حراج!

دانلود پایان نامه تاثیر عملیات سرد کردن زیر صفر بر ساختار میکروسکوپی و رفتار تریبولوژیکی فولاد 7147/1

39,000تومان 19,000تومان

توضیحات

انلود و مشاهده قسمتی از متن کامل پایان نامه :

دانشگاه صنعتی اصفهان

دانشکده مهندسی مواد

تاثیر عملیات سرد کردن زیر صفر بر ساختار میکروسکوپی و رفتار تریبولوژیکی فولاد 7147/1

پایان­نامه کارشناسی ارشد شناسایی و انتخاب مواد

…………….

  

 

                                                                                              1393

دانشگاه صنعتی اصفهان

دانشکده مهندسی مواد

پایان­نامه کارشناسی ارشد شناسایی و انتخاب مواد خانم ………. تحت عنوان

تاثیر عملیات سرد کردن زیر صفر بر ساختار میکروسکوپی و رفتار تریبولوژیکی فولاد 7147/1

در تاریخ                28/10/93 توسط کمیته تخصصی زیر مورد بررسی و تصویب نهایی قرار گرفت.

  • استاد راهنمای پایان­نامه دکتر علی شفیعی
  • استاد راهنمای پایان­نامه                 دکتر محمد رضا طرقی نژاد
  • استاد داور دکتر حسین ادریس
  • استاد داور دکتر احمد رضاییان

سرپرست تحصیلات تکمیلی دانشکده                                                                            دکتر کیوان رئیسی

 

 

 

فهرست مطالب

 

عنوان                                                                                                                                                                               صفحه

فهرست مطالب                                                                                                                                                            هشت

چکیده. 1

فصل اول: مقدمه

فصل دوم: مروری بر مطالب

2-1- معرفی و تاریخچه. 5

2-2- آستنیت باقیمانده. 5

2-2-1- پایداری آستنیت… 8

2-3- مشخصه‌‌‌‌های سطوح کربوره‫شده. 14

الف) ریز‌‌ساختار. 14

2-3-1- رفتار سایشی فولاد‌‌‌‌های کربوره‫شده. 18

2-4- عملیات سردسازی و زیر صفر فولاد. 19

2-4-1- تأثیر دما و زمان آستنیته کردن.. 22

2-4-2- انواع فولادها که میتوانند تحت عملیات زیر صفر قرار گیرند: 23

الف) فولاد ابزار. 23

ب) فولاد‌‌‌‌های زنگ نزن.. 27

ج) فولاد AISI 4340.. 28

د) فولاد‌‌‌‌های سطح سخت شونده. 28

2-5- بازگشت و تاثیر آن بر نمونه‫های عملیات زیر صفر شده. 28

2-6- انواع سایش…. 31

2-6-2- سایش چسبان.. 33

2-6-3- سایش خوردگی.. 34

فصل سوم: مواد و روشهای آزمایش

3-1- آلیاژ مورداستفاده. 36

3-2- عملیات حرارتی نمونه‫ها 36

3-3- آزمون­ها 37

3-3-1- سختی­سنجی.. 37

3-3-2- سایش…. 38

3-3-3- متالوگرافی نمونه‫ها 38

3-3-4- فازیابی با استفاده از پراش پرتوی ایکس…. 39

فصل چهارم: نتایج و بحث

4-1- بررسی ریزساختاری.. 40

4-1-1- متالوگرافی.. 40

4-1-2- بررسی ریزساختار با اشعه‌ی ایکس…. 46

4-2- سختی سنجی.. 47

هشت

4-3- سایش…. 49

4-3-1- ضریب اصطکاک…. 49

4-3-2- بررسی سطوح سایش با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی.. 52

4-3-3- تغییرات نرخ سایش…. 59

فصل پنجم: نتیجهگیری و پیشنهادات

مراجع. 66

نه

فهرست جداول

عنوان                                                                                                                                                                             صفحه

جدول2-1. تأثیر 1% از عناصر آلیاژی بر دمای شروع استحاله مارتنزیت در فولادهایی با 9/0 – 1% کربن.. 7

جدول 2-2. تأثیر 1% کروم بر دمای شروع استحاله مارتنزیتی در فولادهایی با درصد کربن مختلف…. 7

جدول2-3. نقطه‌ی جوش عادی سیالات زیر صفر رایج.. 19

جدول2-4. مقایسه‌ی دریل‌‌‌‌های عملیات حرارتی معمولی شده و زیر صفر شده. 24

جدول 3-1. ترکیب شیمیایی فولاد 7147/1. %. 36

جدول3-2. عمليات حرارتي نمونه‌ها. 37

جدول4-1. سختی بر اساس نوع عملیات انجام‌شده (DCT). 47

ده

فهرست اشکال

عنوان                                                                                                                                                                             صفحه

شکل2-1. دماي شروع و پایان استحاله مارتنزیت (f  Mو Ms) با توجه به درصد کربن در فولاد. 6

شکل2-2. منحنی استحاله مارتنزیت… 7

شکل 2-3. سختی راکول C به‌عنوان تابعی از درصد کربن.. 8

شکل 2-4. درصد آستنیت باقیمانده به‌عنوان تابعی از درصد کربن. 9

شکل 2-5. تغییر دمای Ms وانداده دانه‌ی آستنیت با دمای آستنیته کردن. 11

شکل 2-6. تغییرات دمای Ms با زمان حرارت دهی آستنیته کردن. 11

شکل 2-7. تغییرات Mb با الف) ‌اندازه دانه‌ی آستنیت ب) دمای آستنیته کردن و ج) میزان مارتنزیت انفجاری. 12

شکل 2-8. اثر پیرسازی درC° 250 بر Ms (Fe-1. 06% C-1. 63% Cr). 13

شکل 2-9. تغییر در میزان آستنیت باقیمانده با دمای کوئنچ (در فولاد‌‌‌‌های کربنی). 14

شکل 2-10. کاربید‌‌‌‌های درشت اولیه‌ی تشکیل‌شده در فولاد SAE 4130.. 16

شکل 2-11. شبکه‌‌‌‌های کاربیدی در مرز دانه‌های آستنیت اولیه. 17

شکل 2-12. کاربید‌‌‌‌های ریز اولیه در مارتنزیت تیغه‌ای که به‌وسیله‌ی کربن‌دهی.. 17

