فولادهای twip

**خاطره112** · 27th February 2012 03:01 PM

فولادهای TWIP

مقدمه : فولاد های پر منگنز دسته ای از فولاد های مقاوم به سایش و مقاوم به فشار میباشند که دارای ویژگی هایی چون کارسختی پذیری ، سطحی سخت و مغزی نرم ، غیر مغناطیسی ، محدوده استحکام کششی 120-130 Ksi و محدوده استحکام تسلیم 60-85 ksi میباشد و در صنایعی مانند معدن ،ریخته گری فولاد و چدن ریزی ، راه آهن ، شات بلاست و شات پینینگ به کار میرود . فولاد های پر منگنز از طریق 3 مکانیزم تغییر شکل میابند که عبارت است از : 1.استحاله مارتنزیتی 2. لغزش 3. دوقلویی (مکانیکی و آنیلی )مکانیزم دو قلویی مکانیکی حالتی از تغییر شکل مومسان است و همانند مکانیزم لغزش در نتیجه اعمال تنغییر شکل روی میدهد اما واکنش های مارتنزیتی در فلزاتی روی میدهند که در معرض تبدیل فاز قرار گرفته اند . و نیروی محرک واکنش مارتنزیتی ، اختلاف انرژی آزاد بین دو فلز است . در هر دو مکا نیزم دوقلویی و استحاله مارتنزیتی ، اتم های واقع در داخل حجم های بلوری متناهی از فاز مادر به صورت شبکه های بلوری جدید آرایش میابند . در دوقلویی این تجدید آرایش سبب تکثیر ساختار بلوری اولیه ، اما با جهت گیری جدید میشود. ولی در ورقه های مارتنزیت ، نه تنها جهت گیری جدیدی ایجاد میشود ، بلکه ساختار بلوری اساسا متفاوتی نیز پدید میاید . و فاز FCC که در دماهای بالا پایدار است به واحد های بلوری کوچک فاز BCC تبدیل میشود. پس این دو مکانیزم از لحاظ میکروساختار مشابه بوده و در هر دو ، در یک منطقه فحه ای تحت فشار داخل فاز مادر یک برش بدون نفوذ رخ میدهد .در مقایسه مکانیزم دوقلویی و لغزش ، در هر دو حالت شبکه برش میخورد ، در لغزش تغییر شکل در صفحات بلوری مجزا روی میدهد و مقدار برش ممکن است چندین برابر فاصله شبکه ای باشد که به تعداد نابجایی های گسیل شده از چشمه نابجایی وابسته است ، اما برش در دوقلویی ، به صورت یکنواخت روی حجم توزیع میشود و این توزیع به صورت موضعی روی تعدادی از صفحات لغزش جدا از هم نیست . در این حالت اتم ها فقط به اندازه کسری از فاصله بین اتمی نسبت به هم حرکت میکنند و تغییر شکل برشی کل ناشی از دوقلویی ، کوچک است . به عقیده بسیاری باید در مورد دوقلو شدن نیز مانند لغزش تنش برشی تجزیه شده بحرانی وجود داشته باشد ، چون اساسا هر دو فرایند از نوع برشی اند ولی اثبات وجود چنین تنشی از راه تجربی به علت پراکندگی نتایج آزمایش و بستگی آنها به شرایط سطح نمونه و تغییرشکل قبلی آن، دشوار بوده و طبق پژوهش های انجام شده مشخص گردیده میتوان نوعی فرایند جوانه زنی و رشد را عامل دانست . که نتیجه تنش اولیه برای شروع دوقلویی و تنشی کمتر برای انتشار دوقلویی است . از آنجا که تنش لازم برای انتشار ، حتی از تنش مورد نیاز برای لغزش خیلی بیشتر است ، فرایند دوقلویی شدن و لغزش ، فقط در شرایطی که تنش لازم برای لغزش بالا باشد قابل مقایسه اند و همچنین دوقلویی در فلزاتی که سیستم لغزش محدودی دارند مورد توجه است . پس در شرایط زیر احتمال تشکییل دوقلویی وجود دارد .· کاهش دما و افزایش سرعت بارگذاری · افزایش غلظت اتم حل شدهانواع دوقلویی : · دوقلویی مکانیکی · دوقلویی آنیلینگ (نفوذی یا تبلور مجددی )دوقلویی مکانیکی در فلزات BCC و HCP ایجاد میشود و در فلزات FCC هم در شرایط خاص ( دمای پایین و نرخ کرنش بالا ) ایجاد میگردد . دوقلویی آنیلینگ نیز غالبا در فلزات FCC ایجاد میگردد . معمولا دوقلویی های آنیلینگ پهن تر و با جوانب مستقیم تر نسبت به دوقلویی های مکانیکی بوده و حضور این دوقلویی ها در ساختمان میکروسکوپی دلیل خوبی برای تغییر فرم مکانیکی فلز قبل از آنیل شدن میباشد ، چرا که این دوقلویی ها احتمالا از هسته دوقلویی که در حین تغییر فرم ایجاد شده است ، رشد مینماید . دوقلویی مکانیکی و لغزش را هم میتوان به عنوان فرایند های رقیب در نظر گرفت. تغییر شکل در اثر دوقلویی شدندوقلویی بعد از لغزش دومین مکانیزم مهم برای تغییر شکل فلزات است . و زمانی ایجاد میشود که قسمتی از کریستال نسبت به قسمت دیگر شبکه که دوقلویی نشده است در موقعیتی متقارن و مشخص قرار گیرد. قسمت دوقلویی شده یک کریستال مانن تصویر حالت اولیه کریستال در یک آینه میباشد . صفحه تقارن بین دو قسمت ،صفحه دوقلویی نامیده میشود . وقتی تنش روی صفحات دوقلو وارد شود در اثر تنش