECAP) و پیچش تحت فشار بالا (HPT)، به عنوان تکنیک هایی برای ایجاد تغییر شکل های بسیار بزرگ (True strain > 3) شناخته می شوند. این فرآیندها قادرند ریزساختاری با دانه های ریز در حد زیر میکرون یا نانومتر (UFG) ایجاد کنند که طبق رابطه هال-پچ، منجر به افزایش قابل توجه استحکام میشود. با این حال، چگالی بالای نابجایی ها و مرزدانه ها در این حالت، ساختار را ناپایدار و اغلب شکننده می کند. در اینجا، عملیات حرارتی آنیل کردن کنترل شده نقش کلیدی در بهینه سازی توأمان استحکام و چقرمگی ایفا می کند.

۲. مکانیزم های استحکام بخشی و تردشدگی در حین SPD

در حین اعمال تغییر شکل شدید به فولاد آستنیتی ۳۰۴، چندین پدیده به طور همزمان رخ میدهد:
۱. تغییر شکل پلاستیک شدید: باعث ریز شدن دانه های آستنیت از طریق تشکیل سلول ها و زیردانه های dislocation و در نهایت تبدیل آنها به مرزهای دانه با زاویه بالا میشود.
۲. تشکیل مارتنزیت القایی (Deformation-Induced Martensite): فولاد ۳۰۴ دارای پایداری آستنیت پایینی است (دمای Md30 پایین). تغییر شکل پلاستیک در دمای اتاق می تواند باعث تبدیل آستنیت (FCC) غیرمغناطیسی به مارتنزیت (BCT/BCC) مغناطیسی شود. این مارتنزیت سخت و شکننده است و سهم عمده ای در افزایش استحکام دارد.
ترکیب این دو عامل، استحکام تسلیم نمونه را می تواند تا بیش از ۱۰۰۰ مگاپاسکال افزایش دهد. اما افزایش درصد مارتنزیت و چگالی نابجایی، قابلیت تغییر شکل بیشتر را از ماده سلب کرده و منجر به تردی می شود.

۳. نقش عملیات حرارتی آنیل کردن

هدف از آنیل کردن، بازیابی (Recovery)، تبلور مجدد (Recrystallization) و رشد دانه در یک ریزساختار تغییر شکل یافته است. در مورد فولاد SPD شده ۳۰۴، آنیل کردن هوشمندانه برای دستیابی به تعادل مطلوب انجام میشود:
•    حذف تنش های پسماند: تنش های داخلی ناشی از تغییر شکل شدید را کاهش میدهد.
•    تبلور مجدد دانه های آستنیت: دانه های ریز شده و پرنابجایی آستنیت، طی فرآیند تبلور مجدد، به دانه های عاری از تنش و ریز (در محدوده UFG) تبدیل میشوند. این دانه های ریز مطابق رابطه هال-پچ استحکام را حفظ میکنند.
•    بازگشت مارتنزیت به آستنیت (Reverse Transformation): upon heating above the A₃ temperature, the deformation-induced martensite transforms back to austenite.  این آستنیت جدید نیز بسیار ریزدانه است.

۴. بهینه سازی پارامترهای آنیل

دما و زمان آنیل کردن پارامترهای حیاتی هستند:
•    دمای بسیار پایین (~400-500°C): تنها باعث بازیابی جزئی میشود. استحکام همچنان باقی می ماند اما چقرمگی بهبود محدودی دارد.
•    دمای بهینه (~600-800°C): در این محدوده، تبلور مجدد آستنیت و بازگشت مارتنزیت به آستنیت به طور کامل رخ میدهد. نتیجه نهایی یک ریزساختار یکنواخت و ریز از آستنیت خالص است که هم استحکام بالا (ناشی از ریزدانه بودن) و هم چقرمگی و شکل پذیری قابل قبولی را ارائه میکند.
•    دمای بسیار بالا (>900°C): باعث رشد دانه های آستنیت میشود. اگرچه چقرمگی افزایش مییابد، اما استحکام به دلیل کاهش اثر ریزدانه بودن، به شدت افت میکند.

۵. نتیجه گیری

استفاده توأمان از فرآیند کارسرد شدید و آنیل کردن کنترل شده، یک راهبرد قدرتمند برای غلبه بر trade-off کلاسیک بین استحکام و چقرمگی در فولاد زنگ نزن آستنیتی ۳۰۴ است. با اعمال تغییر شکل بسیار زیاد، ریزساختاری با استحکام،  اما شکننده ایجاد میشود. متعاقباً، با استفاده از یک عملیات آنیل در محدوده دمایی بهینه (عموماً بین ۶۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتیگراد)، میتوان مارتنزیت القایی شکننده را حذف کرد و یک ریزساختار آستنیتی ریزدانه و عاری از تنش پسماند ایجاد نمود. محصول نهایی ماده ای است با استحکام تسلیم بسیار بالاتر از حالت اولیه و در عین حال حفظ چقرمگی و قابلیت تغییر شکل قابل توجه، که آن را برای کاربردهای پیشرفته در aerospace، صنایع پزشکی و قطعات تحت بار دینامیکی ایده آل می سازد. موفقیت این فرآیند وابسته به کنترل دقیق پارامترهای SPD و به ویژه دما و زمان عملیات حرارتی آنیل است.