شکل 2-13. تجهیزات فرایند زیر صفر. 20

شکل 2-14. يک سيکل عمليات حرارتي شامل عمليات زير صفر. 21

شکل 2-15. اثر سرمایش تا فرایند زیر صفر بر تعداد کاربید‌‌‌‌های فولاد D2.. 22

شکل 2-16. انواع تماس در طول سایش خراشان.. 32

شکل 2-17. پنج مکانیزم سایش خراشان. 32

شکل 2-18. تصویر ساده‌شده‌ی سایش چسبان. 33

شکل 2-21. مدل سايش اکسيدي.. 34

شکل 3-1. تصوير دستگاه سايش. 38

شکل 4-1. اندازه‌گیری عمق نفوذ کربن با استفاده از نرم‌افزار TS View.. 40

ادامه­ی شکل 4-1، ه) 48DCT. 41

شکل 4-2. تصاویر میکروساختار توسط میکروسکوپ نوری. 42

شکل4-3. تصاویر میکروسکوپ الکترونی تهیه‌شده از کاربیدها، سمت راست BSE و سمت چپ SE… 43

ادامه‌ی شکل 4-3، ط و ظ)48DCT در بزرگنمایی x 2000. 44

شکل4-4. تصاویر میکروسکوپ الکترونی تهیه‌شده از کاربید­ها 44

شکل 4-5. تصویر تهیه­شده از تصاویر میکروسکوپی جهت محاسبات نرم­افزاری. 45

شکل 4-6. توزیع اندازه­ی کاربیدها در نمونه­های مختلف. 45

شکل 4-7. الگوی پراش نمونه­ی CHT. 46

شکل 4-8. الگوی پراش پرتوی ایکس از نمونه­های مختلف. 46

شکل 4-9.سختی بر اساس نوع عملیات انجام‌شده (DCT). 47

شکل 4-10. پروفیل میکرو سختی نمونه. 48

شکل 4-11. درصد افزایش سختی در نمونه­های مختلف. 48

شکل 4-12. ضریب اصطکاک برحسب مسافت، الف) CHT، ب) 1DCT… 50

یازده

ادامه­ی شکل 4-12. ج)24DCT، د)30DCT و ه)48DCT در بار اعمالی N80. 51

شکل 4-13. سطح سایش دیسک در بار اعمالی N80. 52

شکل 4-14. سطح سایش دیسک در بار اعمالی N110. 53

شکل 4-15. تصاویر میکروسکوپ نیروی اتمی سطوح سایش…. 54

شکل 4-16. تصویر تهیه‌شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی از ذرات سایش. 55

شکل 4-17. نتایج آنالیز EDS نمونه­ی CHT، 1) محصولات سایش، 2) ذرات چسبیده به سطح سایش. 56

شکل 4-18. نتایج آنالیز EDS محصولات سایش نمونه­ی 1DCT.. 57

شکل 4-19. نتایج آنالیز EDS نمونه­ی 24DCT.. 57

ادامه­ی شکل 4-19. 1) محصولات سایش، 2) ذرات چسبیده به سطح سایش…. 58

شکل 4-20. نتایج آنالیز EDS محصولات سایش نمونه­ی 30DCT. 59

شکل 4-21. نتایج آنالیز EDS محصولات سایش نمونه­ی 48DCT. 60

شکل 4-22. نمودار کاهش جرم برحسب مسافت برای نمونه‌های مختلف، الف)N  80 و ب) N  110. 60

شکل 4-23. نرخ سایش برحسب مسافت برای نمونه‌های مختلف، الف)N  80 و ب)N  110. 61

شکل 4-24. درصد افزایش مقاومت سایشی بر اساس نوع عملیات حرارتی. 62

 

 

 

دوازده

 

 

 چکیده

در این پژوهش تأثیر زمان عملیات زیر صفر بر رفتار سایشی فولاد 7147/1 (5120) موردمطالعه قرار گرفته است. جهت انجام عملیات کربوره کردن، نمونه­ها درون جعبه­هایی از فولاد نسوز با ترکیبی از پودر زغال، باریم کربنات و سدیم هیدروکسید به نسبت 1:1:50 قرار گرفت و به مدت 6 ساعت، در دمای C◦ 920 کربوره شد؛ سپس در داخل این جعبه در هوا تا دمای محیط خنک شدند. عملیات آستنیته کردن در دمایC◦ 930 به مدت 1 ساعت بر روی نمونه‌ها اعمال و در روغن کوئنچ شد. به‌منظور بررسی تأثیر زمان فرایند زیر صفر عمیق، نمونه‌ها به مدت‌زمان 1، 24، 30 و 48 ساعت در نیتروژن مایع در دمایC◦ 196- نگهداری شدند و سپس در دمای محیط در اتاق نگهداری شد. به‌منظور بهبود خواص فولاد و آزاد­سازی تنش­های داخلی ناشی از کوئنچ، نمونه­ها به مدت 2 ساعت در دمای C ◦ 200 در کوره‌ نگهداری شدند. نمونه­ها پس از آماده سازی سطحی، تحت آزمون­های مختلف قرار گرفتند. برای تعيين فازها از روش پراش پرتو ایکس استفاده شد؛ بدين منظور نمونه‌ها در ابعاد مناسب تهيه و با استفاده از نرم‌افزار Xpert فازهاي موجود با استفاده از عناصر اوليه تعيين شد. آزمون سایش به روش گلوله روی دیسک با استفاده از گلوله­ای از جنس کاربید تنگستن بر نمونه‌های دیسکی با دو بار 80 و 110 نیوتون به مسافت 1000 متر در رطوبت هوای 5±30% و درجه حرارت C◦ 5±25 انجام شد. سختي نمونه‌ها به‌صورت ماکرو در مقياس راکول سي اندازه‌گیری شد. اندازه‌گیری سختی نمونه‌ها قبل و بعد از بازگشت، با بار اعمالی 30 کیلوگرم انجام گردید. همچنين ریز سختی نمونه‌ها با استفاده از دستگاه ریز سختی سنجی و با نيروي g100 انجام گرديد؛ سطوح سایش ابتدا توسط استون تمیز شده و با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) موردمطالعه قرار گرفت. محصولات سایش نیز توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیف­سنجی تفکیک انرژی پرتو ایکس (EDS) مورد بررسی قرار گرفت. مطالعات پراش پرتو ایکس حاکی از کاهش در مقدار آستنیت باقیمانده در اثر اعمال عملیات زیر صفر بوده بگونه­ای که در زمان های بیش ازیک ساعت، پیک آستنیت باقیمانده مشاهده نشده­است. بررسی‌های میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی توزیع بهتر کاربیدها، ریز شدن و افزایش کسر حجمی کاربیدها را در عملیات زیرصفرعمیق نشان داد. بدین ترتیب عملیات زیر صفر عمیق منجر به افزایش در سختی در حد 4 تا 33% و تا 24 ساعت ، افزایش مقاومت سایشی تا %39/191 می­گردد. با افزایش بیش­تر زمان عملیات زیر صفر، مقاومت سایشی نمونه­ها کاهش یافته است؛ به­گونه­ای که در نمونه­ی 48 ساعت عملیات زیر صفر شده مقاومت سایشی کاهش یافته است. علت افزایش سختی نمونه­ها کاهش میزان آستنیت باقیمانده در اثر عملیات زیر صفر عمیق و دلیل کاهش مقاومت سایشی نمونه­ها پس از 24 ساعت، رشد کاربید­ها و توزیع غیریکنواخت آن در ساختار و در نتیجه ضعیف شدن زمینه بوده است؛ بنابراین مدت زمان 24 ساعت عملیات زیر صفر عمیق بر فولاد 7147/1 زمانی بهینه است.

