بررسی رفتار کششی غیرمتعارف فولاد کم آلیاژ کم کربن DIN 16MnCr5 در حالت دو فازی فریتی-مارتنزیتی در مقایسه با شرایط تمام مارتنزیتی

محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

حمید رضا پاک‌زمان ¹ (دانشکده مهندسی معدن و متالورژی، بخش مهندسی مواد، دانشگاه یزد، یزد، ایران)
سید صادق قاسمی بنادکوکی ² (دانشکده مهندسی معدن و متالورژی، بخش مهندسی مواد، دانشگاه یزد، یزد، ایران)

تاریخ دریافت : 1398/12/04 تاریخ پذیرش : 1399/10/22 تاریخ انتشار : 1399/09/01

کلید واژه: آنیل میان‌بحرانی, ریزساختار دوفازی فریتی-مارتنزیتی, ریزساختار تمام مارتنزیتی, خواص کششی, ترکیب استحکام و انعطاف‌پذیری,

چکیده مقاله :

در این پژوهش، ریزساختارها و خواص مکانیکی فولاد کم آلیاژ 16MnCr5 DIN در حالت دوفازی فریتی-مارتنزیتی (با کسر حجمی مختلف مارتنزیت) در مقایسه با شرایط تمام مارتنزیتی مورد بررسی قرار گرفت. برای ایجاد ریزساختارهای دوفازی، نمونه‌های فولادی در دماهای میان‌بحرانی مختلفی از 740 تا ˚C 840 به مدت 60 دقیقه حرارت داده شده و سپس در آب کوئنچ شدند. برای ایجاد ریزساختار تمام مارتنزیتی، نمونه‌ها پس از آستنیته شدن در دمای ˚C 900 به مدت 60 دقیقه، بلافاصله در آب کوئنچ گردیدند. برای بررسی و مقایسه ریزساختار و خواص مکانیکی نمونه‌ها از میکروسکوپ الکترونی روبشی مجهز به آنالیزگر EDS، پراش اشعه ایکس و آزمون‌های کشش و میکروسختی سنجی استفاده شد. نتایج متالوگرافی نشان داد با افزایش دمای آنیل میان‌بحرانی از 740 به ˚C 840، کسر حجمی مارتنزیت (Vm) از 23 به 87% افزایش می‌یابد. مقایسه خواص مکانیکی نمونه‌های دوفازی نشان داد که با افزایش Vm از 23 تا 87%، رفتار کششی غیرمتعارفی در 73%= Vmایجاد شد به طوری که نمونه‌های دوفازی فریتی-مارتنزیتی در مقایسه با نمونه‌های تمام مارتنزیتی از قابلیت جذب انرژی (حاصل‌ضرب استحکام کششی در ازدیاد طول یکنواخت) به مراتب بالاتری برخوردار می‌باشند. این اصلاح شگرف در خواص مکانیکی نمونه‌های دوفازی ناشی از اثرات سخت‌گردانی متفاوت فازهای فریت و مارتنزیت در اثر برهمکنش بین آنها می‌باشد. با افزایش Vm از 23 تا 87%، میکروسختی مارتنزیت به طور پیوسته از 717 به HV10g 471 کاهش می‌یابد؛ در حالیکه میکروسختی فاز فریت در 73%= Vmبه پیک سخت‌گردانی خود می‌رسد.

چکیده انگلیسی:

In this research, the microstructures and mechanical properties of DIN 16MnCr5 low alloy steel under ferrite-martensite dual-phase (with various martensite volume fraction) were compared to full martensitic condition. Dual-phase microstructures were developed by inter-critical annealing. For this purpose, the samples were heated at various inter-critical temperatures (from 740 to 840 °C) for 60 minutes and then water quenching to room temperature. Also, to develop full martensitic microstructure, steel samples were immediately quenched in water after austenitization at 900 ˚C for 60 minutes. The microstructure and mechanical properties of the specimens were analyzed by scanning electron microscope equipped with EDS analyzer, X-ray diffraction and tensile and microhardness tests, respectively. Metallographic observations showed that by increasing the inter-critical annealing temperature from 740 to 840 °C, the martensite volume fraction (Vm) increased from 23 to 87%. Comparison of mechanical properties of dual-phase samples showed that by increasing Vm from 23% to 87%, there was an abnormal tensile behavior at Vm=73%, so that the energy absorption capability (product of tensile strength and uniform elongation) for ferrite-martensite dual-phase samples is much higher than to full martensitic samples. This remarkable modification in the mechanical properties of the dual-phase samples is due to the different hardening responses of the ferrite and martensite microconstituents because of the interaction between them. By increasing the Vm from 23 to 87%, the martensite microhardness decreased continuously from 717 to 471 HV10g, while the ferrite microhardness showed a peak value at Vm=73%.

