بررسی ریزساختار، خواص کششی و بافت فولاد دوفازی استحکام بالای تولید شده توسط عملیات نورد سرد و آنیل بین بحرانی

محورهای موضوعی : فرآیندهای شکل دهی فلزات و ترمومکانیکال

حمید اشرفی ^{1 *} , ایمان حاجیان نیا ²

1 - استادیار، دانشکده مهندسی شیمی و مواد، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران.
2 - دکترای مهندسی مواد، گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه فنی و حرفه‌ای، تهران، ایران.

تاریخ دریافت : 1403/08/18 تاریخ پذیرش : 1403/10/17 تاریخ انتشار : 1404/06/24

کلید واژه: فولاد دوفازی, ریزساختار, خواص کششی, بافت,

چکیده مقاله :

در این پژوهش ریزساختار، خواص کششی و بافت یک فولاد دوفازی استحکام بالا مورد بررسی قرار گرفت.  ابتدا شمش یک فولاد کم کربن دارای منگنز و سیلسیم توسط ذوب القایی در خلاء تولید و سپس تحت عملیات نورد گرم قرار گرفت. در ادامه، عملیات نورد سرد انجام شد و ورق نورد سرد شده دردمای 780 درجه سانتیگراد به مدت 360 ثانیه تحت عملیات آنیل بین بحرانی قرار گرفت و در آب کوئنچ شد. ریزساختار و بافت فولاد تولید شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و تفرق الکترون برگشتی مورد بررسی قرار گرفت. به منظور ارزیابی خواص کششی فولاد تولید شده از آزمون کشش تک محوره استفاده شد. نتایج نشان داد که ریزساختار فولاد تولید شده شامل جزایر به هم پیوسته مارتنزیتی با کسر حجمی 62% در یک زمینه فریتی با متوسط اندازه دانه 7/1 میکرون است. این ریزساختار منجر به حصول استحکام کششی فوق العاده بالای 1265 مگاپاسکال و حاصلضرب استحکام کششی در ازدیاد طول یکنواخت 13622 مگاپاسکال درصد شد. بررسی رفتار کارسختی فولاد دوفازی تولید شده برمبنای آنالیز کروسارد – جول اصلاح شده نشان دهنده یک رفتار کارسختی سه مرحله‌ای بود. بررسی‌های تفرق الکترون برگشتی نشان داد که نورد سرد منجر به تشکیل بافتی شامل رشته a قوی و رشته g متوسط شده است. پس از آنیل بین بحرانی، رشته a به شدت ضعیف شد در حالی که شدت رشته g اندکی افزایش یافت. مولفه اصلی بافت در فولاد نورد سرد شده [110](001) بود، در حالی که بافتی نزدیک به [112](111) در مورد فولاد دوفازی مشاهده شد.

 

چکیده انگلیسی:

In this study, the microstructure, tensile properties, and texture of a high-strength dual-phase (DP) steel were investigated. Initially, a low-carbon steel containing manganese and silicon was produced by vacuum induction melting and then subjected to hot rolling. Subsequently, cold rolling was performed and the cold rolled sheet was intercritically annealed at a temperature of 780 °C for 360 seconds and quenched in water. The microstructure and texture of the produced steel were examined using scanning electron microscopy and electron backscatter diffraction (EBSD). Tensile properties of the produced steel were evaluated using uniaxial tensile testing. The results showed that the microstructure of the produced steel consisted of interconnected martensite islands with a volume fraction of 62% in a ferritic matrix with an average grain size of 7.1 microns. This microstructure resulted in an exceptionally high tensile strength of 1265 MPa and a tensile strength-uniform elongation balance of 13622 MPa%. Investigation of the work hardening behavior of the produced DP steel based on modified Crussard-Jaoul analysis indicated a three-stage hardness behavior. EBSD studies showed that cold rolling led to the formation of a texture consisting of strong α and moderate γ fibers. After intercritical annealing, the α fiber significantly weakened while the intensity of the γ fiber slightly increased. The main texture component in the cold rolled steel was (001)[110], while a texture close to (111)[112] was observed in the DP steel.

 

منابع و مأخذ:

[1] P. Dastur, C. Slater, T. Moore & C. Davis, "Martensite size and morphology influence on strain distribution and micro-damage evolution in dual-phase steels; comparing segregation-neutralised and banded grades", Materials & Design, vol. 246, p. 113340, 2024.

[2] J. Cui, K. Li, Z. Yang, Z. Wu & Y. Wu, "Investigation of effects of aluminum additions on microstructural evolution and mechanical properties of ultra-high strength and vanadium bearing dual-phase steels", J. Mater. Res. Technol, vol. 31, pp. 1117-1131, 2024.

[3] H. Ashrafi, M. Shamanian, R. Emadi & M. A. Sarmadi, "Effect of welding parameters on the microstructure and tensile properties of friction stir-welded DP600 steel", SAE Int. J. Mater. Manuf, vol. 12, pp. 165-177, 2019.

[4] M. S. Rashid, "Dual phase steels", Ann. Rev. Mater. Sci, vol. 11, pp. 245-266, 1981.

[5] M. Holscher, D. Raabe & K. Lu¨cke, "Rolling and recrystallization textures of bcc steels", Mater. Technol, vol. 62, pp. 567–575, 1991.

[6] E. Ohaeri, J. Szpunar, F. Fazeli & M. Arafin, "Hydrogen induced cracking susceptibility of API 5L X70 pipeline steel in relation to microstructure and crystallographic texture developed after different thermomechanical treatments", Mater. Charact, vol. 145, pp. 142-156, 2018.