کلمات کلیدی: عملیات زیر صفر عمیق، آستنیت باقیمانده، کاربید، مقاومت سایشی، سختی

فصل اول

مقدمه

در بسیاری از کاربرد‌‌‌‌های صنعتی نیاز به قطعاتی است که دارای سطحی سخت بوده و درعین‌حال از چقرمگی یا مقاومت به ضربه‌ی خوبی نیز برخوردار باشند. ازجمله مواردی که می‌‌توان در این رابطه به‌عنوان مثال به آن‌ها اشاره کرد عبارت‫اند از:میل‌لنگ، میل بادامک، چرخ‌دنده و قطعات مشابه. این قطعات باید سطحی بسیار سخت و مقاوم در برابر سایش داشته و همچنین بسیار چقرمه و مقاوم در برابر ضربه‌‌‌‌های وارده در حین کار باشند.

بسیاری از قطعات فولادی را می‌‌توان به نحوی عملیات حرارتی کرد که در پایان دارای مجموعه‌ای از خواص بالا باشند،‌یعنی درحالی‌که از مقاومت به سایش خوبی برخوردارند، دارای استحکام دینامیکی خوبی نیز باشند. این نوع عملیات حرارتی که اصطلاحا به سخت کردن سطحی موسوم‌اند، آخرین عملیاتی هستند که باید در مرحله­ی پایانی ساخت قطعه و پس‌ازانجام تمام مراحل مربوط به شکل‌دهی نظیر ماشین‌کاری انجام شود.

روش‌‌‌‌های مختلف عملیات حرارتی که به کمک آن‌ها می‌توان سطح قطعات را سخت کرد، عمدتاً به دو دسته تقسیم می‌شوند. دسته‌ی اول عملیاتی که منجر به تغییر در ترکیب شیمیایی سطح فولاد می‌‌شوند و به عملیات حرارتی­شیمیایی یا ترمو­شیمی موسوم‌اند، نظیر کربن‌دهی، نیتروژن­دهی و کربن نیتروژن­دهی. دسته‌ی دوم روش‌‌‌‌هایی که بدون تغییر ترکیب شیمیایی سطح و فقط به کمک عملیات حرارتی که در لایه‌ی سطحی متمرکز شده، انجام می­شوند و باعث سخت شدن سطح می‌گردند و به عملیات حرارتی موضعی موسوم‌اند، مانند سخت کردن شعله‌ای و سخت­کردن القایی. در آلیاژ‌‌‌‌های آهن–کربن و فولاد‌ها، مارتنزیت از سردکردن سریع آستنیت به وجود می‌آید. واژه­ی مارتنزیت که برای مدت‌‌‌‌ها فقط به ساختار سخت حاصل از سریع سرد کردن فولاد‌‌‌‌های کربنی اطلاق می­شود برای قدردانی از دانشمند معروف آلمانی به نام مارتنز است. در به­کار بردن واژه‌ی مارتنزیت، اخیراً به‌جای محصولات حاصل، تأکید بیش‌تر بر روی طبیعت دگرگونی گذاشته‌شده است. مارتنزیت فازی است که توسط یک دگرگونی مارتنزیتی ‌یا جابجایی گروهی

اتم‌‌‌‌ها حاصل می‌‌شود، گرچه ممکن است فاز یادشده‌، ترکیب شیمیایی، ساختار بلوری و خواص کاملاً متفاوتی از مارتنزیت در فولاد‌‌‌‌ها داشته باشد. دمایی را که در‌یک آلیاژ دگرگونی آستنیت به مارتنزیت شروع می‌‌شود، دمای شروع تشکیل مارتنزیت نامیده و آن را با Ms نشان می‌‌دهند. در حقیقت، Ms نشان دهنده‌ی مقدار نیروی محرکه‌ی ترمودینامیکی لازم برای شروع دگرگونی برشی آستنیت به مارتنزیت است. با افزایش درصد کربن، دمای Ms به‌طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. در حقیقت کربن موجود به‌صورت محلول جامد، استحکام یا مقاومت برشی آستنیت را افزایش می­دهد و بنابراین با افزایش کربن نیرومحرکه‌ی بیش‌تری جهت شروع لغزش برای تشکیل مارتنزیت لازم است. این نیروی محرکه‌ی بیش‌تر، با سرد کردن فولاد تا دمایی پایین‌تر و یا به‌عبارت‌دیگر تحت تبرید بیش‌تر(Ms کمتر) به دست می‌‌آید. دمای پایان تشکیل مارتنزیت (Mf)‌یا دمایی که دگرگونی آستنیت به مارتنزیت در‌یک آلیاژ داده‌شده خاتمه می‌یابد نیز تابعی از درصد کربن آلیاژ است.

