تحقیق اثر افزودني هاي زيركونيوم بروي درشت شدن دانه هاي آستنيت C-Mn و فولادهاي ميكرو آلياژ

خلاصه :

اقژثر كربونيتريدهاي زيركونيوم روي رفتار زبر شدن يا درشت شدن دانه اي آستنيت در فولادهاي HSLA ميكرو آلياژ شده Zr-Nb و zr كشته شده AL و فولادهاي HSLA ميكر آلياژ شده Zr – Nb با نسبت هاي  Zr / N (22-8/2) بررسي شده است و با نسبت هاي كربونيتيدهاي حاوي T_i در فولادهاي Ti – Nb و
Ti – Nb -Zr مقايسه شدند. مشاهدات TEM و تجزيه و تحليل PEELS نشان داد. كه در فولادهاي Zr-Nb و Zr با افزودني هاي كم Zr (3/6- 8/2 = Zr /N) ذرات داراي Zr ، از جمله كربونيتيدريدهاي بزرگ غني از ZrN با سايزهاي متغيير از mm100  تا چند ميكرون و با شكل نا منظم بودند، در حاليكه با افزودني هاي Zr زياد (22-15= Zr/N) ، كه دو از استئوليومتري بودند (5/6= Zr/N) ، ذرات كروي زير كربونيتريدهاي Zr غني از Zr (mm 100-10) با هم همراه با بسياري كربونيتدريدهاي بسيار بزرگ غني از ZrC تشكيل شدند. علاوه بر اين، فقط در فولادي با پايين ترين نسبت هاي Zr/N، يعني 34/2 براي فولاد Zr 011/0 و 75/2 براي فولادهاي Zr – Nb 022/0 . بخش عمده اي از AIN تشكيل شده بود. درشت شدن دانه اي آستنيت، بسيار تدريجي تر براي فولادهاي Ti-Nb ، Ti-Nb-Zr و داراي zr زياد ، مثبت شدند. به دليل گير كردن موثر دانه هاي آستنيت با كربونيتريدهاي zr يا Ti-nb (mm100 <) . يك مدل باز داري رشد دانه ذره جديد توسط Gladman تهيه شد و براي برآورد اثر كربونيتيديدهاي Zr ريز روي رشد دانه اي آستنيت بكار رفت. يك همبستگي خوب با داده هاي آزمايشي مشخص گرديد.

1- مقدمه:

طي 25 سال پيش، تأثير مفيد Zr روي كنترل شكل سولفيد در فولادهاي كربن مشاهده شد. جديداً، افزودني هاي Zr در فولاد ريل از لحاظ كنترل شكل سولفيد و روي خصوصيات نژمكانيكي و چقرمگي فولادهاي ميكروآلياژ شده Nd بررسي شده اند در اينجا، اضافه كردن Zr باعث بهترين تركيب استحكام و چقرمگي مي شود. كار در استراليا گزارش داد كه اضافه كردن Zr باعث تصفيه دانه اي در فولادهاي ميكروآلياژ شده قالب مي شود. نقش Al, Zr, Ti, B و W در فولادهاي ساختمان قابل جوش تميز شده و يژسرد شده در آلمان مكورد بررسي قرار گرفته است و نسبت Zr:N بزرگتر از 5/6 براي محافظت b توصيه شد. لا اينحال، مشخص خواهد شد كه هيچ بررسي جامعي از رسوب كربونيتريد ZR در فولادها بعمل نيامده است. استفاده از ذرات براي محدود كردن رشد دانه، يك پديده خوب مطرح شده است. اضافه از zr براي كنترل رشد دانه آستنيت، مختصراً در دهه 1960 مشخص گرديده اما كار جزعي براي بررسي مؤثر بودن عنصر صورت گرفت. علاوه بر اين، پي بردن به واكنش هاي چند عنصري و مقايسه اثرات افزودني هاي Zr روي رشد دانه هاي آسنتيت با اثرات افزودني هاي Ti ، جالب توجه است.

2- مواد و جنبه آزمايشي

همه روقه هاي فولادي، بعد از حرارت مجدد تا C ْ1150 نورد كاري و كنترل شوند و بين c ْ800- 820 تا ضخامت mm16  نورد كاري و پرداخت شدند. اينكار در مركز تكنولوژي سوئد ، فولاد بريتانيا صورت گرفت. تركيبات شيميايي فولادها در جدول 1 ارائه شدند. ميكروساختمان ها با متالوگرافي و با ميكروسكپ الكتروني انتقال تحليلي تحقيق و مورد بررسي قرار گرفتند.