منابع و مأخذ:

[1]        J. Zhao, Z. Jiang, ''Thermomechanical Processing of Advanced High Strength Steels'', Progress in Materials Science, Vol. 94, pp. 174-242, 2018.         

[2]        Q. Lai, O. Bouaziz, M. Gouné, L. Brassart, M. Verdier, G. Parry, A. Perlade, Y. Bréchet, T. Pardoen, ''Damage and Fracture of Dual-Phase Steels: Influence of Martensite Volume Fraction'', Materials Science and Engineering A, Vol. 646, pp. 322-331, 2015.

[3]        H. Ashrafi, M. Shamanian, R. Emadi, N. Saeidi, ''A Novel and Simple Technique for Development of Dual Phase Steels with Excellent Ductility'', Materials Science and Engineering A. Vol. 680, pp. 197-202, 2017.           

[4]        N. Fonstein, Advanced High Strength Sheet Steels: Physical Metallurgy, Design, Processing, and Properties, 1st ed., p. 3, Springer, Switzerland, 2015.           

 [5]       G. Rosenberg, I. Sinaiova, L. Juhar, '' Effect of Microstructure on Mechanical Properties of Dual Phase Steels in the Presence of Stress Concentrators'', Materials Science and Engineering A, Vol. 582, pp. 347-358, 2013.

 [6]       م. پورانوری، پ. مرعشی، "تغییر حالت شکست از فصل مشترکی به محیطی در جوش‌های مقاومتی نقطه‌ای مشابه و نامشابه فولاد دوفازی DP600 و فولاد کم کربنAISI1008 "، مجله مواد نوین، جلد 2، شماره 4، ص 15-29، تابستان 1391. 

[7]        E. Fereiduni, S. S. Ghasemi Banadkouki, ''Ferrite Hardening Response in a Low Alloy Ferrite–Martensite Dual Phase Steel'', Journal of Alloys and Compounds, Vol. 589, pp. 288-294, 2014.

[8]        Y. Mazaheri, A. Kermanpur, A. Najafizadeh, ''Microstructures, Mechanical Properties, and Strain Hardening Behavior of an Ultrahigh Strength Dual Phase Steel Developed by Intercritical Annealing of Cold-Rolled Ferrite/Martensite'', Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 46, pp. 3052-3062, 2015.    

[9]        E. Fereiduni, S. S. Ghasemi Banadkouki, '' Reliability/Unreliability of Mixture Rule in a Low Alloy Ferrite–Martensite Dual Phase Steel'', Journal of Alloys and Compounds, Vol. 577, pp. 351-359, 2013.   

[10]      A. Bag, K. K. Ray, E. S. Dwarakadasa, '' Influence of Martensite Content and Morphology on Tensile and Impact Properties of High-Martensite Dual-Phase Steels'', Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 30A, pp. 1193-1202, 1999.    

[11]      P. Movahed, S. Kolahgar, S. P. H. Marashi, M. Pouranvari, N. Parvin, ''The Effect of Intercritical Heat Treatment Temperature on the Tensile Properties
and Work Hardening Behavior of Ferrite–Martensite Dual Phase Steel Sheets'', Materials Science and Engineering A, Vol. 518, pp. 1-6, 2009.        

[12]      م. کاشفی، ص. قاسمی بنادکوکی، "مقایسه ریزساختار و رفتار مکانیکی فولاد Mo40 در شرایط دوفازی فریتی- مارتنزیتی و کوئنچ مستقیم بازگشت داده شده"، مجله مواد نوین، جلد 9، شماره 1، ص 77-87، پاییز 1397.        

