تأثیر کربن و کروم بر روی بافت های تغییر شکل و آنیل فولادهای کربنی گرم نوردیده

تأثیر کربن و کروم بر روی بافتهای تغییرشکل و آنیل فولادهای کربنی گرم نوردیده

تأثیر کربن و کروم بر روی بافت

چکیده

در این تحقیق تأثیر کربن محلول و عنصر کروم و شرایط نورد روی ریزساختار تغییر شکل و بافت های تغییر شکل. و تبلور مجدد چند فولاد کم کربن پس از نورد در دماهای بین 440 و 780 درجه سانتیگراد مورد بررسی قرار گرفت. باندهای برشی در ریزساختار همۀ نمونه ها مشاهده گردید. که شدت و مقدار آنها در نمونه های مختلف به دمای نورد بستگی داشت. باندهای برشی با شدت متوسط در فولاد IF در همۀ دماهای نورد تشکیل شد. در حالی که در فولاد کم کربن (ELC) باندهای برشی شدید در دماهای پایین نورد تشکیل گردید. با افزایش دما از شدت آنها به سرعت کاهش یافت.

افزودن کروم به فولاد کم کربن باعث افزایش چشمگیر باندهای برشی در دماهای بالاتر نورد گردید. بافت های تغییر شکل حاصل دارای مشخصۀ مواد فریتی نوردی بود. شدت این بافت ها در فولاد ELC با افزایش دمای نورد افزایش یافت و برعکس. شدت بافت تبلور مجدد این فولاد با افزایش دما کاهش یافت. همچنین مشخص گردید. که با افزودن کروم به این فولاد شدت مؤلفه {111} افزایش می یابد. در مقایسه، شدت بافت های تغییر شکل و تبلور مجدد در فولاد IF نسبت به دمای نورد بی تأثیر است. این اختلافات را می توان به شدت و فرکانس تشکیل باندهای برشی و رفتار پیر کرنش دینامیکی مواد مختلف ربط داد.

مقدمه

امروزه فرایند نورد گرم یا نورد فریتی، که در آن فولادها در ناحیه فریت (600 الی 850 درجه سانتی گراد) نورد می شوند. به خصوص برای فولادهای عاری از عناصر بیش نشین (IF) مورد استفاده قرار می گیرد [1 تا3]. این فرایند دارای مزیت هایی است که سازندگان فولاد می توانند با بهره گیری از آن هزینه های تولید را از پیشگرم تا نورد و اسید شویی کاهش دهند [1و4]. برای تولید محصولاتی با خاصیت شکل پذیری مناسب، یعنی مقدار ^–r بالا و ناهمسانگردی صفحه ای پایین (Δr)، بافت های تشکیل شده در طی آنیل باید دارای مؤلفه های قوی {111} باشد [٥].

تأثیر کربن و کروم بر روی بافت

چنین بافتی معمولاً وقتی تشکیل می شود که فولادهای IF گرمی که نورد شدند متبلور می شوند. اما وقتی که یک فولاد کم کربن گرم نوردیده آنیل می شود. بافت {111} ضعیفی تشکیل می گردد. تحقیقات می دهد که برای توسعه بافت {111} قوی، باندهای برشی باید در طی نورد تشکیل شوند. چون حضور این باندها جوانه زنی دانه ها را در این جهت تشدید کند.

تشکیل باندهای برشی ناشی از سیلان موضعی درون یک دانه در سرعت های بیش از کل ماده صورت می گیرد. بنابراین شدیداً به ضریب حساسیت به نرخ کرنش ماده بستگی دارد. فولادهای IF ضریب حساسیت مثبت کوچکی را در دماهای نورد گرم از خود نشان می دهند. بنابراین باندهای برشی برای شدیت متوسط در طی تغییر شکل تشکیل می شوند. اما فولادهای کم کربن که حاوی اتم های کربن محلول هستند باعث پدیده پیر کرنش دینامیکی (DSA) در دماهای مشابه می شوند.