[7] V. Javaheri, N. Khodaie, A. Kaijalainen, & D. Porter, "Effect of niobium and phase transformation temperature on the microstructure and texture of a novel 0.40% C thermomechanically processed steel", Mater. Charact, vol. 142, pp. 295–308, 2018.

[8] J. I. Omale, E. G. Ohaeri, A. A. Tiamiyu, M. Eskandari, K. M. Mostafijur & J. A. Szpunar, "Microstructure, texture evolution and mechanical properties of X70 pipeline steel after different thermomechanical treatments", Mater. Sci. Eng. A, vol. 703, pp. 477–485, 2017.

[9] Y. Weng, H. Dong & Y. Gan, "Advanced Steels: The Recent Scenario in Steel Science and Technology", Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Berlin, 2011.

[10] Z. G. Wang, A. M. Zhao, Z. Z. Zhao, J. Y. Ye, J. J. Chen & J. G. He, "Precipitation behavior and textural evolution of cold-rolled high strength deep drawing dual-phase steels", J. Iron Steel Res. Intl, vol. 20, pp. 61-68, 2013.

[11] S. H. Han, S. H. Choi, J. K. Choi, H. G. Seong & I. B. Kim, "Effect of hot-rolling processing on texture and r-value of annealed dual-phase steels", Mater. Sci. Eng. A, vol. 527, pp. 1686–1694, 2010.

[12] D. K. Mondal & R. K. Ray, "Development of {111} texture during cold rolling and recrystallization of a C-Mn-V dual-phase steel", Mater. Sci. Eng. A, vol. 158, pp. 147-156, 1992.

[14] P. Rao-Mondi, R. Madhavan, V. Subramanya-Sarma, & S. Sankaran, "Study of texture in ultra fine grained dual phase steel sheets", Mater. Sci. Forum, vol. 702-703, pp. 806-809, 2012.

[15] A. Ghatei-Kalashami, A. Kermanpur, E. Ghassemali, A. Najafizadeh & Y. Mazaheri, "The effect of Nb on texture evolutions of the ultrafine-grained dual-phase steels fabricated by cold rolling and intercritical annealing", J. Alloy Compd, vol. 694, pp. 1026-1035, 2017.

[16] B. Beausir & J. J. Fundenberger, "Analysis Tools for Electron and X-ray diffraction", ATEX—software, www.atex-software.eu, Universite´ de Lorraine - Metz, 2017.

[17] I. Hajiannia, M. Shamanian, M. Atapour, E. Ghassemali & N. Saeidi, "Development of ultrahigh strength TRIP steel containing high volume fraction of martensite and study of the microstructure and tensile behavior", Trans. Indian Inst. Met, vol. 71, pp. 1363–1370, 2018.

[18] Y. Mazaheri, A. Kermanpur, A. Najafizadeh & "A novel route for development of ultrahigh strength dual phase steels", Mater. Sci. Eng. A, vol. 619, pp. 1-11, 2014.

[19] M. Alibeyki, H. Mirzadeh, M. Najafi & A. Kalhor, "Modification of rule of mixtures for estimation of the mechanical properties of dual-phase steels", J. Mater. Eng. Perform, vol. 26, pp. 2683-2688, 2017.

[20] Q. Han, A. Asgari, P. D. Hodgson & N. Stanford, "Strain partitioning in dual-phase steels containing tempered martensite", Mater. Sci. Eng. A, vol. 611, pp. 90-99, 2014.

[21] Y. Mazaheri, A. Kermanpour & 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", Metal. Mater. Trans. A, vol. 46, pp. 3052-3062, 2015.

[22] A. G. Kalashami, A. Kermanpur, A. Najafizadeh & Y. Mazaheri, "Effect of Nb on microstructures and mechanical properties of an ultrafine-grained dual phase steel", J. Mater. Eng. Perform, vol. 24, pp. 3008-3017, 2015.

[23] H. Ashrafi, M. Shamanian, R. Emadi & N. Saeidi, "Correlation of tensile properties and strain hardening behavior with martensite volume fraction in dual-phase steels", Trans. Indian Inst. Met, vol. 70, pp. 1575–1584, 2017.

[24] R. E. Reed-Hill, W. R. Cribb & S. N. Monteiro, "Concerning the analysis of tensile stress-strain data using log dσ/dεp versus log σ diagrams", Metall. Trans, vol. 4, pp. 2665-2667, 1973.

[25] H. W. Swift, "Plastic instability under plane stress", J. Mech. Phys. Solids, vol. 1, pp. 1-18, 1952.

[26] Y. Najafi, Y. Mazaheri, Z. D. Ragheb & H. Daiy, "Multi-stage strain-hardening behavior of dual-phase steels: A review", J. Mater. Res. Technol, vol. 31, pp. 3860-3882, 2024.

[27] R. Joodaki, S. R. A. Zaree, K. Gheisari & M. Eskandari, "Effect of annealing treatments on the microstructure and texture development in API 5L X60 microalloyed pipeline steel", J. Mater. Eng. Perform, vol. 26, pp. 2003–2013, 2017.

[28] M. Eskandari, M. A. Mohtadi-Bonab & J. A. Szpunar, "Evolution of the microstructure and texture of X70 pipeline steel during cold-rolling and annealing treatments", Mater. des, vol. 90, pp. 618-627, 2016.

[29] L. A. I. Kestens & H. Pirgazi, "Texture formation in metal alloys with cubic crystal structures", Mater. Sci. Technol, vol. 32, pp 1303-1315, 2016.

[30] J. Y. Kang, H. C. Lee & S. H. Han, "Effect of Al and Mo on the textures and microstructures of dual phase steels", Mater. Sci. Eng. A, vol. 530, pp. 183-190, 2011.

