استخراج نمودار سرد شدن پیوسته ( دیاگرام CCT ) و بررسی های ریز ساختاری فولاد AISI 4340

چکیده
کنترل خواص مکانیکی فولاد در دماهای بالا از اهمیت به سزائی برخوردار است. تحت شرایط عملیات حرارتی در دماهای بالا استحاله های متعددی رخ داده که ممکن است آسیب های جدی بر قطعه وارد کند.

دیاگرام CCT امکان پیش بینی فازهای تشکیل شده تحت شرایط مختلف عملیات حرارتی را به وجود می آورد، بدین ترتیب امکان کنترل خواص مکانیکی و بهبود آن افزایش می یابد. در تحقیق اخیر با استفاده از دستگاه دیلاتومتری مدل 805 A/D نمونه های فولاد AISI 4340 را از دمای آستنیته با زمان های مختلف کنترل شده به صورت پیوسته سرد کرده و رفتار دیلاتومتری نمونه ها را به وسیله دیاگرام های دیلاتومتری رسم شده به وسیله دستگاه مورد بررسی قرار دادیم. استحاله های فازی مورد ارزیابی قرار گرفتند و دیاگرام CCT این فولاد با استفاده از اطلاعات دیاگرام های مذکور به وسیله دستگاه ترسیم گردید. بررسی های ریز ساختاری تشکیل فازهای مختلف را مورد تائید قرار می دهند.
مقدمه
فولاد AISI 4340 اغلب به صورت ساختار کوئنچ تمپر با زمینه مارتنزیتی مورد استفاده قرار می گیرد زیرا در این حالت دارای استحکام و تافنس قابل قبولی می باشد[1]. لازم به ذکر است این فولاد در محدوده دمایی بخصوصی نسبت به شکنندگی بسیار حساس است[3-2]. تکنیک دیلاتومتری کاربرد وسیعی در مطاله رفتار استحاله فولاد در طول دوره گرمایش و یا سرمایش پیوسته و نگهداری به صورت ایزوترمال دارد. دیاگرام های دیلاتومتری در کاربردهای متالورژی همانند عملیات حرارتی و جوشکاری ارزش فراوانی داشته به طوری که یکی از روش ها جهت تعیین خصوصیات فولادها در فرآیندهای عملیات حرارتی می باشد[4]. جهت دستیابی به خواص مکانیکی مطلوب و جلوگیری از تشکیل فازهای ناخواسته استفاده از دیاگرام CCT راه حلی بسیار مفید به نظر می رسد. برای تولید کنندگان فولاد در اختیار داشتن دیاگرام CCT مشخصه فولاد تولیدی بسیار با اهمیت می باشد زیرا با استفاده از آن امکان بررسی تحولات ریز ساختاری، استحاله های فازی، دماهای بحرانی و خواص مکانیکی فولاد خود را خواهند داشت و با طراحی سیکل های دقیق به ریز ساختار و خواص مکانیکی مورد نظر خریدار دست می یابند[5].
روش تحقیق
در این تحقیق با اعمال سیکلهای حرارتی شامل آستنیته در دمای 900 درجه سانتی گراد و سرد شدن پیوسته در زمان های متفاوت رفتار دیلاتومتری بررسی شد. از یک دستگاه دیلاتومتر805A/D مجهز به دو پمپ تولید کننده خلا ، کویل مسی جهت ایجاد گرمایش القائی ، دستگاه اندازه گیری تغییرات ابعادی با دقت بالا ، محفظه اتمسفر کنترل شده و با قابلیت انجام آزمایشات ترمو مکانیکال استفاده شد. (شکل(1)و(2))

شکل (۱): نمایی از دستگاه دیلاتومترDIL ۸۰۵ A/D.

شکل (۲): نمایی ازسیم پیچ مسی جهت تولید گرما به روش القائی.

شکل (۳): منحنی دیلاتاسیون نمونه آستنیته شده در ۹۰۰ درجه سانتی گراد به مدت ۱۰ دقیقه و سپس به شکل پیوسته
سرد شده در1 دقیقه تا دمای اتاق.

شکل (۴): منحنی CCT اختصاصی فولاد AISI ۴۳۴۰ که محدوده دمایی استحاله های نفوذی دما بالا، میانی و برشی را نمایش می دهد.