یکی از صفحات دوقلو به موازات دیگری حرکت میکند و ناحیه بین صفحات دوقلو به صورت همگن تغییر شکل میابد . آن قسمت از بلور که خارج صفحات است اعوجاج پیدا نکرده ولی نسبت به هم جابجا شده اند . کرنش های شبکه ای لازم برای تولید دوقلویی در کریستال کم میباشد و بنابرین محدوده ای که در اثر دوقلو شدن تغییر فرم میدهد کوچک خواهد بود . نقش مهم دوقلویی شدن در تغییر فرم پلاستیک مربوط به کرنش تولید شده در اثر فرایند دوقلویی شدن نمیباشد ، بلکه ناشی از تغییر موقعیت صفحات لغزش و فعال شدن سیستم های جدید در اثر دوقلویی میباشد . در فلزات و آلیاژ های FCC تنش دوقلویی مستقیما متناسب با SFE است . بر این اساس، نارتیا و تاکامورا که تنش برشی دوقلویی ( ) را به صورت تابعی از انرژی نقص در چیده شدن ( ) بیان نموده اند که به صورت زیر است.طبق این رابطه با افزایش انرژی نقص در چیده شدن تنش برشی دوقلویی افزایش میابد، پس هرچه میزان SFE کمتر باشد احتمال ایجاد دوقلویی بیشتر است که البته حدی دارد . با توجه به رابطه هال- پچ برای دوقلویی و لغزش
با توجه به اینکه میباشد ، مشخص است که تنش برشی لازم برای تغییر شکل به وسیله دوقلویی بیشتر از لغزش میباشد . همچنین واضح است که وقتی اندازه دانه کاهش میابد ، مناطق دو.قلویی کوچک میشوند . در نهایت این مناطق به صورت کامل ناپدید میشوند.فولاد های آستینیتی پر منگنز، به دلیل برخورداری از خواص استحکامی مناسب و تغییر شکل پذیری فوق العاده به صورت گسترده ای مورد توجه قرار گرفته اند که دلیل اصلی آن ترکیب عالی استحکام کششی و داکتیلیتی هم زمان است. ترکیب شیمیائی این فولاد هاد شامل مقادیر بالای منگنز ( %tW 30 – 15 ) و مقادیری آلومینیوم و سیلیسیم ( % tW 3 – 1 ) می باشد. هدف اصلی از طراحی این فولادها استفاده در صنایع خودروسازی می باشد. افزایش استحکام باعث می شود که شرایط تولید خودرو با وزن کمتر فراهم شده و در عین حال افزایش فرم پذیری موجب ایجاد شرایط مناسب جهت طراحی های پیچیده تر می شود. این فولاد های پر منگنز، بر حسب میزان انرژی نقص چیده شدن ( SFE )، به دو دسته فولادهای TRIP و TWIP تقسیم می شوند. در واقع، مقادیر کمتر از ² m / jm 20 استحاله مارتنزیتی یا اثر TRIP را ترغیب می کند و مقادیر بالاتر SFE از این استحاله جلوگیری کرده و موجب ایجاد اثر TWIP میشود. با توجه به تاثیر منگنز روی SFE، مقدار منگنز کمتر از 20 % وزنی موجب ایجاد اثر TRIP و بالای 25 % وزنی موجب القای اثر TWIP می گردد. میزان SFE علاوه بر ترکیب شیمیائی به دما نیز وابسته بوده و با افزایش دما، اقزایش می یابد که در قسمت های بعد، به این موضوع بیشتر پرداخته می شود.همچنین در فولاد های TRIP در اثر اعمال کرنش، استحاله ی مارتنزیتی رخ می دهد که این استحاله موجب ایجاد استحکام کششی بالا در حدود aMP 1100 و کرنش شکست 55 % می شود. در فولاد های TWIP در اثر اعمال بار مکانیکی پدیده ی دوقلویی شدن به صورت گسترده ای به وقوع می پیوندد. این فولاد دارای تنش سیلان نسبتا کمتری نسبت به فولاد TRIP ( MPa 650 ) و مقدار کرنش شکست بسیار بالاتری ( در حدود 95 % ) می باشد.مکانیزم فولاد های TWIP تشکیل شدید دوقلوهای مکانیکی در طول کرنش است که نتیجه ی این دوقلوها، بالا بردن کرنش سختی ست و یک استحکام کششی بالا و داکتیلیتی شدید برای فولاد فراهم می کند. برای این نوع فولاد ها، انرژی نقص چیده شدن باید در رنج مناسبی باشد، نه خیلی بالا و نه خیلی پائین، تا از تشکیل مارتنزیت در حین کرنش جلوگیری کند. در دو دهه ی گذشته اکثر طراحی ها براساس استحکام کششی فولاد ها که در رنج MPa 300-200 بودند، انجام می گرفتند. اخیرا در طراحی بدنه ی خام ماشین ها تمایل بیش تری به استفاده از فولاد های استحکام بالا مشاهده می شود.در حالی که فولاد های کم استحکام ( _yδ < MPa 180 ) هم مورد استفاده اند، ولی استفاده از فولاد های استحکام بالا AHSS ( _y δ > MPa 300 ) و فولاد های VHSS (_y δ > MPa 500 ) و فولاد های UHSS ( _u δ > aMP 1500 ) مناسب تر است.فولادهای با درصد منگنز بالا ( TWIP ) ، نسل دومی از این فولاد های پر استحکام AHSS هستند که شامل فولاد های سبک وزن IP-L با مقادیر بالای آلومینیوم ( %tW 12 ) و سیلیسیم ( % Wt 6 ) با پلاستیسیته ی بالا می باشند. البته به تازگی فولاد های TWIP با مقادیر خیلی کم AL و iS ، که شکل پذیری و استحکام بسیار بالا ئی دارند، با نام IP- X در ساخت اتوموبیل استفاده می شوند.