متن کامل:



فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال نوزدهم –  شماره دوم –  تابستان 1404 (شماره پیاپی 73)، ص­ص. 25-33
	فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد ma.iaumajlesi.ac.ir

بررسی ریزساختار، خواص کششی و بافت فولاد دوفازی استحکام بالای تولید شده توسط عملیات نورد سرد و آنیل بین بحرانی

مقاله پژوهشی

 حمید اشرفی۱*، ایمان حاجیان­نیا2

 

1- استادیار، دانشکده مهندسی شیمی و مواد، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران.

2- دکترای مهندسی مواد، گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه فنی و حرفه‌ای، تهران، ایران.

*  [e-mail]

 

 

 

Study of Microstructure, Tensile Properties and Texture of a High Strength Dual Phase Steel Produced by Cold Rolling and Subsequent Intercritical Annealing

 

Hamid Ashrafi1*, Iman Hajiannia2

1- Assistant Professor, Faculty of Chemical and Materials Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran

2- PhD in Materials Engineering, Department of Materials Science and Engineering, Technical and Vocational University (TVU), Tehran, Iran

* [e-mail]

 

اطلاعات مقاله		چکیده
دریافت: 18/08/1403 پذیرش: 17/10/1403		در این پژوهش ریزساختار، خواص کششی و بافت یک فولاد دوفازی استحکام بالا مورد بررسی قرار گرفت. ابتدا شمش یک فولاد کم کربن دارای منگنز و سیلسیم توسط ذوب القایی در خلأ تولید و سپس تحت عملیات نورد گرم قرار گرفت. در ادامه، عملیات نورد سرد انجام شد و ورق نورد سرد شده در دمای 780 درجه سانتی‌گراد به مدت 360 ثانیه تحت عملیات آنیل بین بحرانی قرار گرفت و در آب کوئنچ شد. ریزساختار و بافت فولاد تولید شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و تفرق الکترون برگشتی مورد بررسی قرار گرفت. به‌منظور ارزیابی خواص کششی فولاد تولید شده از آزمون کشش تک محوره استفاده شد. نتایج نشان داد که ریزساختار فولاد تولید شده شامل جزایر به هم پیوسته مارتنزیتی با کسر حجمی 62% در یک زمینه فریتی با متوسط اندازه دانه 7/1 میکرون است. این ریزساختار منجر به حصول استحکام کششی فوق‌العاده بالای 1265 مگاپاسکال و حاصلضرب استحکام کششی در ازدیاد طول یکنواخت 13622 مگاپاسکال درصد شد. بررسی رفتار کارسختی فولاد دوفازی تولید شده برمبنای آنالیز کروسارد – جول اصلاح شده نشان‌دهنده یک رفتار کارسختی سه مرحله‌ای بود. بررسی‌های تفرق الکترون برگشتی نشان داد که نورد سرد منجر به تشکیل بافتی شامل رشته  قوی و رشته  متوسط شده است. پس از آنیل بین بحرانی، رشته  به‌شدت ضعیف شد درحالی‌که شدت رشته  اندکی افزایش یافت. مؤلفه اصلی بافت در فولاد نورد سرد شده [110](001) بود، درحالی‌که بافتی نزدیک به [112](111) در مورد فولاد دوفازی مشاهده شد.
کلید واژگان: فولاد دوفازی ریزساختار خواص کششی بافت.

Abstract		Article Information
In this study, the microstructure, tensile properties, and texture of a high-strength dual-phase (DP) steel were investigated. Initially, a low-carbon steel containing manganese and silicon was produced by vacuum induction melting and then subjected to hot rolling. Subsequently, cold rolling was performed and the cold rolled sheet was intercritically annealed at a temperature of 780 °C for 360 seconds and quenched in water. The microstructure and texture of the produced steel were examined using scanning electron microscopy and electron backscatter diffraction (EBSD). Tensile properties of the produced steel were evaluated using uniaxial tensile testing. The results showed that the microstructure of the produced steel consisted of interconnected martensite islands with a volume fraction of 62% in a ferritic matrix with an average grain size of 7.1 microns. This microstructure resulted in an exceptionally high tensile strength of 1265 MPa and a tensile strength-uniform elongation balance of 13622 MPa%. Investigation of the work hardening behavior of the produced DP steel based on modified Crussard-Jaoul analysis indicated a three-stage hardness behavior. EBSD studies showed that cold rolling led to the formation of a texture consisting of strong α and moderate γ fibers. After intercritical annealing, the α fiber significantly weakened while the intensity of the γ fiber slightly increased. The main texture component in the cold rolled steel was (001)[110], while a texture close to (111)[112] was observed in the DP steel.		Original Research Paper Doi: 10.71753/ma.2025.1189875
		Keywords: Dual Phase Steel Microstructure Tensile Properties Texture.

 

 

1- مقدمه

فولادهای دوفازی، به‌عنوان پرکاربردترین گروه از خانواده فولادهای پیشرفته استحکام بالا، در دهه 1970 توسعه یافتند. ریزساختار این فولادها شامل جزایر سخت مارتنزیتی در یک زمینه نرم فریتی است. این ریزساختار منحصربه‌فرد سبب ایجاد خواص مکانیکی مطلوب نظیر رفتار تسلیم پیوسته، نرخ کارسختی بالا در مراحل ابتدایی تغییر شکل پلاستیک و ازدیاد طول و استحکام کششی بالا در این فولادها می‌شود. این خواص مکانیکی مطلوب سبب جذابیت استفاده از فولادهای دوفازی در اجزای بدنه خودرو شده است [1-4].