جدول 1- تركيب شيميايي فولادها

رو نوشت هاي استخراج آلومينيوم و كربن، با متود استاندارد آماده شدند و رسوب هاي استخراج شده با استفاده ار يك TEM 400- EM فيليپس تنظيم شده با سيستم EDAX تجزيه و تحليل شدند، يك ردياب ECON براي تشخيص و تمايز نيتريدها از اكسيدها بكار برده شده براي پي بردن به اثر محتوا و مقدار Zr و نسبت Zr/N روي تركيب كربونيتريدهاي Zr پارامترهاي شبكة رسوب ها در فلزات از منطقه انتخاب شده الگوه هاي انسكار الكتروني (SAEI) محاسبه شدند. الگوهاي حلقه از رونوشت AL بصورت كاليبراسيون داخلي براي محاسبه پارامتر شبكه رسوب ها بكار رفتند و خطا به 5/0%  محدود شد. سايز كربونيتريدها در بزرگنمايي از
100000- 10000 برابر واقع در محك در TEM و يا از ميكروگرافت هاي TEM اندازه گيري شد. يك ميكروسكپ VG ₅HB مجهز به اسپكترومتر PEELS 66 GATAN براي آشكار سازي n.C بكار رفت. براي خنثي كردن يك ويژگي c از رونوشت C، طيف ها از ذرات معلق در لبه سوراخ ها و ترك هاي موجود در فيلم نازك ثبت شدند.

رفتا درشت كردن دانه آستنيت در رنج دما از C ْ1300 – 900 بررسي شد. نمونه ها mm 15× 10× 10  در هوا به مدت 30 دقيقه در دماهاي بالاي C ْ1150 واكنش دادند. براي دماهايي بالاتر، نمونه ها در كپسول هاي سيليكال آب بندي شدند و به مدت 30 دقيقه واكنش دادند. نمونه ها نيز در آن سرد شده، سرد شدند. اگر ساختمان سرد شده آستنيت هنگام حكاري در محلول پيكريك اشباع شده آشكار نشد. نمونه ها به مدت 17 ساعت در C ْ500 باز پخت شدند. سايز دانه آستنيت با مانع خطي ميانگين معين شدند.

3- نتايج

103- رفتا درشت كردن دامنه آستنيت

شكل 1، رفتار درشت كردن دامنه آينتيت را بصورت عملكردي از دما براي فولادهاي Zr و Zr- Nb نشان مي دهد. مشهود است كه فولادها به 3 گروه تقسيم مي شوند. در اولين گروه، 3 فولاد كم Zr، دمي درشت شدن دانه اي را در حدود C ْ1050 نشان دادند و بزرگترين سايزهاي دانه را داشتند. در دومين گروه، دو فولاد zr – Nb دماي درشت شدن دانه اي را در حدود C ْ1100 با سيزهاي دامنه اي مياني نشان دادند. در سومين گروه، فولاد ti-nb-Zr ، فولاد با Zr زياد و فولاد Ti- Nb همگي، رشد دانه اي آستنيت تدريجي و بسيار كندتري را نشان مي دادند، به جاي آنكه رشد دانه آستنيت ناگهان در دماي ويژه براي دو گروه اول مشاهده شود. در ميان همه فولادها، فولاد ti-Nb ، كندترين رشد دانه آستنيت را در رنج دماي cل1300- 900 نشان داد.

3-2- ميكروسكوپي الكتروني تحليل

3-2-1- پارامتر شبكه كربونيتريدهاي Zr در شرايط نورد كاري شده و كنترل شده تغيير پارامتر شبكه متوسط كربونيتريدهاي Zr بصورت عملكردي از نسبت zr/N در شكل 2 نشان داده شده است. اين شكل، وابستگي آشكاري از تركيب كربونيتريدهاي Zr را روي سطح N, Zr و C در فولادها نشان مي دهد. ددر مورد فولادهاي كم zr و كم Zr-nb  مقادير پارامتر شبكه به مقادير ZrN نزيك هستند (nm 4577/0) ، در حاليكهد براي فولادهاي با Zr زياد، مقادبر پارامتر شبكه، به مقادير ZrC نزديك ترند. (nm 467/0) .

3-2-2- كربونيتريدهاي Zr ، ذرات حاوي Zr، از جمله كربونيتريدهاي مملو ZrN بزرگ با شكل نا منظم بودند از nm100 تا چند ميكرون، كه در شكل 3 نشان داده شده است. تجزيه و تحليل EDS فقط اوج هاي Zr را نشان داد. در فولاد داراي Zr  زياد، ذرات Zr كوچكتر كروي با سايز nm 100-10  همراه با چند ذره بزرگتر مملو ZrC مشاهده شدند. ذرات بزرگتر Zr در فولادهاي هيپر، متداولتر از فولاد هيپو مشاهده شدند. آنها ، اغلب، توزيع متمركزي را به شكل در يك ساخت و با شكل ديگري در يك منطقه مجاور نشان دادند.

شكل 1- رفتار درشت كردن دانه اي آسنتيت در فولادهاي واكنش داده  Ti و واكنش دادة Zr .

شكل 2- اثر اضافه كردن Zr روي پارامتر شبكه كربونيتريدهاي Zr در شرايط نورد شده و كنترل شده.

جدول 2- انواع رسوب در فولادها در شرايط نورد شده و كنترل شده.

بعضي از ذرات 2rc2s4 نيز در اين فولادها مشاهده مي شود.