نمونه ها به شکل استوانه با قطر ۴ (میلی متر) و ارتفاع۱۰ (میلی متر) از جنس فولاد AISI ۴۳۴۰ تهیه گردیدند. نمونه ها سپس در دمای ۹۰۰ درجه سانتی گراد آستنیته و به ترتیب در زمانهای ۱ و ۱۰ و ۳۰ (دقیقه) و ۲ و ۵ (ساعت) سرد گردیدند. در مورد هر نمونه در حین گرمایش و سرمایش تحولات فازی از طریق مشاهده تغییرات دیلاتاسیون نمونه ثبت گردید. استحاله های فازی به صورت تغییرات شدید در شیب انبساط یا انقباض شناسائی و مورد ارزیابی قرار گرفتند. دماهای شروع و پایان استحاله های نفوذی دما بالا و استحاله های بینیتی میانی و نیز استحاله های برشی مارتنزیتی به کمک امکانات نرم افزاری دستگاه تعیین گردیدند. همچنین زمان های مربوط به شروع و پایان استحاله ها تعیین شد. بر اساس این اطلاعات دیاگرام CCT مربوط به فولاد مورد نظر ترسیم شد.
بررسی های ریز ساختاری به کمک میکروسکوپ نوری در جهت شناسائی فازهای تشکیل شده به روش کیفی و نیز تعیین درصد کمی فازها با تکنیک شمارش نقطه ای انجام گرفت، در شکل های (5) و (6) دو نمونه ازریز ساختار های مشاهده شده توسط میکروسکوپ نوری نمایش داده شده است. ریز سختی سنجی در مورد هر یک از فازهای تشکیل شده انجام گرفت، نتایج بررسی های کیفی را مورد تائید قرار دهد. در جدول (2) توصیف های ریز ساختاری و نتایج ریز سختی سنجی برای نمونه های آزمایش شده موجود می باشد. به این ترتیب نتایج ارزیابی های ماکروسختی و میکروسختی در نهایت بر روی دیاگرام CCT ترسیم شده اعمال گردید.
نتایج و بحث :
ترکیب شیمیایی فولاد AISI 4340 که با استفاده از کوانتومتری به دست آمد، در جدول (3) ارائه شده است. نمونه ای از دیاگرام های حاصل از انجام عملیات دیلاتومتری در تحقیق حاضر در شکل (3) نمایش داده شده است. در این دیاگرام منحنی تغییرات ابعادی و دما بر حسب زمان برای سیکل های اعمال شده مشخص می شود، به طوری که در حالت گرمایش انبساط نسبی و در هنگام سرمایش انقباض به وجود می آیدو شروع هر گونه استحاله باعث تغییر محسوسی در شیب منحنی دیلاتاسیون و در ادامه با تغییر مجدد در شیب منحنی پایان استحاله مذکور مشخص می شود. با انجام بررسی های دقیق بر روی منحنی های دیلاتاسیون، دماها و زمان های شروع و پایان استحاله تعیین شده و نهایتاً منجر به استخراج منحنی CCT فولاد مربوطه شد.

شکل (۵): ریز ساختار نمونه سرد شده در مدت ۱ دقیقه. ساختار کاملا مارتنزیتی (بشقابی) همراه با پدیده باندینگ به صورت بسیار کم.
محلول اچ نایتال 2 درصد و بزرگنمایی 200X.

در دیاگرام ارائه شده در شکل (۳) شروع استحاله آستنیتی با تغییر شیب منحنی دیلاتاسیون در دمای ۷۱۹ درجه سانتی گراد و پایان آن در دمای ۸۰۹ درجه سانتی گراد تعیین شد. در هنگام سرمایش نمونه در مدت زمان ۱ دقیقه شروع استحاله مارتنزیتی در دمای ۲۸۶ درجه سانتی گراد تعیین شد. در ادامه به منظور دستیابی به دمای پایان استحاله مارتنزیتی لازم است نمونه ها تا دمای زیر صفر سرد شوند، که به این منظور از تجهیزات مخصوصی استفاده می شود که بر روی دستگاه نصب می شوند و این امکان را فراهم می آورند. به همین ترتیب دما و زمان شروع و پایان کلیه استحاله ها با بررسی تغییرات شیب دیاگرام ها تعیین می شود[۷-۶].

شکل (۶): ریز ساختار مربوط به نمونه سرد شده در مدت ۵ ساعت. عمدتا پوشیده از بینیت کلاسیک به همراه اندکی کمتر از ۱۰ درصد فریت به صورت فاز روشن.
محلول اچ نایتال 2 درصد و بزرگنمایی 1000X.