طبق آمار بدست آمده، تا سال 1978 تغییر زیادی در وزن خودرو مشاهده نشده است. اما از این سال به بعد، به دلایلی از جمله افزودن تجهیزات مدرن و ایمنی، افزایش فضای داخلی، قابلیت اطمینان بالا و سایر مسائل کیفی، وزن خودروهای تولیدی به طور چشم گیری افزایش یافت. به همین دلیل امروزه یافتن مواد جدید برای جایگزینی بدنه های فولادی سنگین مورد توجه است. این مواد باید بتوانند کاهش وزن خودرو، پایداری، استحکام، راحتی و امنیت سرنشینان، صداگیری از موتور و نیز مقاومت به خوردگی را تامین کنند. مسئله ی وزن از پارامتر های مهم در طراحی بدنه ی خام خودروها می باشد که می تواند مسائل اقتصادی و نیز میزان انتشار گاز دی اکسید کربن را تحت تاثیر قرار دهد. در دهه های اخیر استفاده از فولاد های دو فازی ( phase Dual ) و فولاد هایplasticity induced – Transformation یا همان TRIP باعث کاهش % 25 – 10 و استفاده از فولاد های زنگ نزن باعث کاهش 25 % در وزن خودرو های تولیدی شدند. امروزه فولاد های TWIP به دلیل استحکام بالا، مقاومت به خوردگی مناسب، مقاومت در برابر ضربه ی خوب و بسیاری از دلایل دیگر جایگزین فولاد های قدیمی گشته اند. مثل سرعت کار سختی بالا که منبع اصلی آن مکانیزم پیرکرنشی دینامیکی است. با این که این نوع از فولاد ها دارای یک مسیر دندانه دار و حساسیت به سرعت کرنش منفی دارند، اما پدیده ی گلوئی شدن را تسریع نمی کنند. جمعی از محققین مثل Dastur و Leslie استدلالشان بدین صورت بود که فعل و انفعالات قوی دوقطبی های موجود در محلول با میدان کششی از نابه جائیها ئی که پین و قفل شده اند، افزایش چگالی نابه جائیها و در نتیجه سرعت کارسختی را سبب می شوند. اندازه گیری های میکروسکوپی از قبیل سرعت انباشتگی نابه جائیها، اخیرا توسط Hutchinson و Ridley صورت گرفته که اثر آن ها بر روی سرعت کار سختی را تائید می کند.از طرف دیگر، چندین مؤلف علت را به طور مستقیم به رفتار مکانیکی ویژه ی این فولاد ها یعنی تشکیل دوقلوئی ها مربوط می دانند. در واقع یک حقیقت آشکار است که وجود لایه ی نازک یک دو قلو با جهت یابی دانه ی آستنیتی اولیه که در طول کرنش ظاهر می شود، ارتباط دارد. همچنین یک تذکر مهم این است که مورفولوژی دوقلوهای مکانیکی که در فولاد های TWIP شکل می گیرند، نسبت به دوقلوئی هائی که در فلزات فشرده مثل منیزیم و یا تیتانیوم شکل می گیرند، متفاوت هستند. لایه ی نازک دوقلوئی که به طور جلورونده شکل می گیرد، با افزایش کرنش، به دانه های اصلی و اولیه پچش می شود. بنابراین کاهش نابه جائی به وسیله ی مسیر آزاد بهبود سرعت سخت کاری از طریق اثر هال پچ دینامیکی است.پس در کل این فولادهای پر منگنز که دارای درصد آلومینیوم و کروم بالائی هستند، کاندیدای مناسبی برای جایگزینی فولاد های استینلس آستنیتی دارای کروم و نیکل هستند ( البته فقط در محیط های خورنده ای که به حد بحرانی نرسیده اند. ) وجود منگنز در این فولاد ها تشکیل فاز آستنیت را ترغیب کرده و اگر درصد مناسبی از آن به فولاد افزوده شود، حتی می توان در دمای محیط نیز فاز آستنیت داشت. همچنین حضور آلومینیوم در این نوع از فولاد، همان نقش کروم در فولاد استینلس را ایفا کرده و مقاومت به خوردگی را افزایش می دهد. آلومینیوم همچون کروم، پایدار کننده ی فاز فریت و یا فریت زاست، با این تفاوت که کروم می تواند یک سری از کاربید ها را نیز تشکیل دهد که تا حدودی خواص خوردگی را تخریب می کنند.نتایج تحقیقات انجام شده نشان می دهد که استحکام کششی این فولاد ها به طور قابل ملاحظه ای از فولاد کم کربن نیز بیشتر است که به غلظت آلومینیوم و حضور منگنز بستگی دارد. وقتی ساختار در اثر نورد گرم کاملا آستنیتی ست، درصد آلومینیوم تا % Wt 6 مؤثر است، اما در درصد های بالاتر استحکام کششی به دلیل ایجاد فاز فریت، کاهش می یابد. البته در کل اثر آلومینیوم خیلی کم بوده و فقط در ساختار فریتی- آستنیتی نرم کردن توسط فریت به سرعت انجام می گیرد. اما منگنز از علل اصلی افزایش و یا کاهش استحکام کششی می باشد. سینتیک تبلور مجدد در مقایسه با فولاد کربنی آهسته و در مقایسه با فولاد های زنگ نزن آستنیتی سریعتر می باشد.در زیر نمونه هائی از استفاده از این فولادها نشان داده شده است:

روش های تغییر شکل در فولاد های TWIP :

در فولاد های آستنیتی پر منگنز، فاز مارتنزیت می تواند در اثر تغییر شکل پلاستیکی ناشی از اعمال کرنش، طی واکنش هائی مثل و یا واکنش دیگری مثل

تولید می شود.

در کنار این استحاله های فازی، دو روش اصلی وجود دارد که آلیاژ ها و فلزات به طور هموژن تغییر شکل پلاستیکی می دهند. مثل لغزش نابه جائی ها در سیستم لغزشی خاص، روش مکانیکی، و روش دوقلوئی. این روش های تغییر شکل به طور نزدیکی به انرژی نقص چیده شدن ( SFE ) در آستنیت بستگی دارند. به همین دلیل SFE همواره به عنوان یک عامل پیش بینی کننده در تعیین میزان تمایل به دوقلوئی در فولاد TWIP بوده است. از پارامتر های اصلی کنترل میزان این انرژی، دما و ترکیب شیمیائی را می توان نام برد. اگر میزان SFE خیلی کم باشد (² m / mj 20 > ) ، استحاله ی تشکیل فاز مارتنزیتی متوقف شده و باعث تمایل به انجام پدیده ی دوقلوئی می گردد تا زمانی که ² m / mj 60 > SFE گردد. همچنین شدت دوقلوئی شدن و نوع دوقلو ها با SFE تغییر می کند، بدین صورت که در حدود 25 = SFE چگالی دوقلو ها زیاد بوده و دوقلوئی موضعی در مقیاس ریزی در نمونه رخ می دهد که منجر به تغییر شکل همگن می گردد. اما در 60 > SFE ، تفکیک شدن نابه جائیها به نابه جائی های جزئی و ناقص سخت بوده و در نتیجه لغزش نابه جائی های کامل مکانیزم تغییر شکل غالب خواهد بود. بنابراین، در آلیاژ های با SFE متوسط به جای استحاله ی فازی یا لغزش نابه جائیها، پدیده ی دوقلوئی رخ می دهد. تغییر شکل دوقلوئی یک مکانیزم مطلوب محسوب می گردد، زیرا میزان سخت کاری فلزات را همان گونه که قبلا نیز اشاره شد، افزایش می دهد. یک لایه ی ریز دوقلوئی می تواند به عنوان یک مانع درون دانه ای جلوی حرکت نابه جائیها را بگیرد ( قابل مقایسه با عملیات ریز دانه کردن) .مورفولوژی ( ضخامت، انباشتگی و ... ) و تعداد دوقلو ها خواص رو تعیین می کنند. نمودار زیر تاثیر دما و ترکیب شیمیائی بر میزان SFE و تاثیر SFE بر برخی از خواص را نشان می دهد.یک نکته ی جالب این است که تغییر شکل دوقلوئی و استحاله ی کرنشی تشکیل مارتنزیت از لحاظ میکروساختار مشابه هم هستند. در هر دو، در یک منطقه ی صفحه ای تحت فشار داخل کریستال یک برش بدون نفوذ رخ می دهد و تفاوت در این است که استحاله ی مارتنزیتی با یک تغییر در انرژی شیمیائی تحریک می شود، اما دوقلوئی توسط کار مکانیکی و یا آنیلینگ به وجود می آید. همچنین مکانیزم های لغزش و دوقلوئی دو فرایند برشی اند که از لحاظ ماکروسکوپی شبیه هم هستند و هر دو در یک سطح مجزا صورت گرفته و نیاز به یک نیروی برشی فعال دارند. هر چند، دوقلوئی یک فرایند برشی است که منجر به تغییر جهت قابل توجهی می گردد.فولاد های پر منگنز، به علت سرعت سخت کاری زیاد که دلیل اصلی این ویژگی نیز تا حدودی نامشخص است، مورد توجه اند. 2 توجیه متداول که برای این افزایش سرعت سخت کاری بیان شده است به صورت زیر هستند:منبع اصلی آن مکانیزم پیرکرنشی دینامیکی است. با این که این نوع از فولاد ها دارای یک مسیر دندانه دار و حساسیت به سرعت کرنش منفی دارند، اما پدیده ی گلوئی شدن را تسریع نمی کنند. جمعی از محققین مثل Dastur و Leslie استدلالشان بدین صورت بود که فعل و انفعالات قوی دوقطبی های موجود در محلول با میدان کششی از نابه جائیها ئی که پین و قفل شده اند، افزایش چگالی نابه جائیها و در نتیجه سرعت کارسختی را سبب می شوند. اندازه گیری های میکروسکوپی از قبیل سرعت انباشتگی نابه جائیها، اخیرا توسط Hutchinson و Ridley صورت گرفته که اثر آن ها بر روی سرعت کار سختی را تائید می کند.از طرف دیگر، چندین مؤلف علت را به طور مستقیم به رفتار مکانیکی ویژه ی این فولاد ها یعنی تشکیل دوقلوئی ها مربوط می دانند. در واقع یک حقیقت آشکار است که وجود لایه ی نازک یک دو قلو با جهت یابی دانه ی آستنیتی اولیه که در طول کرنش ظاهر می شود، ارتباط دارد. همچنین یک تذکر مهم این است که مورفولوژی دوقلوهای مکانیکی که در فولاد های TWIP شکل می گیرند، نسبت به دوقلوئی هائی که در فلزات فشرده مثل منیزیم و یا تیتانیوم شکل می گیرند، متفاوت هستند. لایه ی نازک دوقلوئی که به طور جلورونده شکل می گیرد، با افزایش کرنش، به دانه های اصلی و اولیه پچش می شود. بنابراین کاهش نابه جائی به وسیله ی مسیر آزاد بهبود سرعت سخت کاری از طریق اثر هال پچ دینامیکی است.با توجه به اینکه سرعت سخت کاری به طور مستقیم به مکانیزم تنش زدائی پلاستیکی مثل ایجاد فعل و انفعال و نابودی نابه جائی ها ، بستگی دارد، پس لازم است که وجود نابه جائی ها در فولاد های TWIP در نظر گرفته شود. بدین منظور باید مکانیزم های دوقلوئی را مورد بررسی قرار داد. پس در ابتدا چندین مکانیزم بنیادی برای دوقلوئی در موارد Fcc را بیان می کنیم.این مکانیزم می تواند در 3 گروه اصلی وابسته به مشخصات فرایند های تجزیه ی نوعی نابه جائی لغزشی < 110 > 2 / a = b طبقه بندی شود.

1) Pole mechanism2) Models based on a deviation process3) Models based on the presence of an extrinsic stacking fault

1)

Venables مکانیزم هسته زائی و مکانیزم دیگری را برای توضیح رشد دوقلو در ماده ی fcc کشف کرد. او پیشنهاد داد که نابه جائی های جزئی شاکلی در صفحه ی دوقلوئی می توانند هنگام تغییر مکانشان با نابه جائی های کامل در زمینه، چندین نابه جائی فرانک را در صفحه ی مشترک تشکیل دهند و به عنوان منبع های قطبی ثانویه در نظر گرفته شوند. بر طبق معدله ی 1 :

او استدلال کرد که این واکنش راه مؤثری برای تعویق ترویج دوقلو از مرز های دوقلوئی است و توجیهی برای پایداری دوقلو ها پس از برداشتن بار می تواند باشد.

2)

در این حالت، Cohen و Weertman تفکیک یک نابه جائی کامل به یک نابه جائی پیچی جزئی ساکن فرانک و یک نابه جائی جزئی سرشی شالکی را هنگام ایجاد یک قفل لومر- کاترل در نظر گرفتند. معادله ی این تفکیک به صورت معادله ی 2 است :

در این مورد تغییر شکل دوقلوئی در صفحه ی مزدوج اتفاق می افتد که چندین لغزش و تمرکز تنش بالا نیاز است تا تفکیک نابه جائی در صفحه ی دو قلوئی بدست آید.