در فولادهاي Zr-Nb  ، سايز، شكل و تركيب كه بونيتريدهاي Zr از الگوي كوچك Zrc بعضي از ذرات Zr-Nb  (nm100-10  ) و ذرات Zr-nb-Ti مشاهده شدند. مقدار nb كمتر از 5% از مقداري ذرات Zr بزرگ در فولاد 8 هيپر Zr-Nb   ثبت شد.

3-2-3- اثر اضافه كردن Zr روي شكل گيري ALN :

هيچ ذره ALN در فولادهاي zr-Nb    هيپر و يا Zr هيپر يافت نشوند. در فولادهاي Zr هيپو و Zr-Nb    هيپو، ذرات ALN nm500- 15  ، كه با الگوهاي EDAX و با SAED شناسايي شدند، اغلب در فولاد 2 (Zr 011/0) و فولاد (Zr-Nb   022/0) مشاهده شدند، دو فولاد، پادين ترين نسبت هاي Zr/N را دارند. ذرات ALN بسيار كمتر نيز در فولادهاي ديگر Zr هيپو و Zr-Nb   هيپو مشاهده شدند.

3-2-4- سولفيدهاي حاوي Zr

بعضي از سولفيد هاي حاوي Zr از سايز 5/0  تا چند ميكرون، در فولادهاي Zr هيپو و Zr-Nb    هيپو مشاهده نشدند. از طيف الگوهاي EDS و SAED ، اين ذرات بصورت Zr4c2S2 شناسايي شدند و اغلب همراه با كربونيتريدهاي zr ظاهر شدند.

خلاصه اي از رسويژبات در فولادهاي Zr ، Zr-Nb   ، Ti-Nb و Ti-Nb- Zr در شرايط نورد شده و كنترل شده در جدول 2 ارائه شدن ات.

3-2-5- كربونيتريدها در دماهاي آستنت متفاوت

جدول 3، اندازه گيري هايي را از كربونيتريدهاي بزرگ (nm 100> ) در هر دو شرايط يعني شرايط نورد شده و كنترل شده و بعد ار واكنش با محلول (ST) و سردكاري(Q) از C ْ1100 نشان مي دهد. بسياري از ذرات، در فولاد Zr هيپر بزرگتر از ذرات با اضافه كردن Zr هيپو تشكيل شدند.

جدول 3- اندازه گيري هاي ذرات بزرگ (nm100  ) در شرايط نورد شده و كنترل شده، نوع، تعداد، ساخت، تعداد ، سايز متوسط، تعداد، مساحت، تعداد، سايز متوسط

سايز ميانگين، سايز متوسط ذره است.

جدول 4- اندازه گيري هايي را براي كربونيتريدهاي كوچك (nm100 < ) در شرايط نورد شده و كنترل شده و بعد از st و Q از 1100 ، 1200 و C ْ1300 نشان مي دهد.

كسر عمدة كربونيتريدهاي كوچك در C ْ1300- 1100 وجود داشت كه بطور مؤثري، دانه هاي آستنيت را گير مي اندازد. ذرات كوچك Zrc كروي در شرايط نورد شده و كنترل شده. شكل شان از كروي به زاويه اي تغيير افت كه در دماي C ْ1150 اين تغيير شكل رخ داد كه در شكل 4 نشان داده شده است.

جدول 4- اندازه گيري هاي كربونيتريدهاي Zr كوچك در فولاد 4 هيپر Zr (Zr 12/0) و كربونيتريدهاي Ti-Nb در فولاد Ti-Nb در دماهاي متفاوت .

3-2-6- آناليز PeELS كربونيتريدهاي Zr

آناليز PEELS كربونيتريدهاي ZR در فولاد 6 Zr هيپر نيز صورت گرفت. طيف نشان دادند ذرات كروي نزديك ZeC استوئيكومتري بودند (شكل a5). در حاليكه ، ذرات زاويه اي در C ْ1200 هنوز كربونيتريدهاي مملو از Zrc بودند، اما حاوي N 50%  بودند (شكل b)، كه با استفاده از مدل بازداري رشد دانه ذره گله مان سايز ذره و سايز دانة آستنيت فولاد 4 Zr هيپر آسنتيت شده با مدل تهيه شدة گلدمان (Gladman) بر اساس مدل قبلي اش و با مدل هاي Rios, Hillert, Zener ارزيابي شدند. در ضميمه A، جزئيات اين مدل اائه شده است. نتايج در جداول 5 و 6 نشان داده شدند. ان جداول نشان مي دهند كه مقادير سايز دانه آستنيت. محاسبه شده از مدل تغيير بافته گلدمان، بهترين توافق را با داده هاي آزمايشي ارائه مي دهد، در حاليكه سايز اندازه گيري شده و سايز دانه آستنيت نيز با سايزهاي پيش بيني شده از طريق مدل گلدمان در توافق خوبي هستند. از 1100 تا C ْ1300 ، اختلاف بين داده هاي كسر حجم با استفاده ا معادله (1) محاسبه د. كه در جدول 5 نشان داده شده است و مي توان ناشي از اين واقعيت باشد كه رسوبات به جاي ZrN خالص، كربونيتريدهاي Zr هستند، كه با اندازه گيري هاي  PEELS نشان داده شد. علاوه بر اين، نتايج حاصل از همين روند