و باعث افزایش شدید ضریب حساسیت ماده می گردد. به این ترتیب از تشکیل باندهای برشی جلوگیری به عمل می آید. در نتیجه از مکان های جوانه زنی مناسب برای تشکیل بافت تبلور مجدد {111} کم می گردد. به این دلیل فولادهای کم کربن گرم نوردیده دارای خاصیت شکل پذیری ضعیفی هستند.

تحقیقات نشان می دهد که افزودن عناصر آلیاژی مانند کروم می تواند رفتار پیر کرنش دینامیکی فولادهای کم کربن. را با بسط پیک منحنی DSA به ناحیه دمایی نورد گرم بهبود بخشد. این امر باعث می شود که پیک شدیدی که معمولاً بر اثر رفتار DSA ناشی از حضور عناصر کربن و نیتروژن تشکیل می شود. کی هموار گردد (شکل 1). بنابراین کمی افزایش در نرخ کرنش باعث افزایش خیلی زیاد تنش سیلان درون ناحیۀ هموار نمی گردد. در نتیجه ضریب حساسیت ماده کاهش می یابد. در این تحقیق تأثیر کربن محلول و افزودن کروم بر روی شکل پذیری، توسعۀ باندهای برشی. و همچنین بافت های تغییر شکل و تبلور مجدد فولادهای کم کربن گرم که عملیات نورد بر روی آن انجام گردید مطالعه شد.

روش تحقیق

ترکیب شیمیایی سه نوع فولاد مورد استفاده در این تحقیق در جدول 1 نمایان و مشخص است. این فولادها شامل یک فولاد که پایدار اشت که با تیتانیم (Ti-IF). یک فولاد کم کربن (ELC) و یک فولاد کم کربن کروم دار (LC-Cr) می باشد. آزمایش های نورد گرم با استفاده از غلتک های آزمایشگاهی با سرعت 30s^-1 در کنمت انجام شد. نمونه هایی از هر فولاد در یک کوره موفلی در دمای 1050 درجه سانتی گراد به مدت 30 دقیقه پیش گرم شدند. سپس نمونه ها از کوره خارج و بر روی آجر نسوز تا دمای نورد در هوا سرد گردیدند.

آزمایش های یک مرحله نورد گرم با 65% کاهش در ضخامت در دماهای 780،710،640،440 درجه سانتی گراد انجام شد. برای جلوگیری از تبلور مجدد استاتیکی و حفظ کردن ریزساختار پس از نورد، نمونه ها در آب کونچ شدند. جهت بررسی ریزساختار نمونه ها پس از تغییر شکل، نمونه هایی از وسط پهنای ورق ها. (برای پرهیز از اثرات احتمالی لبه در فرایند نورد) تهیه گردید.

تأثیر کربن و کروم بر روی بافت

نمونه ها پس از مانت گرم به روش استاندارد متالوگرافی و با محلول نایتال 2% اچ شدند. درصد دانه های حاوی باندهای برشی با استفاده از میکروسکوپ نوری و یک روش استاندارد شمارش نقاط در صفحه عرضی محاسبه گردید. برای بررسی بافت تبلور مجدد، نمونه هایی از فولادهای تولیدی در شرایط مختلف انتخاب و با استفاده از کروه موفلی آنیل کامل شدند.

اندازه گیری شدت بافت توسط پراش پرتو ایکس بر روی صفحه میانی ضخامت ورق های نوردی انجام گرفت. تصاویر قطبی {200}،{110} و {112} در طول این صفحات با استفاده از لامپ مولیبدنی اندازه گیری شد. از داده های بدست آمده یک تابع توزیع جهت (ODF) با استفاده از بسط سری بانگ [12] و توسط نرم افزار تهیه شده در دانشگاه مک گیل [13] تولید گردید. مطابق با تقارن تبلور مکعبی بافت ها در فضای سه بعدی بانگ – اویلر

ارائه می شود. مؤلفه های مهم بافت نورد فولادهای کم کربن بر روی سه بخش از جهات نورد (a یا RD). عمود بر جهت نورد (y یا ND) و جهت عرضی (ε یا TD) قرار می گیرند. تمام جهات ایده ال مربوط به شاخه های فوق را می توان در مقطع °٤٥=ϕ₂ از فضای اویلر پیدا کرد. این مقطع در شکل 2 نمایان و مشخص است.