در کنار ترکیب شیمیایی و ریزساختار، بافت کریستالی نیز از فاکتورهای کلیدی در کنترل خواص فولادهای ساختمانی محسوب می‌شود [5]. این پارامتر در حین فرایندهای حرارتی – مکانیکی دچار تغییر می‌شود [6-8]. این فرایندها مهم‌ترین مراحل برنامه تولید، خصوصاً برای فولادهای مورد استفاده در صنعت خودرو را تشکیل می‌دهند [9]. با وجود خواص مکانیکی مطلوب و قیمت مناسب، کاربرد گسترده فولادهای دوفازی هنوز به دلیل خاصیت کشش عمیق نه چندان مطلوب که در فرایند شکل‌دهی پرسی فاکتور حیاتی محسوب می‌شود، محدود شده است. بافت کریستالی فریت عاملی تأثیرگذار بر خاصیت کشش عمیق ورق‌های فولاد دوفازی محسوب می‌شود [10-11]. با این وجود، هنوز مطالعات کافی در این زمینه، به‌خصوص در مورد فولادهای دوفازی با استحکام فوق‌العاده بالا (بالای 1000 مگاپاسکال) انجام نشده است. موندال و ری1 [12] تغییرات بافت فولادهای دوفازی کربن – منگنز – وانادیم‌دار را در حین عملیات نورد سرد و آنیل مورد بررسی قرار دادند. این محققین بافت رشته‌ای قوی (111) با شدت‌های مختلف را برای بافت تغییر شکل و تبلور مجدد مشاهده کردند. رائوماندی و همکاران2 [13] بافت فولاد دوفازی فوق‌ریزدانه میکروآلیاژ شده با نیوبیوم که با نورد سرد و آنیل بین بحرانی تولید شده بود را مورد مطالعه قرار دادند. آنان بافتی با رشته‌های قوی α و γ را در حالت پس از نورد سرد مشاهده کردند. پس از آنیل بین بحرانی، مؤلفه [110](112) ناپدید و مؤلفه [112](111) در رشته γ توسعه یافت. قاطعی کلاشمی و همکاران [14] اثر مقدار نیوبیم را بر تغییرات بافت یک فولاد دوفازی فوق‌ریزدانه مورد بررسی قرار دادند. این محققین با نورد سرد و آنیل بین بحرانی یک ساختار اولیه فریت – مارتنزیت، فولاد دوفازی فوق‌ریزدانه تولید کردند. نتایج آنان نشان داد که شدت مؤلفه‌های رشته (111) که در بهبود شکل‌پذیری ورق‌های فولادی نقش دارند، با افزایش میزان نیوبیم افزایش می‌یابد. لازم به ذکر است که تمرکز مطالعات فوق عمدتاً بر خواص مکانیکی فولادهای دوفازی بوده و تنها بخش محدودی به اندازه‌گیری بافت اختصاص یافته است.

با وجود اهمیت بافت کریستالی بر شکل‌پذیری و خواص مکانیکی فولادهای دوفازی، تاکنون مطالعات در این زمینه محدود بوده است؛ بنابراین، این پژوهش با هدف بررسی تغییرات بافت در حین نورد سرد و آنیل بین بحرانی یک فولاد دوفازی با استحکام بالا انجام شد. در این راستا، ابتدا شمش یک فولاد کم کربن دارای منگنز تولید شده و سپس تحت عملیات نورد گرم و نورد سرد قرار گرفت. در ادامه، ورق فولادی تحت عملیات آنیل بین بحرانی قرار گرفت و در آب کوئنچ شد تا فولاد دوفازی با استحکام فوق‌العاده بالا تولید شود. در ادامه ریزساختار، خواص کششی و بافت فولاد تولید شده مورد بررسی قرار گرفت.

 

2- مواد و روش تحقیق

یک شمش از فولاد کم کربن دارای منگنز و سیلسیم با ترکیب شیمیایی ارائه شده در جدول (1) توسط روش ذوب القایی در خلأ ریخته‌گری شد. این شمش به مدت 2 ساعت در دمای 1000 درجه سانتی‌گراد همگن‌سازی و در کوره تا دمای محیط سرد شد. شمش همگن‌سازی شده سپس از ضخامت 30 میلی‌متر به ضخامت 3 میلی‌متر نورد گرم و در هوا سرد شد. ورق نورد گرم شده در ادامه تا ضخامت 1 میلی‌متر نورد سرد و در دمای 780 درجه سانتی‌گراد به مدت 360 ثانیه تحت عملیات آنیل بین بحرانی قرار گرفت و در آب کوئنچ شد تا فولاد دوفازی نهایی تولید شود. دماهای بحرانی A1 و A3 توسط آزمون دیلاتومتری، همان‌طور که در شکل (1) نشان داده شده است، تعیین شدند.

 

جدول (1): ترکیب شیمیایی فولاد مورد استفاده در این پژوهش (درصد وزنی).

عنصر	درصد وزنی
کربن	18/0
منگنز	45/2
سیلسیوم	1/1
گوگرد	036/0
فسفر	048/0
کروم	058/0
وانادیوم	02/0
نیکل	04/0
مس	08/0
آلومینیوم	01/0
آهن	بقیه

 

 

شکل (1): منحنی گرمایش دیلاتومتری فولاد مورد بررسی تحت نرخ گرمایش 55/0 درجه سانتی‌گراد بر ثانیه.