آستنیت باقیمانده فازی نرم بوده و در دمای پایین ناپایدار است؛ به‌گونه‌ای که در دمای پایین و در حین کار به مارتنزیت ترد تبدیل می‌‌شود. تبدیل آستنیت به مارتنزیت تقریباً 4% انبساط حجمی ایجاد می‌‌کند که منجر به اعوجاج قطعات می‌‌شود. بنابراین از عملیات زیر صفر یا بازگشت چندتایی در دمایی نسبتاً بالا و یا مدت‌زمان طولانی برای کمینه کردن میزان آستنیت باقیمانده در فولاد‌‌‌‌ها استفاده می‌‌شود.

دو نوع عملیات زیر صفر وجود دارد: 1) زیر صفر سطحی که در محدوده دمایی 100- تا C°60- انجام می­شود. این عملیات منجر به کاهش آستنیت باقیمانده و افزایش مقاومت سایشی می‌‌شود. 2) زیر صفر عمیق که در دما‌‌‌‌های زیر C°125- انجام می­شود.

اثرات زیر صفر‌ عمیق عبارت‌اند از:

  1. تبدیل آستنیت باقیمانده به مارتنزیت
  2. کاهش تنش­های پسماند
  3. تشکیل کاربیدهای بسیار ریز که در بین کاربیدهای درشت قرار می‌‌گیرند
  4. تشکیل ابرهای نابجایی در فصل مشترک زمینه‌ی مارتنزیتی و کاربید‌‌‌‌ها در طول فرایند هم‌دما سازی و تشکیل کاربید
  5. توزیع یکنواخت کاربید­ها ،کوچک شدن اندازه­ی کاربید­های ثانویه، افزایش میزان و چگالی آن‌ها
  6. افزایش مقاومت سایش خراشان و سایش خستگی
  7. افزایش استحکام کششی و پایداری
  8. افزایش سختی
  9. پایداری ابعادی ماده
  10. تولید ساختار مولکولی چگال تر
  11. افزایش هدایت الکتریکی فلزات
  12. افزایش مقاومت به خوردگی

پارامتر‌‌‌‌های زیر صفر عبارت‌اند از: نرخ سرمایش، دمای هم‌دما سازی، زمان هم‌دما سازی، نرخ گرمایش، دما و زمان بازگشت و دمای آستنیته کردن.

تحقیقات بسیاری بر روی فولاد‫هایی که درصد عناصر آلیاژی و یا کربن آن‫ها بالاست، صورت گرفته است. در این پژوهش‫ها با حصول ترکیب مناسبی از توزیع کاربید‫ها و کاهش یا حذف آستنیت باقیمانده خواص فولاد‫های مورد مطالعه را بهبود داده‫اند.

فولاد 7147/1، فولادی کربوره شونده (سمانته) بوده که در ساخت قطعاتی که ترکیبی از استحکام متوسط، چقرمگی و مقاومت سایشی بالا نیاز است، مورداستفاده قرار گرفته است و گاه برای تهیه­ی قطعات مورد مصرف صنایع خودرو‫سازی همچون چرخ‌دنده و میل‌لنگ کاربرد دارد. در فولاد­هایی که به منظور سختی کاری سطحی تحت عملیات کربوره­کردن قرار می­گیرند، با افزایش درصد کربن سطح، Ms کاهش و میزان آستنیت باقیمانده در اثر سریع سرد کردن در سطح افزایش خواهد یافت.

در این پژوهش عملیات زیر صفر عمیق به منظور بهبود خواص سایشی فولاد 7147/1 در زمان‫های مختلف انجام شده است؛ در فصل دوم تحقیقات صورت گرفته بر فولاد‫های مختلف، فصل سوم مواد و روش تحقیق، فصل چهارم نتایج و بحث و در نهایت در فصل پنجم، نتایج حاصل و پیشنهاداتی در راستای بررسی‫های بیشتر و کارآمد گردآوری شده است.

 

فصل دوم

مروری بر مطالب

2-1- معرفی و تاریخچه

فولاد آستنیتی آلیاژی از آهن و کربن همراه با عناصر دیگر در حالت محلول است که با عملیات نفوذی در محلول آستنیتی تجزیه و همگن‌سازی می‌‌شود. زمانی که فولاد حرارت داده می‌‌شود ساختار کریستالی آهن به مکعبی مرکز‫دار تغییر می‌یابد. استحاله‌ی آستنیت به مارتنزیت از دمایی که دمای آغاز مارتنزیت ‌یا Ms نامیده می‌‌شود، آغاز می‫شود. برای اغلب فولاد‌‌‌‌های خاص، استحاله هم‌دما بوده و همان‌طور که دما به دمای پایان مارتنزیت می‌‌رسد (Mf)، توسعه می‫یابد. مقداری آستنیت، آستنیت باقیمانده، همیشه پس از سخت سازی حضور دارد. مارتنزیت بیش‌تر و درصد کربن بیش‌تر، سختی فولاد را افزایش می‌‌دهد. میزان کربن، دمای آغاز و پایان استحاله‌ی مارتنزیت را تحت تأثیر قرار می‌‌دهد. Ms و Mf می‌‌تواند پایین‌تر از دمای اتاق باشد؛ فولاد به‌صورت جزئی به مارتنزیت تبدیل شده و بقیه‌ی ساختار را آستنیت باقیمانده تشکیل می‌‌دهد. این دو دما همچنین با افزایش اندازه دانه کاهش می‌یابد [1].