نتایج و بحث

ریزساختار تغییر شکل

ریزساختار تمام نمونه ها حاوی باندهای برشی درون دانه ای بود. باندهای برشی بین دانه ها به طور متفرق توزیع هستند و مثال هایی از آن در شکل 3 نمایان و مشخص می باشد. مشاهده می گردد که در فولاد Ti-IF باندهای برشی با شدت متوسط تشکیل هستند (شکل 3-الف). در صورتیکه باندهای متشکل در نمونه ELC از دانسیته و شدت کمی برخوردارند (شکل 3-ب). از سوی دیگر باندهای متشکل در فولاد کم کربن کروم دار از شدت و دانسیته بیشتری نسبت به فولاد ELC برخوردار هستند (شکل 3-ج).

تأثیر کربن و کروم بر روی بافت

درصد ماده حاوی باند برشی توسط یک روش شمارش نقاط تعیین و در شکل 4 خلاصه گردیده است. مشاهده می گردد که در فولاد Ti-IF درصد دانه های حاوی باند برشی به آرامی با افزایش دمای نورد کاهش می یابد. اما مقدار باند برشی در فولاد ELC بستگی شدیدی به دمای نورد دارد. و در دمای 630 درجه سانتی گراد و بالاتر کاهش شدیدی ملاحظه می گردد. همچنین مشخص است که در نمونه کم کربن کروم دار مقدار باند برشی نسبت به فولاد کم کربن افزایش می یابد. و مقادیری نزدیک به فولاد IF را به خود اختصاص می دهد.

دلیل این تغییرات را می توان به تأثیر عناصر آلیاژی بر روی خواص پیر کرنش دینامیکی مواد مذکور مربوط ساخت. تحقیقات نشان می دهد که بستگی رفتار باندهای برشی به دمای نورد مستقیماً به اختلاف در رفتار پیر کرنش دینامیکی این مواد رابطه دارد [1 و 14]. همچنین نمایان و مشخص می باشد که پیر کرنش دینامیکی، ضریب حساسیت به نرخ کرنش را تغییر می دهد. به گونه ای که سیلان موضعی راحت تر اتفاق می افتد. و باند برشی تشکیل می شود. رفتار پیر کرنش دینامیکی این مواد قبلاً مطالعه شده است [15].

نتایج این تحقیق نشان می دهد که در دمای کم، کربن محلول ضریب حساسیت به نرخ کرنش را (به سمت مقادیر منفی) کاهش می دهد. و در نتیجه باعث افزایش شدت باند برشی درون دانه ای می گردد. برعکس در دمای بالا، کربن محلول ضریب حساسیت به نرخ کرنش را (به سمت مقادیر مثبت) افزایش می دهد. بنابراین تشکیل باندهای برشی سخت تر می گردد. نتایج مورد حاصل از این تحقیق نشان می دهد که افزودن کروم به فولاد کم کربن ضریب حساسیت. به نرخ کرنش را در دمای نورد گرم تا مقادیر مشابه به فولاد IF کاهش می دهد.

بافت های تغییر شکل

بافت های تغییر شکل هر سه نمونه پس از نورد در دماهای 710،640،440 درجه سانتی گراد در شکل 5 نمایان و مشخص است. این بافت ها مشخصه نورد فریتی هستند. که توسط رشته کامل RD (از <100> {001} تا <110> {111}) و همچنین رشتۀ کامل ND مشخص می شود. هرچند شکل ظاهری همه آنها یکسان است. ولی حداکثر شدت مربوط به فولاد ELC است. مشاهده می گردد که دمای نورد در فولاد Ti-IF تأثیر اندکی روش شدت بافت تغییر شکل دارد. و با افزایش دمای از 440 به 710 درجه سانتی گراد شدت بافت از 7 برابر به 10 برابر. شدت اتفاقی افزایش می یابد (شکل 5-الف).