 

ریزساختار مقطع فولاد دوفازی تولید شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی فیلیپس3 مدل XL30 مورد بررسی قرار گرفت. نمونه‌ها جهت بررسی ریزساختار مانت شده تا سنباده 4000 سنباده‌زنی شده و توسط سوسپانسیون آلومینای 3/0 میکرونی پولیش شدند. نمونه‌های آماده شده در پایان توسط محلولن نایتال 2% حکاکی شده و مورد بررسی قرار گرفتند. اندازه دانه و کسر حجمی فازها در فولاد تولید شده توسط نرم‌افزار پردازش تصویر Image J اندازه‌گیری شدند. جهت بررسی بافت نمونه‌ها توسط آنالیز تفرق الکترون برگشتی4، نمونه‌های آماده شده جهت بررسی ریزساختاری توسط خمیر الماسه 1 میکرونی پولیش شده و در مرحله پایانی توسط دوغاب سیلیس کلوئیدی (04/0 میکرون) پولیش شدند. در ادامه بافت نمونه‌ها توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی5 (JSM7001A) مجهز به آشکارساز تفرق الکترون برگشتی (EDAX Hikari Pro) که در ولتاژ 20 کیلوولت کار می‌کرد، مورد بررسی قرار گرفت. جهت بررسی‌ها توسط تفرق الکترون‌های برگشتی، اندازه گام 2/0 میکرونی مورد استفاده قرار گرفت. اطلاعات خام به‌دست‌آمده توسط نرم‌افزار ATEX [15] پردازش شدند.

نمونه‌های کشش (طول سنجه 4/6 میلی‌متر، پهنای 5/2 میلی‌متر، ضخامت 1 میلی‌متر) توسط وایرکات از فولاد دوفازی تولید شده تهیه شد. این نمونه‌ها با سرعت حرکت فک 1 میلی‌متر بر دقیقه توسط دستگاه هانسفیلد6 مدل H50KS تحت آزمون کشش قرار گرفتند. جهت به دست آوردن میانگین خواص مکانیکی، آزمون کشش سه مرتبه تکرار شد.

 

3- نتایج و بحث

3-1- ریزساختار

تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از ریزساختار فولاد دوفازی تولید شده در شکل (2) ارائه شده است. این تصویر جزایر مارتنزیتی به هم پیوسته را در یک زمینه فریتی نشان می‌دهد. لازم به ذکر است که مطابق شکل (2)، فاز فریت به دلیل مقاومت کمتر در برابر خوردگی عمیق‌تر از فاز مارتنزیت خورده شده است. کسر حجمی مارتنزیت در این ساختار برابر 62% و متوسط اندازه دانه فریت برابر 7/1 میکرون اندازه‌گیری شدند. همان‌طور که مشاهده می‌شود، هم دانه‌های فوق‌ریز و هم دانه‌های درشت فریت در ریزساختار حضور دارند. علاوه بر این، با وجود کسر حجمی بالا، جزایر مارتنزیتی به‌صورت بلوک‌های درشتی که معمولاً در فولادهای دوفازی با کسر حجمی بالای مارتنزیت مشاهده می‌شوند، درنیامده‌اند. این موضوع می‌تواند به دلیل وجود درصد نسبتاً بالای سیلسیم در فولاد باشد. مشخص شده است که سیلسیم با جلوگیری از تشکیل کاربید اکتیویته کربن در آستنیت را بالا برده و بنابراین نیرومحرکه استحاله آستنیت به فریت را افزایش می‌دهد. در نتیجه، آستنیت به‌شدت توسط فریت پرویوتکتوئید تکه تکه شده که منجر به تشکیل مارتنزیت ریز و پراکنده پس از کوئنچ می‌شود [16].

یکی از مهم‌ترین عوامل تأثیرگذار بر خواص مکانیکی فولادهای دوفازی میزان کربن مارتنزیت است. در اینجا غلظت کربن فاز مارتنزیت (CM) را می‌توان با در نظر گرفتن موازنه بین کربن کلی فولاد (C) و کربن فازهای تشکیل‌دهنده محاسبه نمود [17]:

 

 

در اینجا CF غلظت کربن در فاز فریت و VM کسر حجمی مارتنزیت است. با در نظر گرفتن مقدار 015/0 درصد وزنی برای CF، CM برابر 27/0 درصد وزنی محاسبه شد. مطابق با دیاگرام آهن – کربن و قانون اهرم، دمای آنیل بین بحرانی بالا منجر به کسر حجمی بالای آستنیت با میزان کربن پایین می‌شود که در ادامه پس از کوئنچ در آب این آستنیت تبدیل به مارتنزیت کم کربن می‌شود. سختی مارتنزیت رابطه مستقیمی با مقدار کربن آن دارد [18]؛ بنابراین، انتظار نمی‌رود که مارتنزیت نسبتاً کم کربن تشکیل شده در فولاد دوفازی حاضر دارای سختی بالایی باشد که این می‌تواند برای خواص مکانیکی کلی فولاد مفید باشد، زیرا سختی کمتر مارتنزیت میزان تفکیک کرنش بین فازهای فریت و مارتنزیت را کاهش می‌دهد [19].

 

 

شکل (2): تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی از ریزساختار فولاد دوفازی تولید شده.

 