3)

در این مورد، inCh و Mahajan ، تفکیک دو نابه جائی کامل مسطح به نابه جائی های جزئی شالکی روی 3 صفحه ی فشرده مجاور متوالی را کشف کردند. نتیجه، پیکر بندی یک عیب انباشتگی غیر ذاتی است که به عنوان یک هسته ی سه لایه ای برای دوقلو ئی عمل می کند. برای مثال واکنش در صفحه ی فشرده ی ( 1 ^-1 1 ) به صورت معادله ی 3 است :

این مکانیزم در فولاد های TWIP مکانیزم دوقلو ئی فعال است. هر چند این استنتاج بدون توصیف جابه جائی ها برآورده شده است.آلیاژ سازی فولاد های TWIPدر این قسمت اثر افزودن برخی از عناصر به هنگام آلیاژ سازی بررسی شده است :

اثر Mnمنگنز عنصر اصلی در این نوع فولادهاست که تلاش می کند تا ساختار آستنیتی سیستم سه تائی AL – Fe – Mn را حفظ کند. مهم ترین تاثیر منگنز، کنترل میزان SFEاست. با افزایش میزان منگنز، SFE در ابتدا تا یک مقدار مینیممی کاهش می یابد، اما بعد از آن به صورت افزایشی عمل می کند. پس با افزایش میزان منگنز، مکانیزم تغییر شکل از حالت TRIP به TWIP تبدیل می شود که دلیل آن افزایش SFE از مقادیر کم به مقادیر متوسط ( > 20 ) می باشد. هم چنین حضور مقادیر زیاد منگنز شروع تبلور مجدد دینامیکی را به تعویق می اندازد.

اثر AL

افزودن آلومینیوم به فولاد TWIP پر منگنز، اثرات مختلفی دارد. آلومینیوم میزان SFE را به طور قابل ملاحظه ای افزایش داده و آستنیت را در مقابل واکنش که در فولاد های 25 Mn – 15 Fe رخ می دهد، مقاوم و پایدار می کند. هم چنین آلومینیوم، استحکام آستنیت را از طریق استحکام بخشی محلول جامد، افزایش می دهد. و نیز در اثر غیر فعال بودن، میزان مقاومت به خوردگی فولاد را افزایش می دهد. آلومینیوم به طور جزئی در به تعویق انداختن شروع تبلور مجدد دینامیکی مؤثر است. با افزایش درصد آلومینیوم، استحکام کششی به دلیل استحکام بخشی از طریق محلول جامد، افزایش می یابد. البته همان طور که قبلا گفته شد، تا % tW 6 بدین صورت عمل می کند و در درصد های بالا به دلیل تشکیل فاز فریت، استحکام کاهش خواهد یافت. آلومینیوم تمایل دارد که انرژی نقص چیده شدن را افزایش دهد که به طور شدیدی بر روی مکانیزم تغییر شکل تاثیر می گذارد. در غلظت های کم، آلومینیوم، شکل گیری مارتنزیت را کاهش داده و تغییر شکل با دوقلوئی را افزایش می دهد و در نتیجه منجر به استحکام کششی بالا و داکتیلیتی خوبی می گردد. پس در کل آلومینیوم برای رسیدن به ساختار تمام آستنیتی پایدار در رنج ²m / mj 30 – 15 اضافه می شود.

اثر Si

در مقایسه با آلومینیوم، سیلیسیم میزان فاز Fcc را کاهش می دهد و انجام واکنش را حین سرد کردن و تغییر شکل، ترغیب می کند. تجربه نشان می دهد که افزودن Si 2 % به Mn 27 – Fe ، میزان آستنیت را کاهش داده که این امر منجر به افزایش تعداد عیوب انباشته شده یا توده ای که مکان جوانه زنی برای مارتنزیت ε هستند، می گردد. همچنین افزودن Si ، آستنیت را از طریق استحکام بخشی محلول جامد مستحکم می کند ( Si % 1 / aMP 50 ).سیلسسیم نیز همچون آلومینیوم، برای رسیدن به ساختار تمام آستنیت پایدار، در رنج ²m / mj 30- 15 اضافه می شود.اثرC

کربن به عنوان پایدار کننده ی قوی فاز آستنیت شناخته شده و در فولادهای TWIP ( IP – X ) به میزان % Wt 0.6 افزوده می شود. میزان حلالیت کربن در آستنیت بسیار بالاست، به همین دلیل آلیاژ سازی با کربن می تواند به عنوان پایدار کردن آستنیت انجام می شود. هم چنین ماتریس یا زمینه را از طریق استحکام بخشی با محلول جامد، مستحکم می کند.

اثر Cr

افزودن کروم به آلیاژ های آهنی، باعث افزایش مقاومت به خوردگی می گردد. هم چنین تشکیل فاز فریت را ترغیب می کند. هر چند افزودن کروم به فولاد پر منگنز، میزان SFE را افزایش می دهد. مشارکت کروم در مقاومت تغییر شکل گرم و تبلور مجدد دینامیکی و استاتیکی به طور ناچیز است. هم چنین افزودن کروم، در Passive کردن این فولاد ها مؤثر است. غشای Passive ایجاد شده در فولاد با AL % Wt 8 و Cr % Wt 6 ، حتی از فولاد 304 نیز در محلول ₃Hno % 50 – 5 پایدارتر هست. آماده سازی طولانی مدت فولاد در regime passive anodic ، یک لایه ی assivep کلفت و محافظ و پایدار تشکیل می دهد که مقاومت به خوردگی در محلول Nacl % 3.5 را نیز افزایش می دهد.