2-2- آستنیت باقیمانده

دماي شروع استحاله مارتنزیت (Ms) و دماي پایان این استحاله (Mf) در فولادها به درصد کربن و درصد عناصر آلیاژی بستگي دارد (شکل2-1). همان‌طور که از شکل 2-1 مشخص است، وقتي فولادي با درصد کربن بالاي 65/0 %کوئنچ مي‌شود، تغيير حالت آستنيت به مارتنزیت در دماي اتاق (oC20) پايان نمی‌یابد. درنتیجه مقداري از آستنيت باقي خواهد ماند که به آستنيت باقيمانده موسوم است [2]. در جدول 2-1 تأثیر 1% از عناصر آلیاژی بر دمای شروع استحاله مارتنزیتدر فولادهایی با 9/0-1% کربن آورده شده است. البته تأثیر عناصر آلیاژی بر دمای استحاله مارتنزیتی به درصد کربن در فولاد نیز بستگی دارد. در جدول 2-2 تأثیر 1% کروم بر دمای شروع استحاله مارتنزیتی در فولادهایی با درصدهای مختلف از کربن آورده شده است [3]. در شکل 2-2 منحنی استحاله مارتنزیت آورده شده

است. همان‌طوری که مشخص است استحاله مارتنزیت درA˝r(M) ، که همان دمای  Msاست شروع می‌شود. اگر دما کاهش پیدا کند، استحاله پیشرفت کرده و مقدار مارتنزیت افزایش می‌یابد. اگر عملیات کوئنچ تا دمای محیط انجام شود، استحاله مارتنزیتی در دمای  oC 20 متوقف می‌گردد. سرد کردن فولاد تا دمای t˝ که همان دمای Mf است منجر به افزایش درصد مارتنزیت می‌شود ولی مقداری آستنیت باقیمانده در ساختار حضور دارد [2]. آستنيت باقيمانده که يک فاز نرم است باعث کاهش سختي فولاد پس از کوئنچ خواهد شد. اگر درصد آستنيت باقيمانده بالاتر از 10% باشد باعث کاهش فاحش سختی در نمونه می‌شود (شکل 2-3). هر چه درصد کربن بالاتر باشد، درصد آستنیت باقيمانده نيز بیش‌تر خواهد بود (شکل 2-4). اگر يک فولاد‌‌‌ هايپريوتکتویید از منطقه کاملاً آستنيتي در بالاي Acm سرد شود، ساختار پس از سرد کردن از مارتنزيت و آستنیتت باقیمانده تشکيل خواهد شد و همان‌طور که در شکل 2-3 مشخص است سختي با افزايش درصد کربن، به دلیل افزایش در مقدار آستنیت باقیمانده، کاهش خواهد يافت؛ اما اگر فولادهای‌‌‌ هايپريوتکتويد از منطقه دوفازی آستنیت – سمانتیت، کوئنچ شوند، ساختار نهایی فولاد از مارتنزیت – سمانتیت – آستنیتت باقیمانده تشکیل می‌شود. تحت این شرایط سختی این فولادها یکسان بوده و وابسته به درصد کربن نیست [2].

شکل2-1. دماي شروع و پایان استحاله مارتنزیت (f  Mو Ms) با توجه به درصد کربن در فولاد [3].

جدول2-1. تأثیر 1% از عناصر آلیاژی بر دمای شروع استحاله مارتنزیت در فولادهایی با 9/0 – 1% کربن [3]

تغییر در دمای شروع استحاله مارتنزیتی (oC) عنصر آلیاژی
55- Mn
35- V
30- Mo
17- Ni
15- Cr
12- W
10- Cu
0 Si
12 Co
30 Al

جدول 2-2. تأثیر 1% کروم بر دمای شروع استحاله مارتنزیتی در فولادهایی با درصد کربن مختلف [3]

تغییر در دمای شروع استحاله مارتنزیتی به ازاء 1% کرم(°C) درصد کربن فولاد
4- 4/0%
10- 8/0%
17- 1%
25- 2/1%

شکل2-2. منحنی استحاله مارتنزیت [3, 2].

ریز‌ساختار فولاد‌‌‌‌های مارتنزیتی متناسب با درصد کربن به دورویه تغییر می‌‌کند: اول، فولاد‌‌‌‌های غیر آلیاژی با درصد کربن کمتر از 5/0 -%Wt 6/0 که مارتنزیت تیغه‌ای جابجا شده [1]در آن‌ها حین کوئنچ کردن تشکیل می‌شود؛ فولاد‌‌‌‌هایی با درصد کربن بیش از 1%، مارتنزیت بشقابی دوقلویی شده [2] تشکیل می‫دهند و ترکیبی از مارتنزیت‌‌‌‌های تیغه‌ای و بشقابی در سطوح میانی درصد کربن تشکیل می‌‌شوند. بنابراین سطح کربوره شده می‫تواند مخلوطی از مورفولوژی‌های مارتنزیت را داشته باشد؛ به‌گونه‌ای که مارتنزیت بشقابی در لایه‌‌‌‌های بیرونی پر‫کربن غالب بوده و با نزدیک شدن به مغز قطعه، مارتنزیت تیغه‌ای غالب است. عناصر آلیاژی که آستنیت را مستحکم می‫کنند، تشکیل مارتنزیت بشقابی را در سطوح پایین‌تر کربن، ترغیب می‌‌کنند. در محدوده‌ی کربن که انتقال از مارتنزیت تیغه‌ای به بشقابی رخ می‌‌دهد، میزان آستنیت باقیمانده در ساختار کوئنچ شده افزایش می‌یابد؛ به‌هرحال، میزان آستنیت باقیمانده تابعی از متغیر‌‌‌‌های دیگر است؛ این میزان با کاهش نرخ کوئنچ و افزایش درصد عناصر آلیاژی، افزایش می‌یابد. بنابراین در یک درصد مشخص کربن، درصد آستنیت قطعات کوئنچ شده می‌‌تواند بیش‌تر از مقادیر نشان داده‌شده در شکل 2-4 باشد. اگرچه سختی مارتنزیت با افزایش درصد کربن به‌طور یکنواخت افزایش می‌یابد، سختی کامپوزیت‌‌‌‌های آستنیتی­-­مارتنزیتی حاصل از کوئنچ، معمول بالای تقریباً%Wt 6/0، حالت مسطح خواهد داشت (شکل 2-3) [4].

شکل 2-3. سختی راکول C به‌عنوان تابعی از درصد کربن. منحنی بالاتر تخمین سختی مارتنزیت با ناحیه‌ی سایه زده‌شده بالای %Wt 9/0 کربن به دلیل عدم اطمینان از حضور آستنیت باقیمانده است.  نوار پایینی، تخمینی از ماکزیمم سختی حاصل از کوئنچ متداول است [4].