2-3- رفتار کششی

شکل (3- الف) منحنی تنش – کرنش مهندسی فولاد دوفازی تولید شده را نشان می‌دهد. در این منحنی رفتار تسلیم پیوسته متداول فولادهای دوفازی مشاهده می‌شود. تنش تسلیم فولاد دوفازی تولید شده برابر 903 مگاپاسکال، استحکام کششی نهایی آن 1265 مگاپاسکال و ازدیاد طول یکنواخت آن برابر 8/10 درصد اندازه‌گیری شد. با توجه به کسر نسبتاً بالای مارتنزیت و ریزدانه بودن زمینه فریتی، استحکام فوق‌العاده بالایی در فولاد تولید شده حاصل شده است. با وجود استحکام بسیار بالا، فولاد تولید شده از ازدیاد طول قابل قبولی نیز برخوردار است، به‌گونه‌ای که حاصلضرب استحکام کششی در ازدیاد طول یکنواخت آن به حدود 13622 مگاپاسکال درصد می‌رسد که در مقایسه با فولادهای دوفازی با استحکام یکسان بالاتر است. به‌طور مثال، در پژوهش مظاهری و همکاران [20]، حاصلضرب استحکام کششی در ازدیاد طول یکنواخت برای فولاد دوفازی با استحکام کششی 1300 مگاپاسکال برابر 11765 مگاپاسکال درصد گزارش شده است. قاطعی کلاشمی و همکاران [21] نیز مقدار 11500 مگاپاسکال درصد را به‌عنوان حاصلضرب استحکام کششی در ازدیاد طول یکنواخت فولاد دوفازی با استحکام کششی حدود 1200 مگاپاسکال گزارش کرده‌اند. لازم به ذکر است که حاصلضرب استحکام کششی در ازدیاد طول معیاری از جذب انرژی وسیله نقلیه در حین تصادف است و پارامتر مهمی در انتخاب ماده برای اجزاء بدنه خودرو محسوب می‌شود [22].

 

 

 

شکل (3): الف) منحنی تنش – کرنش مهنـدسی و ب) منحنی آنالیز MC-J برای فولاد دوفازی تولید شده.

 

رفتار کارسختی فولاد دوفازی تولید شده طبق روش کروسارد – جول اصلاح شده7 (MC-J) مورد بررسی قرار گرفت [23]:

 

(1)

 

که بر مبنای رابطه سویفت8 برای منحنی تنش و کرنش حقیقی است [24]:

 

(2)

 

در اینجا s و e به ترتیب تنش حقیقی و کرنش حقیقی، m معکوس نمای کارسختی و k و e0 ثابت‌های ماده هستند. مطابق با آنالیز MC-J، شیب منحنی Ln(ds/de) برحسب Ln(s) برابر (1-m) است. شکل (3- ب) منحنی آنالیز MC-J را برای فولاد دوفازی تولید شده نشان می‌دهد. این منحنی نشان‌دهنده یک رفتار کارسختی سه مرحله‌ای است که در مطالعات قبلی نیز در مورد فولادهای دوفازی مشاهده شده است [25]. در مرحله اول با کمترین شیب که نشان‌دهنده ظرفیت کارسختی بالاست، فاز فریت دچار تغییر شکل پلاستیک می‌شود درحالی‌که فاز مارتنزیت در ناحیه الاستیک قرار دارد. در مرحله دوم که شیب بیشتری دارد، از تغییر شکل پلاستیک فریت توسط فاز مارتنزیت ممانعت می‌شود. مرحله سوم با بیشترین شیب که نشان‌دهنده کمترین ظرفیت کارسختی است، به تغییر شکل پلاستیک هم‌زمان فریت و مارتنزیت مربوط می‌شود.

 

3-3- بافت

شکل (4) تصویر قطبی معکوس9 از فولاد نورد سرد شده و فولاد دوفازی تولید شده را نشان می‌دهد. این تصویر قطبی جهات کریستالی را به‌موازات جهت عمود بر نورد (ND) نشان می‌دهد. ارتباط بین جهات کریستالی و رنگ‌های مختلف توسط مثلث استریوگرافی در سمت راست تصویر مشخص شده است. در فولاد نورد سرد شده (شکل 4- الف)، بیشتر دانه‌ها به رنگ‌های آبی، قرمز و بنفش دیده می‌شوند درحالی‌که به‌ندرت دانه سبزرنگ در ساختار مشاهده می‌شود. برای فولاد دوفازی (شکل 4- ب)، کسر دانه‌های آبی رنگ نسبت به دانه‌های دارای رنگ‌های دیگر بیشتر است که نشان می‌دهد جهت [111] بیشتر دانه‌ها به‌موازات جهت عمود بر نورد قرار دارد.

 

 

(3)

 

 

 

شکل (4): تصویر قطبی معکوس از: الف) فولاد نورد سرد شده و ب) فولاد دوفازی تولید شده.

 

 

مقاطع تابع توزیع جهت10 از فولادهای نورد سرد شده و دوفازی، به همراه مقاطع نشان‌دهنده مؤلفه‌های بافت نوردی ایده‌آل فلزات bcc در شکل (5) ارائه شده است. این مقاطع رشته‌های مهم در مواد دارای ساختار bcc را نشان می‌دهند که رشته‌های a و g به‌عنوان دو رشته از این رشته‌ها به‌صورت زیر تعریف می‌شوند [26]:

رشته a: محور رشته، یعنی [110]، به‌موازات جهت نورد قرار می‌گیرد (شامل مؤلفه‌های بافت [110](001)، [110](112) و [110](111))

رشته : محور رشته، یعنی [111]، با جهت عمود بر نورد موازی است (شامل مؤلفه‌های بافت [110](111) و [112](111))

 

 

 

همان‌طور که در شکل 5- الف مشاهده می‌شود، در فولاد نورد سرد شده چگالی جهت‌گیری بالایی در امتداد رشته a با حداکثر شدت 5/7 برابر توزیع تصادفی وجود دارد. از طرف دیگر، شدت بافت در امتداد رشته g برای این نمونه متوسط بود. این نوع بافت به‌طور متداول در فولادهای bcc نورد سرد شده مشاهده می‌شود [27-28].