بررسی پاره ای از آزمایش ها در مورد فولاد های TWIP1 . بررسی تاثیر دما بر رفتار کار گرم در فولاد های TWIP با منگنز بالا

برای بررسی تاثیر این پارامتر بر رفتار تغییر شکل گرم، وقوع فرایند های ترمیم و گسترش ریز ساختار دسته ی خاصی از فولاد های TWIP ( حاوی 29 % وزنی منگنز )، آزمایش فشار گرم تک مرحله ای در محدود ی دمائی 1150 – 850 درجه ی سانتی گراد ( تحت نرخ کرنش ^1-S 0.1 ) طراحی و اعمال گردید. خلاصه ای از روش آزمایش :فولاد مذکور پس از ریخته گری تحت عملیات حرارتی ( آهنگری در دمای 1150 درجه ی سانتی گراد و سپس عملیات آنیل در دمای 1100 درجه ی سانتی گراد به مدت 45 دقیقه ) قرار گرفت، نمونه های استوانه ای با قطر 8 میلی متر و ارتفاع 12 میلی متر را تحت آزمایش فشار در محدودهی دمائی و نرخ کرنش ذکر شده قرار داده اند و پس از اعمال تغییر شکل تا کرنش حقیقی 0.7 ، در آب کوئنچ کردند. ریز ساختار نمونه های متالوگرافی شده نیز تا حدی در قسمت بعدی بررسی شده است.

نتایج بدست آمده از بررسی و مقایسه ی ریز ساختار ها

1 ) افزایش دما سبب افزایش فعالیت مکانیزم DRX و افزایش کسر حجمی تبلور مجدد و کاهش تعداد دوقلوئی ها می گردد.2 ) در دمای 850 درجه ی سانتی گراد مکانیزم تبلور مجدد دینامیکی هندسی ( GDX ) نیز علاوه بر DRX فعال شده و در ایجاد کار نرمی در ساختار سهیم بوده است. ولی تغییر شکل در دمای پائین سبب اعوجاج در مرز دانه ها و مرز دوقلوئی های موجود در ریز ساختار شده است، در ضمن در این دما، چون دانه های اولیه هنوز در ساختار به چشم می خورند. عدم تکمیل تبلور مجدد قابل نتیجه گیری است.3 ) افزایش کسر حجمی و اندازه ی دانه های DRX به دلیل افزایش انرژی ذخیره شده در دمای 950 درجه ی سانتی گراد نسبت به 850 درجه ی سانتی گراد هم قابل مشاهده است.

4 ) افزایش کسر حجمی دانه های DRX در دمای 1050 درجه ی سانتی گراد هم قابل مشاهده می شود. ( نسبت به 850 و 950 درجه ی سانتی گراد )

5 ) در دمای 1150 درجه ی سانتی گراد نیز، یک ساختار تبلور مجدد یافته درشت و هم محور با مرز های صاف و دانه هائی که از چرخش مرز های فرعی ایجاد شده و به هیچ مرز بزرگ زاویه ای متصل نمی باشند، قابل مشاهده اند.6 ) در نهایت هم، تشکیل دوقلوئی ها در ریز ساختار این فولاد ها، به دلیل تمرکز انرژی ناشی از تغییر شکل در این مرز ها، در کنار مکانیزم تاول زدن مرز های اولیه، عاملی فزاینده در جوانه زنی DRX می باشد.

بررسی تاثیر نرخ کرنش بر رفتار تبلور مجدد استاتیک فولاد های IPTW

به منظور مطالعه ی رفتار تبلور مجدد استاتیک این نوع فولادها، آزمایش های فشار گرم دو مرحله ای طراحی و اعمال شدند. آزمایش ها در 2 دمای 1050 و 1150 درجه ی سانتی گراد و تحت نرخ کرنش های ^1-S 0.1 و ^1-S 0.001 انجام شدند.خلاصه ای از روش آزمایش : فولاد ریختگی، تحت عملیات آهنگری در دمای 1050 درجه ی سانتی گراد و سپس عملیات آنیل در دمای 1150 درجه ی سانتی گراد برای 45 دقیقه قرار گرفت. نمونه های استوانه ای با قطر 8 میلی متر و ارتفاع 12 میلی متر، تحت آزمایش فشار گرم دو مرحله ای بالا با اعمال زمان های بین پالسی 80 و 300 ثانیه قرار گرفتند. نمونه هائی پس از تغییر شکل تا کرنش حقیقی 0.2 در آب کوئنچ شدند. ریز ساختار ها هم در شکل های زیر قابل مشاهده هستند:در شکل دو، S مرز دانه ها و مرز دوقلوئی های دندانه دار شده و T دوقلوئی های شکسته شده در اثر اعوجاج و پیچش شبکه را نشان می دهند. با کاهش نرخ کرنش به وضوح اندازه ی دانه ها افزایش و میزان دوقلو ئی های ایجاد شده در ساختار کاهش یافته است. در حقیقت کسر بالای دوقلوئی ها مشخصه نرخ کرنش ^1-S 0.1 و دندانه ایجاد شده در مرز ها مشخصه ی نرخ کرنش ^1-S 0.001 می باشد.در شکل 3 نیز، ساختاری با دانه بندی درشت تر نسبت به دمای 1050 درجه ی سانتی گراد حاصل شده است، ولی مشخصه های ساختاری مربوط به دو نرخ کرنش که برای دمای 1050 درجه س یانتی گراد ذکر شد، در اینجا هم مشاهده می شود. ولی در قسمت c این شکل، دوقلوئی هائی که در قسمت هائی، مرز بین آنها با شبکه ی مادر به علت دندانه شدید ایجاد شده در آنها، از بین رفته و دو دیواره ی دوقلوئی در بعضی از نواحی به یکدیگر رسیده اند که با پیکان هائی مشخص شده اند. اگر مرز این نواحی با نواجی هطراف خود باشد، می تواند به رشد خود ادامه داده و تبدیل به یک دانه ی تبلور مجدد شود ( GRX ) .