2-2-1- پایداری آستنیت

دشوار نمودن استحاله‌ی آستنیت به مارتنزیت، پایدارسازی آستنیت نامیده می‌‌شود که در بیش‌تر حالات رخ می‌دهد؛ پایدارسازی معمولاً به‌صورت زیر طبقه‌بندی می‌‌شود:

  • پایداری شیمیایی (به دلیل تغییر ترکیب شیمیایی)
  • پایداری حرارتی (به دلیل عملیات حرارتی) و
  • پایداری مکانیکی ( به دلیل تغییر شکل پلاستیک)

از این سه مورد، پایداری شیمیایی، کاهش Ms به دلیل تغییر در ترکیب شیمیایی است [5].

الف) دسته‌بندی علل پایداری

می‌‌توان مکانیزم‌‌‌‌های پایداری آستنیت را به‌صورت زیر دسته‌بندی کرد:

  1. پایداری شیمیایی
  2. تغییر در ترکیب شیمیایی (نفوذ اتم‌‌‌‌ها)
  3. آرایش اتمی‌‌( برای مثال منظم شدن)
  4. کشش و فشار داخلی
  5. پایداری غیر شیمیایی
  6. تنش برشی داخلی ( کرنش شبکه‌ای بلند برد)
  7. عیوب شبکه و کرنش شبکه‌ای کوتاه برد
  8. مانع رشد
  9. مکان‌‌‌‌های جوانه‌زنی
  10. اتمسفر کاترل و رسوب‌گذاری همدوس[3]
  11. جا­های خالی ساکن (مکان‌‌‌‌های جوانه‌زنی) [5].

شکل 2-4. درصد آستنیت باقیمانده به‌عنوان تابعی از درصد کربن. خطوط عمودی محدوده‌ای از کربن را نشان می‌‌دهد که مارتنزیت‌‌‌‌های تیغه‌ای و بشقابی در آلیاژ‌‌‌‌های آهن-کربن یافت می‌‌شود [4].

  • محدوده‌ی دمای استحاله

یک شکاف بین دمای آغاز و پایان استحاله‌ی مارتنزیت وجود دارد که به معنای یکتا نبودن دمای استحاله در نمونه است؛ به‌بیان‌دیگر، زمینه‌ای که در آخر استحاله می‌یابد از زمینه‌ای که زودتر مستحل می‌‌شود، پایدار‌تر است. آلیاژ آهن-‌نیکلی که درصد نیکل بیش از 30% است را در نظر می‌‌گیریم؛ Ms زیر دمای اتاق است، بنابراین می‌‌توان اثر نفوذ اتم‌‌‌‌ها در حین استحاله را نادیده گرفت. بنابراین منظم شدن شبکه رخ نخواهد داد؛ می‌‌توان مکانیزم I و II را عامل پایداری دانست. فرض کنید جوانه‌ی فاز /α (مارتنزیت) تولیدشده است که تنش‌‌‌‌های داخلی در اطراف خود ایجاد می‌‌کند؛ ناحیه‌ای که تنش کششی تولید می‌‌کند، آماده‌ی استحاله بوده و ناحیه‌ای که در معرض تنش فشاری است، استحاله را به تعویق می‌‌اندازد و Ms را کاهش می‌‌دهد. در این مورد مکانیزم 3 عمل می‌‌کند. ناحیه‌ای که استحاله نیافته است، از مکان‌‌‌‌های مناسب جوانه‌زنی فقیرتر بوده و در اثر جزء بندی همکاری می‌‌کند که نشان‌دهنده‌ی عملکرد مکانیزم 5 به‌عنوان عامل پایدار‌کننده است. بنابراین باید توجه داشت که در آلیاژ آهن- نیکل غنی از نیکل، مکانیزم 3 و 5 محدوده‌ی دمایی برای استحاله تولید می‌‌کنند. چون آلیاژی با درصد کمتر نیکل دمای استحاله‌ی بالاتری دارد، مکانیزم 1 ممکن است زمانی که نرخ سرمایش به میزان کافی کم باشد، دخالت کند [5].

فولادی با عناصر بین نشین مانند کربن و نیتروژن را در نظر می‌‌گیریم؛ در این حالت مکانیزم‌‌‌‌های 3 و 5 عمل می‫کند. در حین استحاله، منظم شدن از نوع Fe4C و Fe4N در آستنیت باقیمانده رخ‌داده و آن را پایدار می‌‌کند. اما پایداری نمی‌‌تواند بسیار وسیع باشد، چون منظم شدن در /α رخ نداده و این اثر به‌صورت ناحیه‌ای منحل می‌‌شود. مهم‌ترین اثر پایداری شاید به دلیل نفوذ اتم‌‌‌‌های  C(N)در آستنیت باقیمانده از فاز /α باشد ، زمانی که درصد C(N) پایین باشد و دمای استحاله بالا باشد، اما در این حالت، استحاله به استحاله‌ی بینیتی نزدیک می‌‌شود [5].

ج) تأثیر دمای آستنیته و کوئنچ کردن

در بیش‌تر تحقیقاتی که دمای آستنیته‌کردن را در نظر گرفته است، دمای گرمایش و کوئنچ مساوی در نظر گرفته‌شده‌اند؛ مطلوب است که این دو دما به‌طور مستقل در نظر گرفته شوند؛ چون دمای کوئنچ تعداد جاهای خالی (مکانیزم 7) و دمای گرمایش اندازه دانه و دیگر نواقص را کنترل می­کند (مکانیزم 5) [5].

د) تأثیر دمای آستنیته و کوئنچ کردن بر دمای Ms

محققان بیان می‌کنند که بالا بودن دمای ‌‌آستنیته کردن دمای Ms را افزایش می‌‌دهد؛ شکل 2-5 نمونه‌ای را بیان می­کند که در آن خطوط شکسته افزایش اندازه دانه‌ی آستنیت را با افزایش دمای آستنیته کردن نشان می‌‌دهد؛ همچنین افزایش زمان حرارت دهی، دمای Ms را افزایش می‌‌دهد (شکل 2-6) [5].

با بیان این حقیقت، مکانیزم 7 ممکن است در نظر گرفته شود، چون دمای بالاتر کوئنچ جاهای خالی ساکن و بنابراین مکان‌های جوانه‌زنی بیش‌تری را تولید می‌کند. اما هنوز از این‌که این پدیده‌ها چگونه اثر می‌‌کنند، اطمینان حاصل نشده است؛ به‌بیان‌دیگر، دمای کوئنچ بالاتر، کرنش حرارتی بالاتری را تولید کند؛ بنابراین انتظار می‌رود که دمای Ms افزایش ‌یابد. به‌هرحال این اثر نمی‌‌تواند بسیار بزرگ باشد. رایج‌ترین علت افزایش دمای Ms، کاهش انرژی موردنیاز برای برش مکمل به دلیل استحاله است که در اثر حذف عیوب شبکه ناشی از گرمایش تا دما‌های بالاتر تولید می‌شود [5].