[13]      G. R. Speich, V. A. Demarest, R. L. Miller, ''Formation of Austenite During Intercritical Annealing of Dual-Phase Steels'', Metallurgical Transactions A, Vol. 12A, pp. 1419-1428, 1981.

[14]      A. Ebrahimian, S. S. Ghasemi Banadkouki, ''Mutual Mechanical Effects of Ferrite and Martensite in a Low Alloy
Ferrite-Martensite Dual Phase Steel'', Journal of Alloys and Compounds, Vol. 708, pp. 43-54, 2017.        

[15]      م. رشیدی، م. ع. بوترابی، "اثر پارامترهای عملیات حرارتی دوفازی‌سازی بر ریزساختار چدن نشکن آلومینیوم‌دار، مجله مواد نوین، جلد 4، شماره 2، ص 67-78، زمستان 1392.

[16]      R. G. Davies, ''Influence of Martensite Composition and Content on the Properties of Dual Phase Steels'', Metallurgical Transactions A, Vol. 9A, pp. 671-679, 1978. 

[17]      Handbook Committee, Alloy Phase Diagrams, p. 527, ASM International, USA, 1992.    

[18]      A. P. Pierman, O. Bouaziz, T. Pardoen, P. J. Jacques, L. Brassart, ''The Influence of Microstructure and Composition on the
Plastic Behaviour of Dual-Phase Steels'', Acta Materialia, Vol. 73, pp. 298-311, 2014.

[19]      A. H. Jahanara, Y. Mazaheri, M. Sheikhi, ''Correlation of Ferrite and Martensite Micromechanical Behavior with Mechanical Properties of Ultrafine Grained Dual Phase Steels'', Materials Science and Engineering A, Vol. 764, pp. 138206, 2019. 

[20]      ع. یزدی زاده خلیلی، ص. قاسمی بنادکوکی، ح. ر. کریمی زارچی، م. مصلایی‌پور، "بررسی تأثیر نامتعارف میکروساختارهای دوفازی فریتی-بینیتی بر اصلاح خواص مکانیکی فولاد کم‌آلیاژ Mo40 در مقایسه با شرایط تمام بینیتی"، مجله مواد نوین، جلد 10، شماره 1، ص 133-147، پاییز 1398.        

[21]      G. Krauss, Steels: Processing, Structure, and Performance, 2nd ed., p. 488, ASM International, Ohio, 2015.

[22]      H. Bhadeshia, "A Rationalisation of Shear Transformations in Steels", Acta Metallurgica, Vol. 29, pp. 1117-1130, 1981.

[23]      S. S. Ghasemi Banadkouki, E. Fereiduni, "Effect of Prior Austenite Carbon Partitioning on Martensite Hardening Variation in a Low Alloy Ferrite–Martensite Dual Phase Steel", Materials Science and Engineering A, Vol. 619, pp. 129-136, 2014.        

[24]      K. T. Park, S. Y. Han, B. D. Ahn, D. H. Shin, Y. K. Lee, K. K. Um, ''Ultrafine Grained Dual Phase Steel Fabricated by Equal Channel Angular Pressing and Subsequent Intercritical Annealing'', Scripta Materialia, Vol. 51, pp. 909-913, 2004.   

[25]      T. Sakaki, K. Sugimoto, T. Fukuzato, "Role of Internal Stress for Continuous Yielding of Dual-Phase Steels'', Acta Metallurgica, Vol. 31, pp. 1737-1746, 1983.   

[26]      H. Ghassemi-Armaki, R. Maaß, S. P. Bhat, S. Sriram, J .R. Greer, K. S. Kumar, ''Deformation Response of Ferrite and Martensite in a Dual-Phase Steel'', Acta Materialia, Vol. 62, pp. 197-211, 2014.

[27]      M. Mazinani, W. J. Poole, ''Effect of Martensite Plasticity on the Deformation Behavior of a Low-Carbon Dual-Phase Steel'', Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 38A, pp. 328-339, 2007.      

[28]      Y. L. Kang, Q. H. Han, X. M. Zhao, M. H. Cai ''Influence of Nanoparticle Reinforcements on the Strengthening Mechanisms of an Ultrafine-Grained Dual Phase Steel Containing Titanium'', Materials and Design, Vol. 44, pp. 331-339, 2013.  