برای فولاد دوفازی (شکل 5-ب)، شدت کلی بافت نسبت به فولاد نورد سرد شده کمتر بود. علاوه بر این، رشته a تقریباً ناپدید شده بود درحالی‌که شدت رشته g اندکی افزایش‌یافته بود. مؤلفه اصلی بافت برای فولاد نورد سرد شده [110](001) بود، درحالی‌که بافتی نزدیک به [112](111) در مورد فولاد دوفازی مشاهده شد. مؤلفه ذکر شده به‌عنوان بافت تبلور مجدد در فولادهای دارای ساختار bcc شناخته می‌شود [5]. ضعیف شدن رشته a و افزایش نسبی شدت رشته g در حین آنیل بین بحرانی به دلیل تفاوت بین

 

 

 

شکل (5). مقاطع تابع توزیع جهت: الف) فولاد نورد سرد شده، ب) فولاد دوفازی، و ج) مواد bcc که رشته‌های مهم را نشان می‌دهد.

 

 

انرژی ذخیره شده در نواحی با جهت‌گیری‌های مختلف قبل از عملیات آنیل مربوط می‌شود. به دلیل اینکه تبلور مجدد در حجم دارای انرژی بالاتر آغاز می‌شود، انتظار می‌رود جوانه‌های بیشتری در نواحی رشته g نسبت به نواحی رشته a تشکیل شوند. جوانه در ادامه به داخل نواحی تبلور مجدد نیافته که در ابتدا کسر رشته a بیشتر بوده است، رشد می‌کند و منجر به کاهش کسر سطحی این رشته و افزایش کسر رشته g در بافت پس از آنیل بین بحرانی می‌شود. مشخص شده است که شکل‌پذیری ورق‌های فولادی نورد و آنیل شده با ساختار bcc با افزایش کسر حجمی رشته g افزایش می‌یابد [29]؛ بنابراین، می‌توان نتیجه گرفت که بافت مطلوبی از نظر شکل‌پذیری در فولاد دوفازی استحکام بالای تولید شده ایجاد شده است.

 

 

5- نتیجه‌گیری

در این پژوهش یک فولاد دوفازی استحکام بالا با نورد سرد و آنیل بین بحرانی یک فولاد کم کربن دارای منگنز و سیلسیم تولید شد. در ادامه ریزساختار، خواص کششی و بافت آن مورد بررسی قرار گرفت. نتایج به‌دست‌آمده به شرح زیر هستند:

·       فولاد دوفازی با ریزساختاری شامل 62% حجمی جزایر به هم پیوسته مارتنزیتی در زمینه فریتی بود. دانه‌های فریت هم دارای اندازه فوق‌ریز و هم‌اندازه درشت‌تر بودند.

·       فولاد دوفازی تولید شده دارای استحکام کششی قابل‌توجه 1265 مگاپاسکال و حاصلضرب استحکام کششی در ازدیاد طول 13622 مگاپاسکال درصد بود که برای کاربرد در بدنه خودرو خواص مطلوبی هستند. همچنین، بر مینای آنالیز کروسارد – جول اصلاح شده، فولاد دوفازی تولید شده رفتار کارسختی سه مرحله‌ای از خود نشان داد.

·       نورد سرد منجر به تشکیل بافتی شامل چگالی بالای جهت‌گیری در امتداد رشته a و چگالی جهت‌گیری متوسط در امتداد رشته g شد. پس از آنیل بین بحرانی، رشته a تقریباً ناپدید شد درحالی‌که شدت رشته g اندکی افزایش یافت. مؤلفه اصلی بافت در فولاد نورد سرد شده [110](001) بود، درحالی‌که بافتی نزدیک به [112](111) در مورد فولاد دوفازی مشاهده شد.

 

5- منابع

[1] P. Dastur, C. Slater, T. Moore & C. Davis, "Martensite size and morphology influence on strain distribution and micro-damage evolution in dual-phase steels; comparing segregation-neutralised and banded grades", Materials & Design, vol. 246, p. 113340, 2024.

 

[2] J. Cui, K. Li, Z. Yang, Z. Wu & Y. Wu, "Investigation of effects of aluminum additions on microstructural evolution and mechanical properties of ultra-high strength and vanadium bearing dual-phase steels", J. Mater. Res. Technol, vol. 31, pp. 1117-1131, 2024.

 

[3] H. Ashrafi, M. Shamanian, R. Emadi & M. A. Sarmadi, "Effect of welding parameters on the microstructure and tensile properties of friction stir-welded DP600 steel", SAE Int. J. Mater. Manuf, vol. 12, pp. 165-177, 2019.

 

[4] M. S. Rashid, "Dual phase steels", Ann. Rev. Mater. Sci, vol. 11, pp. 245-266, 1981.

 

[5] M. Holscher, D. Raabe & K. Lu¨cke, "Rolling and recrystallization textures of bcc steels", Mater. Technol, vol. 62, pp. 567–575, 1991.

 

[6] E. Ohaeri, J. Szpunar, F. Fazeli & M. Arafin, "Hydrogen induced cracking susceptibility of API 5L X70 pipeline steel in relation to microstructure and crystallographic texture developed after different thermomechanical treatments", Mater. Charact, vol. 145, pp. 142-156, 2018.

 

[7] V. Javaheri, N. Khodaie, A. Kaijalainen, & D. Porter, "Effect of niobium and phase transformation temperature on the microstructure and texture of a novel 0.40% C thermomechanically processed steel", Mater. Charact, vol. 142, pp. 295–308, 2018.

 

[8] J. I. Omale, E. G. Ohaeri, A. A. Tiamiyu, M. Eskandari, K. M. Mostafijur & J. A. Szpunar, "Microstructure, texture evolution and mechanical properties of X70 pipeline steel after different thermomechanical treatments", Mater. Sci. Eng. A, vol. 703, pp. 477–485, 2017.

 

[9] Y. Weng, H. Dong & Y. Gan, "Advanced Steels: The Recent Scenario in Steel Science and Technology", Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Berlin, 2011.