شکل 2-5. تغییر دمای Ms وانداده دانه‌ی آستنیت با دمای آستنیته کردن (Fe-0. 33%C-3. 26%Ni-0. 85%Cr-0. 09%Mo)، حرارت داده‌شده به مدت 2 دقیقه در 800 –C °1000، 1 دقیقه در دما‌های بالای C°1000) [5].

شکل 2-6. تغییرات دمای Ms با زمان حرارت دهی آستنیته کردن (آلیاژ مورد بحث در شکل 2-5، دمای حرارت دهیC° 800) [5].

شکل 2-7 برای فولاد نیکل بالاست؛ در این شکل، دمای آغاز استحاله با Mb نشان داده‌شده است تا بیان کند استحاله‌ی مارتنزیتی به‌صورت یک پدیده‌ی انفجاری در این آلیاژ رخ می‌‌دهد. شکل 2-7الف نشان می‌دهد که دمای Mb با افزایش دمای آستنیته کردن افزایش می‌یابد.  شکل 2-‌7ب رابطه‌ی بین Mb و اندازه‌ی دانه‌ی آستنیت را نشان می‌‌دهد؛ این همسانی نباید این‌گونه تفسیر شود که اندازه دانه‌ی بزرگ‌تر آستنیت نقطه‌ی Mb را افزایش می‌دهد و بیش‌تر به این اشاره دارد که رشد دانه‌های آستنیت و افزایش دمای آغاز استحاله با افزایش دمای آستنیته کردن به‌طور همزمان و مستقل صورت می‌گیرد. شکل 2-7ج ارتباط بین اندازه‌ی انفجاری و Mb را نشان می‌دهد. برای هر آلیاژ، منحنی متناسب با دمای آستنیته کردن C° 1050‌یک انفجار ماکزیمم نشان می‌دهد [5].

شکل 2-7. تغییرات Mb با الف) ‌اندازه دانه‌ی آستنیت ب) دمای آستنیته کردن و ج) میزان مارتنزیت انفجاری [5].

ه) تأثیر دمای آستنیته و کوئنچ کردن بر میزان آستنیت باقیمانده

در آلیاژ‌‌‌‌های با دمای پایان استحاله‌ی مارتنزیتی زیر دمای اتاق، بخشی از فاز آستنیت پس از کوئنچ کردن تا دمای اتاق، تغییر فاز نیافته باقی می‌‌ماند؛ میزان آستنیت باقیمانده وابسته به شرایط کوئنچ است. همان‌طور که قبل اشاره شد، میزان آستنیت باقیمانده با افزایش درصد کربن افزایش می‌یابد؛ اولین نکته‌ای که باید به آن توجه نمود این است که میزان آستنیت باقیمانده در هر دمای آستنیته‌کردن، ماکزیمم مقدار است. بنابراین در دما‌‌‌‌های بسیار پایین آستنیته‌کردن، میزان آستنیت باقیمانده به دلیل انحلال نامناسب کاربید‌‌‌‌ها‌ی آهن، محدود شده است؛ به‌بیان‌دیگر، میزان آستنیت باقیمانده، حتی زمانی که دما‌‌‌‌های آستنیته کردن در حد 900 تا C° 1000 باشد و همه‌ی کربن به‌صورت محلول باشد، به‌صورت زیر بیان شده است:

خنثی‌سازی عیوب شبکه‌ای و کاهش تعداد مرز دانه‌های آستنیت به دلیل عملیات حرارتی، منجر به غالب شدن مکانیزم 5 در حالتی که آستنیت را ناپایدار می‌‌کند، می‌‌شود. زمانی که دمای کوئنچ بیش‌تر افزایش ‌یابد، میزان آستنیت باقیمانده به ماکزیمم مقدار خود رسیده و سپس کاهش می‌یابد. نکته‌ی دومی که باید موردتوجه قرار گیرد این است که آستنیت بیش‌تری زمانی که کوئنچ در روغن انجام می‌‌شود نسبت به حالتی که در آب انجام می‌‌شود، باقی می‌‌ماند [5].

و) پایداری با نگهداری بالای دمای Ms

قبلاً بیان شد که با کاهش دمای آستنیته کردن، پایداری بیش‌تر و بنابراین کاهش دمای Ms رخ خواهد داد. به‌منظور آشکارتر نمودن این اثر، دمای کوئنچ تا بالای Ms باید کاهش ‌یابد، اگرچه زمان نگهداری طولانی‌تری برای دستیابی به اثر قابل‌توجه موردنیاز است؛ شکل 2-8 که برای فولاد بلبرینگ کرومی آورده شده است، نشان می‌دهد که دمای Ms در C° 250،که بالای دمای Ms اولیه است،تحت تأثیر زمان نگهداری است. ابتدا Ms با افزایش زمان نگهداری کاهش‌یافته که بیانگر پایداری است؛ پس از دو دقیقه افزایش‌یافته و بعدازآن

مراجع

[1] Patil, P.I., Tated, R.G., Comparison of effects of cryogenic treatment on different types of steels: A Review“, IJCA Proceedings on International Conference in Computational Intelligence (ICCIA2012), iccia (9), 2012.

[2] Totten, G.E., Steel Heat Treatment Metallurgy and Technology, 2 ed. Taylor, Francis, Raton B., 2007.

[3] Gulyaev, A.P., “Cold Treatment of Steel”. Metals Science and Heat Treatment, Vol. 40, pp. 449-455, 1998.

[4] Stickels, C.A., Carborizing, Friction, Lubrication ASM Metals Handbook and Wear Technology, Environmental Research Institute of Michigan, 1992

[5] Nishiyama, Z., Martensitic Transformation, Chapter 5 – Conditions for Martensite Formation and Stabilization of Austenite, Academic Press, pp. 263-336, 1978.