[29]      J. Kadkhodapour, A. Butz, S. Ziaei Rad, ''Mechanisms of Void Formation During Tensile Testing in a Commercial, Dual-Phase Steel'', Acta Materialia, Vol. 59, pp. 2575-2588, 2011.

[30]      H. Ashrafi, M. Shamanian, R. Emadi, N. Saeidi, ''Correlation of Tensile Properties and Strain Hardening Behavior with Martensite Volume Fraction in Dual-Phase Steels'', Transactions of the Indian Institute of Metals, Vol. 70, pp. 1575-1584, 2017.           

[31]      S. Sodjit, V. Uthaisangsuk, ''Microstructure Based Prediction of Strain Hardening Behavior of Dual Phase Steels'', Materials and Design, Vol. 41, pp. 370-379, 2012.    

[32]      C. Y. Chen, C. H. Li, T. C. Tsao, P. H. Chiu, S. P. Tsai, J. R. Yang, L. J. Chiang, S. H. Wang, ''A Novel Technique for Developing a Dual-Phase Steel with a Lower Strength Difference Between Ferrite and Martensite'', Materials Today Communications, Vol. 23, In Press, 2020.

[33]      Y. Mazaheri, A. Kermanpur, A. Najafizadeh, N. Saeidi, ''Effects of Initial Microstructure and Thermomechanical Processing Parameters on Microstructures and Mechanical Properties of Ultrafine Grained Dual Phase Steels'', Materials Science and Engineering A, Vol. 612, pp. 54-62, 2014.        

[34]      M. Calcagnotto, Y. Adachi, D. Ponge, D. Raabe, ''Deformation and Fracture Mechanisms in Fine- and Ultrafine-Grained Ferrite/Martensite Dual-Phase Steels and the Effect of Aging'', Acta Materialia, Vol. 59, pp. 658-670, 2011.           

[35]      Y. I. Son, Y. K. Lee, K. T. Park, C. S. Lee, D. H. Shin, ''Ultrafine Grained Ferrite Martensite Dual Phase Steels Fabricated via Equal Channel Angular Pressing: Microstructure and Tensile Properties'', Acta Materialia, Vol. 53, pp. 3125-3134, 2005.           

[36]      N. Saeidi, F. Ashrafizadeh, B. Niroumand, ''Development of a New Ultrafine Grained Dual Phase Steel and Examination of the Effect of Grain Size on Tensile Deformation Behavior'', Materials Science and Engineering A, Vol. 599, pp. 145-149, 2014.

[37]      J. Zhang, H. Di, Y. Deng, R. D. K. Misra, ''Effect of Martensite Morphology and Volume Fraction on Strain Hardening and Fracture Behavior of Martensite–Ferrite Dual Phase Steel'', Materials Science and Engineering A, Vol. 627, pp. 230-240, 2015.

[38]      A. Ghatei Kalashami, A. Kermanpur, A. Najafizadeh, Y. Mazaheri, ''Effect of Nb on Microstructures and Mechanical Properties of an Ultrafine-Grained Dual Phase Steel'', Journal of Materials Engineering and Performance, Vol. 24, pp. 3008-3017, 2015. 

[39]      E. Ahmad, T. Manzoor, M. M. A. Ziai, N. Hussain, ''Effect of Martensite Morphology on Tensile Deformation of Dual-Phase Steel'', Journal of Materials Engineering and Performance, Vol. 21, pp. 382-387, 2012.  

[40]      Y. G. Deng, H. S. Di, J. C. Zhang, ''Effect of Heat-Treatment Schedule on the Microstructure and Mechanical Properties of Cold-Rolled Dual-Phase Steels'', Acta Metallurgica Sinica, Vol. 28, pp. 1141-1148, 2015.  

[41]      E. Ahmad, T. Manzoor, N. Hussain, "Thermomechanical Processing in the Intercritical Region and Tensile Properties of Dual-Phase Steel", Materials Science and Engineering A, Vol. 508, pp. 259-265, 2009.           

[42]      H. Azizi-Alizamini, M. Militzer, W. J. Poole, "Formation of Ultrafine Grained Dual Phase Steels through Rapid Heating", ISIJ International, Vol. 51, pp. 958-964, 2011.