 

[10] Z. G.  Wang, A. M. Zhao, Z. Z. Zhao, J. Y. Ye, J. J. Chen & J. G. He, "Precipitation behavior and textural evolution of cold-rolled high strength deep drawing dual-phase steels", J. Iron Steel Res. Intl, vol. 20, pp. 61-68, 2013.

 

[11] S. H. Han, S. H. Choi, J. K. Choi, H. G. Seong & I. B. Kim, "Effect of hot-rolling processing on texture and r-value of annealed dual-phase steels", Mater. Sci. Eng. A, vol. 527, pp. 1686–1694, 2010.

 

[12] D. K. Mondal & R. K. Ray, "Development of {111} texture during cold rolling and recrystallization of a C-Mn-V dual-phase steel", Mater. Sci. Eng. A, vol. 158, pp. 147-156, 1992.

 

[14] P. Rao-Mondi, R. Madhavan, V. Subramanya-Sarma, & S. Sankaran, "Study of texture in ultra fine grained dual phase steel sheets", Mater. Sci. Forum, vol. 702-703, pp. 806-809, 2012.

 

[15] A. Ghatei-Kalashami, A. Kermanpur, E. Ghassemali, A. Najafizadeh & Y. Mazaheri, "The effect of Nb on texture evolutions of the ultrafine-grained dual-phase steels fabricated by cold rolling and intercritical annealing", J. Alloy Compd, vol. 694, pp. 1026-1035, 2017.

 

[16] B. Beausir & J. J. Fundenberger, "Analysis Tools for Electron and X-ray diffraction", ATEX—software, www.atex-software.eu, Universite´ de Lorraine - Metz, 2017.

 

[17] I. Hajiannia, M. Shamanian, M. Atapour, E. Ghassemali & N. Saeidi, "Development of ultrahigh strength TRIP steel containing high volume fraction of martensite and study of the microstructure and tensile behavior", Trans. Indian Inst. Met,  vol. 71, pp. 1363–1370, 2018.

 

[18] Y. Mazaheri, A. Kermanpur, A. Najafizadeh & "A novel route for development of ultrahigh strength dual phase steels", Mater. Sci. Eng. A, vol. 619, pp.  1-11, 2014.

 

[19] M. Alibeyki, H. Mirzadeh, M. Najafi & A. Kalhor, "Modification of rule of mixtures for estimation of the mechanical properties of dual-phase steels", J. Mater. Eng. Perform, vol. 26, pp. 2683-2688, 2017.

 

[20] Q. Han, A. Asgari, P. D. Hodgson & N. Stanford, "Strain partitioning in dual-phase steels containing tempered martensite", Mater. Sci. Eng. A, vol.  611, pp. 90-99, 2014.

 

[21] Y. Mazaheri, A. Kermanpour & 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", Metal. Mater. Trans. A, vol. 46, pp. 3052-3062, 2015.

 

[22] A. G. Kalashami, A. Kermanpur, A. Najafizadeh & Y. Mazaheri, "Effect of Nb on microstructures and mechanical properties of an ultrafine-grained dual phase steel", J. Mater. Eng. Perform, vol. 24, pp. 3008-3017, 2015.

 

[23] H. Ashrafi, M. Shamanian, R. Emadi & N. Saeidi, "Correlation of tensile properties and strain hardening behavior with martensite volume fraction in dual-phase steels", Trans. Indian Inst. Met, vol. 70, pp. 1575–1584, 2017.

 

[24] R. E. Reed-Hill, W. R. Cribb & S. N. Monteiro, "Concerning the analysis of tensile stress-strain data using log dσ/dεp versus log σ diagrams", Metall. Trans, vol. 4, pp. 2665-2667, 1973.

 

[25] H. W. Swift, "Plastic instability under plane stress", J. Mech. Phys. Solids, vol. 1, pp. 1-18, 1952.

 

[26] Y. Najafi, Y. Mazaheri, Z. D. Ragheb & H. Daiy, "Multi-stage strain-hardening behavior of dual-phase steels: A review", J. Mater. Res. Technol, vol. 31, pp. 3860-3882, 2024.

 

[27] R. Joodaki, S. R. A. Zaree, K. Gheisari & M. Eskandari, "Effect of annealing treatments on the microstructure and texture development in API 5L X60 microalloyed pipeline steel", J. Mater. Eng. Perform, vol. 26, pp. 2003–2013, 2017.

 

[28] M. Eskandari, M. A. Mohtadi-Bonab & J. A. Szpunar, "Evolution of the microstructure and texture of X70 pipeline steel during cold-rolling and annealing treatments", Mater. des, vol. 90, pp. 618-627, 2016.

 

[29] L. A. I. Kestens & H. Pirgazi, "Texture formation in metal alloys with cubic crystal structures", Mater. Sci. Technol, vol. 32, pp 1303-1315, 2016.

 

[30] J. Y. Kang, H. C. Lee & S. H. Han, "Effect of Al and Mo on the textures and microstructures of dual phase steels", Mater. Sci. Eng. A, vol. 530, pp. 183-190, 2011.

 

6- پی‌نوشت

[1] Mondal & Ray

[2] Rao-Mondi

[3] Philips

[4] Electron Backscatter Diffraction (EBSD)

[5] Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM)

[6] Hounsfield -

[7] Modified Crussard-Jaoul (MC-J)

[8] Swift

[9] Inverse Pole Figure (IPF) map

[10] Orientation Distribution Function (ODF)

 

 

 

برای ارجاع به این مقاله از عبارت ذیل استفاده نمایید:

Please cite this article using:

Hamid Ashrafi, Iman Hajiannia, Study of Microstructure, Tensile Properties and Texture of a High Strength Dual Phase Steel Produced by Cold Rolling and Subsequent Intercritical Annealing, New Process in Material Engineering, 2025, 19(2), 25-33.

 

 

 

---