مؤلفه های غالب در تمام دماها مؤلفه های رشته ND هستند. و مؤلفه مکعب چرخیده شده (<110>{001}) دارای شدت حداکثر ثانویه است. در مقایسه، دمای نورد تأثیر مهمی بر روی شدت بافت فولادهای کم کربن مخصوصاً فولاد ELC دارد. حداکثر شدت در این نمونه 8 برابر شدت اتفاقی در دمای 440 درجه سانتی گراد بود. و با افزایش دما به 710 درجه سانتی گراد به 20 برابر افزایش یافت (شکل 5-ب).

مؤلفه غالب در این ماده مؤلفه مکعب چرخیده شده بود. و حداکثر ثانویه مربوط به بند ND بود. افزودن 5 درصد وزنی کروم به فولاد کم کربن باعث شد که تأثیر دمای نورد روی شدت بافت کمتر شود. بطوریکه حداکثر شدت در دمای 440 درجه سانتی گراد، 8 برابر و در 710 درجه سانتی گراد به 14 برابر اتفاقی افزایش یافت (شکل 5-ج).

تأثیر دمای نورد بر شدت بافت تغییر شکل را می توان ناشی از تشکیل باند برشی دانست. چون حضور باندهای برشی باعث افزایش مقدار خرد شدن دانه ها می شود. و کرنش را از زمینه منتقل می کند. بطوریکه چرخش دانه نمی تواند همانند شرایط تغییر شکل همگن به سرعت انجام گیرد [16]. بنابراین انتظار می رود که در غیاب باند برشی بافت نورد از شدت بیشتری برخوردار باشد. همانگونه که در نمونه ELC نورد شده در دماهای بالاتر مشاهده گردید.

شکل 5-ج نشان می دهد. که افزودن کروم به فولاد ELC باعث کاهش شدت بافت تغییر شکل در دمای 710 درجه سانتی گراد شد. همانطور که در بالا اشاره گردید این رفتار ناشی از افزایش تشکیل باند برشی در نتیجه کاهش ضریب حساسیت به نرخ کرنش. و بنابراین ریز شدن بیشتر دانه ها است.

تأثیر کربن و کروم بر روی بافت

بافت تبلور مجدد

بافت تبلور مجدد تمام نمونه ها پس از نورد در دماهای 710،640،440 درجه سانتی گراد در شکل 6 نمایان است. تأثیر دمای نورد بر شدت بافت تبلور مجدد در فولادهای کم کربن بیشتر از نمونه Ti-IF است. در فولاد Ti-IF رشته ND در تمام دماها غالب بود. و شدت بافت در دماهای مختلف نورد تقریباً ثابت بود (شکل 6-الف). مؤلفه غالب در بافت تبلور مجدد نمونه ELC پس از نورد در دمای 440 درجه سانتی گراد مؤلفه گوس (<001>{110}) بود.

اما پس از نورد در دماهای 640 و 710 درجه سانتی گراد بافت ها حاوی یک رشتۀ جزیی RD از <110>{001} تا <110>{111} با شدت های قابل صرف نظری از مؤلفه های گوش در رشته ND بود (شکل 6-ب). در مقایسه، در فولاد حاوی کروم، افزایش قابل ملاحظه ای در شت {111} بافت تبلور مجدد پس از نورد در دماهای بالاتر نورد. مخصوصاً در 640 درجه سانتی گراد به وقوع پیوست (شکل 6-ج). مؤلفه غالب در این دما مؤلفه <110>{112} است. و مؤلفه <110>{111} در رشتۀ ND از شدت ثانویه برخوردار است.