نتایج بدست آمده از آزمایش

1 ) جوانه زنی دانه های تبلور مجدد در مرز دوقلوئی ها نشان دهنده ی بالا بودن انرژی این مرز ها در حد مرز دانه می باشد.2 ) با افزایش نرخ کرنش، کسر دوقلوئی های ایجاد شده در ساختار افزایش می یابد و جوانه زنی دانه های تبلور مجدد در این نواحی موجب ایجاد ریز دانگی بعد از تبلور مجدد می شود.3 ) با کاهش نرخ کرنش بازیابی به صورت وسیعی در ساختار انجام می شود که این امر موجب ایجاد زیر دانه هائی در ساختار می شود. این زیر دانه ها می توانند به عنوان جوانه های تبلور مجدد شروع به رشد کرده و تبدیل به دانه های تبلور مجدد شوند.4 ) با افزایش دما و کاهش نرخ کرنش انجام بازیابی در ساختار تشدید می یابد که این امر موجب ایجاد تضرس در مرز ها و فراهم شدن شرایط وقوع تبلور مجدد هندسی در ساختار می شود.5 ) حضور دوقلوئی ها در فولاد های TWIP موجب ایجاد ریز دانگی شدیدی بعد از تبلور مجدد می شود. این امر می تواند باعث افزایش استحکام و ازدیاد طول مناسب بعد از انجام تبلور مجدد شود.

بررسی تاثیر مولیبدن بر روی آنیل کامل فولاد TWIP

بدین منظور فولاد پس از ریخته گری و نورد گرم، در دماهای گوناگون آنیل شدنه و سپس به کمک میکروسکوپ های مختلف، مورد مطالعه ی ساختاری قرار گرفته است.خلاصه ای از روش آزمایشفولاد مورد نظر در کوره ی القائی در اتمسفر خنثی ریخته گری شده و سپس به مدت 1 ساعت در دمای 1200 درجه ی سانتی گراد تحت عملیات همگن سازی قرار گرفت. سپس به منظور اعمال کرنش حقیقی 0.7 ،عملیات نورد گرم در دمای 1100 درجه ی سانتی گراد در 5 پالس پشت سر هم انجام گرفت و در نهایت نمونه ها در هوا سرد شدند ( دمای انتهائی نورد 900 درجه ی سانتی گراد بود). برای محاسبه ی دمای بهینه ی آنیل، نمونه هائی از سطح فولاد تهیه و به مدت 10 دقیقه در بازه ی دمائی 1200- 550 درجه ی سانتی گراد در کوره نگه داری و سپس در هوا سرد شدند. نتایج به صورت زیر ارائه شده است :در شکل 1، سیکل عملیات حرارتی آنیل برای نمونه های مورد آزمایش، نشان داده شده است. از آنجائی که فولاد مورد بررسی از خانواده ی فولاد های پر منگنز آستنیتی می باشد و به دلیل داشتن منگنز بالا حتی در دمای محیط نیز آستنیتی است. تمامی نمونه ها در هوا سرد شده و سرد کردن در کوره، تنها سبب رشد بیش از حد دانه ها می شود.در شکل 2 ، با افزایش دما به تعداد دوقلو ئی های آنیل افزوده می شود، به گونه ای که برای فولاد بدون مولیبدن، این افزایش تعداد دوقلوئی ها تا دمای 1100 درجه ی سانتی گراد ادامه یافته و بیشترین تعداد دوقلوئی های ناشی از عملیات حرارتی برای این فولاد در این وما محاسبه گردید. در حالی که برای فولاد 1.3 درصد مولیبدن، این افزایش درصد تعداد دوقلوئی های آنیل تا دمای 950 درجه ی سانتی گراد ادامه پیدا کرده و پس از آن از مقدار دوقلوئی های آنیل کاسته شد. هم چنین با افزودن مولیبدن اندازه ی دانه ها کاهش یافته است.در شکل 3 ، برای نمونه ی بدون مولیبدن، دمای 1100 درجه ی سانتی گراد و برای فولاد حاوی 1.3 درصد مولیبدن، دمای 950 درجه ی سانتی گراد که پس از این دماها از میزان دوقلوئی های آنیل در ساختار کاسته شده است، دمای آنیل کامل می باشد.در شکل 6 ، تصاویر گرفته شده به کمک میکروسکوپ الکترونی روبشی و تجزیه ی سطحی از دو عنصر کربن و مولیبدن برای فولاد بدون مولیبدن و فولاد حاوی 1.3 درصد مولیبدن، در دمای آنیل کامل این ها را نشان می دهد. مشاهده شد که در نمونه ی حاوی مولیبدن، انباشته ای از عناصر کربن و مولیبدن پیرامون مرز دانه ها وجود دارد. در حقیقت مولیبدن با ایجاد کاربید پیرامون مرزدانه ها از مهاجرت آن ها جلوگیری می کند و سبب می شود که زمان آنیل کامل کاهش یابد و هم چنین سبب جلوگیری از رشد بیش از اندازه ی دانه ها می گردد. از آنجائی که مولیبدن نسبت به بقیه ی عناصر موجود در آزمایش ( C و M وSi و AL و Fe و S ) کاربید زای قوی تری است. این عناصر کاربید های چند گانه تشکیل نمی دهند. ( آنالیز نقطه ای به کمک TEM هم نشان داد که کاربیدهای تشکیل شده از نوع C ₃( Mo ،e F ) هستند.مشکلات فولاد های TWIPدر کنار ویژگی های خوب ، در حین ذوب کردن فولادهای TWIP یک سری مشکلات تکنولوژیکی وجود دارد. یکی از این مشکلات، از بین رفتن مقدار زیادی Mn هست که به دلیل بالا بودن فشار بخار آن رخ می دهد. در نتیجه باید مقادیر زیادی منگنز افزوده شود. پیچیدگی فرایند ذوب با افزوده شدن عنصر آلومینیوم به عنوان عنصر آلیاژی به دلیل تفاوت زیاد در وزن مخصوص بین آهن و منگنز( ³cm / gr 7.6 ) و آلومینیوم (³cm / gr 2.7 ) بیشتر می گردد. علاوه بر این، آلومینیوم باعث خوردگی شدید دیرگداز آستری کوره ی ذوب که از جنس منیزی هست، می گردد.اثر عملیات حرارتی بر ویژگی های پوششیک نوع پوشش از جنس P ₃Ni بر روی این فولاد ها اعمال می شود که اثرات عملیات حرارتی بر روی این پوشش بررسی گردیده است:1 ) عملیات های گرمائی، معمولا سختی و مقاومت سایشی رسوب ها را افزایش داده ولی مقاومت به خوردگی را کاهش می دهند.2 ) هم چنین چسبندگی پوشش روی فولاد ها در آنیلینگ معیوب می شود.3 ) ویژگی های مکانیکی پوشش هائی که معمولا از جنس P – Ni می باشد، توسط عملیات گرمائی تحت تاثیر قرار
می گیرد. آنیلینگ در دمای 350 درجه ی سانتی گراد برای 1 ساعت، سختی را از 643 تا 760 ویکرز افزایش می دهد.هم چنین داکتیلیتی نیز به آرامی توسط عملیتا گرمائی کاهش می یابد. افزایش در سختی و کاهش داکتیلیتی به
ته نشینی ذرات P ₃Ni و کریستاله شدن Ni ریز در طول تغییر فاز، نسبت داده می شود. اثر سختی ذرات P ₃Ni ریز نتیجه ای از استحکام بالای آنها و مدول برشی بالا فرض می شود. هنگام آنیلینگ در 700 درجه ی سانتی گراد برای 1 ساعت، سختی به 950 ویکرز افزایش می یابد که نتیجه ی شمار زیادی از ذرات P ₃Ni است. با وجودی که سختی با عملیات پیش گرمایش افزایش می یابد، استحکام چسبندگی کاهش می یابد. کاهش در چسبندگی ممکن است به چند فاکتور وابسته باشد. اولا، با افزایش دما، ضریب های انبساط گرمائی مختلف بین فیلم Ni و لایه ی فولاد باعث انقباض حجمی در رسوب ته نشین می شود. دوما کریستالیزاسیون همراه احیای ناحیه ی سطحی مرز دانه های Ni، خاصیت چسبندگی را در آبکاری نیکل پائین می آورد. هر دو این فاکتور ها ممکن است باعث پوسته شدن موضعی و خرابی جزئی پوشش دهی در تست PeeI باشند. عده ای از محققین کاهش در چسبندگی آبکاری الکترولس Ni را به ته نشینی یا رسوب گذاری ذرات P ₃Ni در طی آنیلینگ ارتباط داده اند. افزایش هدایت الکتریکی هنگام آنیلینگ که احتمالا نتیجه ای از رفع عناصر محلول جامد از زمینه Ni توسط تشکیل رسوب های P ₃Ni است. بنابراین به نظر می رسد که مقدار P رسوبی موجود در محلول در پوشش دهی بعد از آنیلینگ در 700 درجه ی سانتی گراد، کمتر از غلظت آن در نمونه های دیگر است.4 ) عملیات های حرارتی گفته شده، یک ساختار بی شکل را متبلور می کنند و حاصل تشکیل رسوب های شیمیائی P ₃Ni است که مقاومت به خوردگی را کاهش می دهند. ته نشینی ذرات P ₃Ni و کریستالیزاسیون، احتمالا عامل هائی برای کاهش مقاومت به خوردگی پوشش های عملیات گرمائی شده هستند. در 700 درجه ی سانتی گراد، آنیلینگ به تشکیل یک لایه ی آنتی فرو مغناطیس به عنوان یک لایه ی اضافی روی سطح پوشش منجر می شود و این لایه، یک رژیم اثرناپذیر پایدار در محلول کلراید فراهم می کند.دو تن از محققین به نام های Raicheff و Zaprianova پیشنهاد کردند که مقاومت خوردگی خوب پوشش الکترولس بی شکل p – Ni به علت ساختار هموژن آنها و فقدان مرزدانه ها، نابه جا ئیها، کینگ ها و دیگر عیوب است. گذشته از این فیلم شیشه ای، سطح را passive می کند. وقتی که P – Ni روی Mn 25 – Fe که در 350 درجه ی سانتی گراد آنیل شده، پوشش داده می شود، مقاومت به خوردگی کاهش می یابد ولی جریان خوردگی افزایش می یابد ( ²cm / mA 19 = _corr I ) . این می تواند به تشکیل ذرات P ₃Ni در این قبیل دماها نسبت داده شود که در این تبدیل، محتوای فسفر در مواد باقیمانده کاهش می یابد. به علاوه، حضور ذرات P ₃Ni ، سلول های خوردگی passive / active می سازد.