در جدول (۱) دماها و زمان های شروع و پایان استحاله های آستنیتی در سرعت های سرمایش متفاوت و استحاله بینیتی ( در محدوده دمایی ۳۵۰-۶۰۰ در جه سانتی گراد) و استحاله های مارتنزیتی ( در محدوده دمایی زیر ۳۵۰ درجه سانتی گراد ) ارائه گردیده است.
دیاگرام CCT امکان شناسائی دما و زمان شروع و پایان تحولات ریز ساختاری را تحت سرمایش پیوسته نمونه از دمای آستنیته را به وجود می آورد. درشکل (4) دیاگرام CCT مشخصه فولاد AISI 4340 که در این کار تحقیقی استخراج گردید، نمایش داده شده است. در این دیاگرام محدوده فازهای دما بالا (فریت)، دما میانی (بینیت) و دما پایین (مارتنزیت) نمایش داده شده است. لازم به ذکر است اطلاعات ریز سختی سنجی و ماکروسختی به دست آمده در دیاگرام ارائه گردیده است. با توجه به شکل (8) و (9) با افزایش زمان سرد شدن مقادیر ریز سختی و ماکروسختی کاهش یافته است و طبق شکل (7) با افزایش زمان سرد شدن درصد ریز ساختار های دما بالادر نمونه ها افزایش یافته است.

شکل (۷): تغییرات درصد ریز ساختار در زمان های سرد شده.

شکل (۸): تغییرات مقادیر ریز سختی در زمان های سرد شده.

بنابر این می توان اسنباط کرد، هر چه زمان سرد شدن نمونه ها افزایش یابد، میزان سختی کمتر می شود. دلیل این امر تشکیل فازهای نفوذی، نظیر فریت با افزایش در زمان سرد شدن می باشد. از آنجایی که استحاله های دما بالا نسبت به استحاله های دما میانی و دما پایین دارای سختی کمتری می باشند، تشکیل این فازها باعث افت سختی می شود.

نتیجه گیری
۱. دما و زمان شروع و پایان استحاله آستنیتی در فولاد مذکور در نمونه های آزمایش شده به ترتیب در محدوده دمایی ۶۴۰.۶-۸۱۷ درجه سانتی گراد و ۱۳۲-۲۹۸ ثانیه به دست آمد.
2. محدوده استحاله بینیتی در نمونه های سرد شده به ترتیب در دما و زمان 326-486 درجه سانتی گراد و 5400-1362 ثانیه به دست آمد.
۳. محدوده شروع استحاله مارتنزیتی در نمونه های سرد شده به ترتیب در دما و زمان ۲۷۸-۲۹۸ درجه سانتی گراد و۵۸۹۲-۱۱۲۰ ثانیه به دست آمد.
4. محدوده استحاله فریتی در نمونه های سرد شده به ترتیب در دما و زمان 636 - 709درجه سانتی گراد و 2280-2951 ثانیه به دست آمد.
۵. منحنی CCT مشخصه برای فولاد AISI ۴۳۴۰ استخراج گردید.
6. با افزایش زمان سرمایش میزان سختی کاهش می یابد.

شکل(۹): نتایج آزمایش های ماکروهاردنس برای فولاد AISI ۴۳۴۰ در زمان های سرد شدن مختلف.

تشکر و قدردانی
در نهایت از همکاری و مساعدت بی دریغ مدیریت شرکت تولیدی فولاد اصفهان جناب آقای محمد علی رفیعیان و پرسنل محترم آن شرکت کمال تشکر و قدردانی به عمل می آید.

مراجع و منابع
[۱] A.R. Rosenfield, G.T. Hahn, "Effect of cold work on mechanical properties of high strength ferrous alloys", Trans. ASM ۵۹ (۱۹۶۶) ۹۶۲-۹۷۰.
[2] M.F. Carlson, B.V. Narasimha, G. Thomas, "The effect of austenitizing temperature upon the microstructure and mechanical properties of experimental Fe:Cr:C steel", Metall. Trans. 10A (1979) 1273-1281.
[۳] M.F. Chai, C. Laird, "Mechanisms of cyclic softening and cyclic creep in low carbon steel", Mater. Sci. Eng. ۹۳ (۱۹۸۷) ۱۵۹-۱۷۴.
[4] C.Garcia Andres , F.G.Gaballero.Cpdevila, L.F.Alvarez ,"Application of Dilatometry Analysisto The Study of Solid،Solid phase Transfomation in Steel"Departmant of physical metallurgy, CENIM, 48(2002) , PP 101. ،111.
[۵] J. J. Wits et al., "A Study on the Austenite to Fen-ite Phase Transformation in Binary Substitutional Iron Alloys", Materials Science and Eng., A۲۸۳, PP۲۳۴-۳۴۱, ۲۰۰۰.
[6] Baehr H., Stafflage J.. "Dilatometer 805 A/D Technical Data" , Baehr- ThermoAnalyse GmbH. Postfech 1105". D-32603 Hullhorst , 2000,Germany.
[۷] Baehr H., Stafflage J., "Dilatometer ۸۰۵ A/D Technical Data". Maintenance and Application CD . Baehr- ThermoAnalyse GmbH, Postfech ۱۱۰۵, D-۳۲۶۰۳ Hullhorst ,۲۰۰۰. Germany.

مهندس محمد نره ای
شرکت تولیدی فولاد اصفهان
Mohammad_a1000@yahoo.com