تأثیر کربن و کروم بر روی بافت

مشخص می باشد که باندهای برشی مکان هایی ترجیحی را برای جوانه زنی فراهم می کنند. اگرچه جهت این جوانه ها بستگی به طبیعت باندهای برشی دارد. وقتی باندها دارای شدت متوسط هستند. همانند فولاد Ti-IF گرم نوردیده، دانه هایی با جهات مشخص <111> ND|| جوانه می زنند [6].

از طرف دیگر مشاهده شده است. که وقتی باندهای برشی شدید هستند، همانند فولاد کم کربن سرد نوردیده، مؤلفه گوش در محدوده باندها جوانه می زنند [14]. بنابراین می توان نتیجه گرفت که قسمتی از بند ND مربوط به جوانه زنی در محدوده باندهای برشی با شدت متوسط است. مؤلفه قوی گوس مورد بررسی در بافت تبلور مجدد فولادهای ELC. و کم کربن کروم دار پس از نورد در 440 درجه سانتی گراد ناشی از جوانه زنی در محدوده باندهای برشی شدید است.

همچنین غیاب نسبی باندهای برشی در ریزساختار فولاد ELC گرم نوردیده (دماهای 640 و 710 درجه سانتی گراد). دلیلی برای غیاب نسبی مؤلفه های گوس و بند ND در این ماده پس از آنیل است. شکل 6-ج نشان داد که افزودن کروم به فولاد کم کربن، شدت بافت {111}. را پس از نورد در دماهای بالاتر به طور قابل توجهی افزایش می دهد. این مطابق با افزایش فرکانس تشکیل باند برشی در دماهای بالاتر نورد ناشی از کاهش ضریب حساسیت به نرخ کرنش است. اخیراً معلوم و مشخص می باشد.

که شدت مؤلفه های {111} با افزودن 1/3% کروم به یک فولاد حاوی 0/03% کربن پس از 85% کاهش در ضخامت در دمای نورد گرم افزایش می یابد [17]. نتایج حاصل نشان می دهد که مقدار 0/5% کروم برای تولید بافت تبلور مجدد {111} قوی، حداقل در شرایط این پروسه کافی نیست. از طرف دیگر معلوم و مشخص گردید. که برای توسعه یک بافت تبلور مجدد مناسب. پس از نورد فریتی، مهم است که انرژی کافی بر اثر اعمال کرنش در ماده ذخیره شود. احتمال می رود که 65% کاهش در ضخامت اعمالی در این تحقیق برای ذخیره انرژی لازم در این ماده کافی نباشد.

نتیجه گیری

تشکیل باند برشی در فولادهای کم کربن به دمای نورد حساس است. و این به خاطر اثرات کربن محلول روی ضریب حساسیت به نرخ کرنش ماده است. افزودن کروم باعث بهبود رفتار DSA می شود. بطوریکه مقدار باند برشی در دماهای نورد گرم افزایش می یابد.
شدت بافت های تغییر شکل در فولادهای کم کربن با دمای نورد افزایش می یابد. در حالی که در فولادهای IF تقریباً ثابت باقی می ماند.
شدت بافت های تبلور مجدد فولادهای IF تقریباً نسبت به تغییر دما ثابت است و شامل یک بند مداوم ND است. اما فولاد ELC شامل یک بند جزئی RD و یک بند نامداوم از ND در دماهای بالای نورد است.
افزودن 0/5% کروم به فولاد کم کربن باعث افزایش استحکام بافت تبلور مجدد {111} می شود.

تشکر و قدردانی

نویسندگان مقاله از کارخانه های فولادسازی استلکو و دوفسکو برای تولید مواد این تحقیق. و همچنین از آزمایشگاه فن آوری مواد (کنمت) در کانادا برای نورد گرم مواد قدردانی می نمایند. نویسنده اول مقاله از دانشگاه صنعتی اصفهان به خاطر فراهم کردن حمایت لازم جهت سفر به کانادا و انجام این پروژه سپاسگزار است.

محمد رضا طراقی نژاد، فخرالدین اشرفی زاده، عباس نجفی زاده و جان جوناس

دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی اصفهان

دانشکده معدن و متالورژی، دانشگاه مک گیل، کانادا