کاربرد

برای استفاده در قطعات خودرو، فولاد های پر منگنز TWIP به دلیل جذب انرژی خیلی بالا که بیشتر از 2 برابر فولاد های استحکام بالای مرسوم است، مورد توجه اند. از زمانی که فولاد های استحکام بالا مطرح شده اند، کاهش وزن در صنعت خودرو بسیار مهم به شمار می آید. پس استفاده از فولاد های پیشرفته ی استحکام بالا، هم برای محدود کردن جرم و هم برای کاهش هزینه ی تولید بهتر است.

منابع

Papers:1 )Corrosin behavior of High-Mn Twip steels with , A.S.Hamada and L.P.Karjalainen , university of oulu2 )On the mechanism of twin formation in Fe-Mn-C Twip steels , H.Idrissi , K.Renard , L.Ryelandt , D.Schryvers , P.J.Jasques , university of Antwerp , 20103 )Manufacturing and mechanical properties and corrosion behavior of High-Mn Twip steels , A.S.Hamada , university of oulu ,20074) )Tensile deformation behavior of high manganese austenitic steel , S.M.monir-Vaghefi5 )An investigation to the effect of temperature on the hot deformation behavior of High-Mn Twip steels , M.sabet , A.zarei-Hanzaki6 )The rule of strain rate in hot deformation behavior of Twip steels , J.Hajkazemi , A.Zarei-Hanzaki7 )Deformation mechanisms in High-AL bearing High-Mn Twip steels in hot compressionand in tension at low temperatures , A.S.hamada.8 )The influence of AL on hot deformation behavior and tensile properties of High-Mn Twip steels , A.S.Hamada , L.P.Karjalainen , M.C.Somanibooks9 )High-Mn Twip steels for automotive Applications , B.C.De cooman , Kwang-geun chin , Jinkyung kim , university of south korea10 )Mechanical behavior of materials , Meyers11 )Physical metallurgy principles , Reed-Hill , Robert E12 )Mechanical metallurgy , George E. Dieter

با عرض پوزش که فرمول ها نیافتاده اند.