[6] گلعذار، م. ع، اصول و کابرد عملیات حرارتی فولاد‌‌‌‌ها، ویرایش دوم، مرکز نشر دانشگاه صنعتی اصفهان، 1385.

[7] Krauss, G., Microstructures and properties of carburized steels, Heat treating, ASM Hand book, Vol. 4, 1991.

[8] Carlson, Earl. A., Cold treating and cryogenic treatment of steel, Heat Treating, ASM Hand book, Lindberg Heat Treating Company, 1992.

[9] Molinari, A., Pellizzari, M., Gialanella, S., Straffelini, G., Stiasny, K.H., “Effect of deep cryogenic treatment on the mechanical properties of tool steels”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 118, pp. 350-355, 2001.

[10] Da Silva Flávio, J., Franco Sinésio, D., Machado Álisson, R., Ezugwu Emmanuel, O., Souza Jr Antônio, M., Performance of cryogenically treated HSS tools“, Wear, Vol. 261, pp. 674-685, 2006.

[11] Surberg, C.H., Stratton, P., Lingenhöle, K., “The effect of some heat treatment parameters on the dimensional stability of AISI D2”, Cryogenics, Vol. 48, pp. 42-47, 2008.

[12] Chi, H.X., Ma, D.Sh., Yong, Q.L., Wu, L.Z., Zhang, Z.P., Wang, Y.W., “Effect of cryogenic treatment on properties of Cr8-Type cold work die steel“, Journal of Iron and Steel Research, International, Vol. 17, pp. 43-59. 2010.

[13] Darwin, J.D., Mohan Lal, D., Nagarajan, G., Optimization of cryogenic treatment to maximize the wear resistance of 18% Cr martensitic stainless steel by Taguchi method”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 195, pp. 241-247, 2008.

[14] Akhbarizadeh, A., Golozar, M.A., Shafeie, A., Kholghy, M., Effects of austenizing time on wear behavior of D6 tool steel after deep cryogenic treatment”, Journal of Iron and Steel Research, International, Vol. 16(6), pp. 29-32, 2009.

[15] Das, D., Dutta, A.K., Ray, K.K., Influence of varied cryotreatment on the wear behavior of AISI D2 steel”, Wear, Vol. 266, pp. 267-309, 2009.

[16] Das, D., Dutta, A.K., Ray, K.K., Influence of temperature of sub-zero treatments on the wear behaviour of die steel”, Wear, Vol. 267, pp. 1361-1370, 2009.

[17] Wale, A.D., Wakchaure, V.D., “Effect of cryogenic treatment on mechanical properties of cold work tool steels”, International Journal of Modern Engineering research, Vol. 3, pp. 149-154, 2013.

[18] Koneshlou, M., Meshinchi Asl, K., Khomamizadeh, F., Effect of cryogenic treatment on microstructure, mechanical and wear behaviors of AISI H13 hot work tool steel”, Cryogenics, Vol. 51, p. 55-61, 2011.

[19] Senthilkumar, D., Rajendran, I., “Influence of shallow and deep cryogenic treatment on tribological behavior of En 19 steel”, Journal of Iron and Steel Research, International, Vol. 18, p. 53-59, 2011.

[20] Bensely, A., Venkatesh, S., Mohan Lal, D., Nagarajan G., Rajadurai A., Junik Krzysztof., “Effect of cryogenic treatment on distribution of residual stress in case carburized En 353 steel“, Materials Science and Engineering, Vol. 479, pp. 229-235, 2008.

[21] Gogte, Ch., Peshwe, D., Likhite, A., Lomte, S., On the mechanism of the effect of the cryogenic treatment on high speed steels”. Advanced Materials Research, Vol. 383-390, pp. 7138-7142, 2012.

[22] Candane, D., Alagumurthi, N., Palaniradja, K., Effect of cryogenic treatment on microstructure and wear characteristics of AISI M35 HSS”, International Journal of Materials Science and Applications, Vol. 2, pp. 56-65, 2013.

[23] Leskovšek, V., Kalin, M., Vižintin, J., Influence of deep-cryogenic treatment on wear resistance of vacuum heat-treated HSS”, Vacuum, Vol. 80, pp. 507-518, 2006.

[24] El Mehtedi, M., Ricci, P., Drudi, L., El Mehtedi, S., Cabibbo M., Spigarelli S., Analysis of the effect of Deep Cryogenic Treatment on the hardness and microstructure of X30 CrMoN 15 1 steel”, Materials & Design, Vol. 33, pp. 136-144, 2012.

[25] Firouzdor, V., Nejati, E., Khomamizadeh, F., “Effect of deep cryogenic treatment on wear resistance and tool life of M2 HSS drill”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 206, pp. 467-472, 2008.

[26] Akhbarizadeh, A., Shafyei, A., Golozar, M.A., “Effects of cryogenic treatment on wear behavior of D6 tool steel“, Materials & Design, Vol. 30, pp. 3259-3264, 2009.

[27] Yan, X.G., Li, D.Y., Effects of the sub-zero treatment condition on microstructure, mechanical behavior and wear resistance of W9Mo3Cr4V high speed steel”, Wear, Vol. 302, pp. 854-862, 2013.

[28] Gavriljuk, V.G., Theisen, W., Sirosh, V.V., Polshin, E.V., Kortmann, A., Mogilny, G.S., Petrov, Yu.N., Tarusin, Ye.V., Low-temperature martensitic transformation in tool steels in relation to their deep cryogenic treatment“, Acta Materialia, Vol. 61, pp.  1705-1715, 2013.

[29] Huang, J.Y., Zhu, Y.T., Liao, X.Z., Beyerlein, I.J., Bourke, M.A., Mitchell, T.E., “Microstructure of cryogenic treated M2 tool steel”, Materials Science and Engineering, Vol. 339, pp. 241-244, 2003.

[30] Farhani, F., Seyedi Niaki, K., Vahdat, S.E., Firozi, A., Study of effects of deep cryotreatment on mechanical properties of 1.2542 tool steel“, Materials & Design, Vol. 42, pp. 279-288, 2012.

[31] Vahdat, S.E., Nategh, S., Mirdamadi, Sh., “Microstructure and tensile properties of 45WCrV7 tool steel after deep cryogenic treatment”, Materials Science and Engineering, Vol. 585, pp. 444-454, 2013.

[32] Behara, A., Mishra, S.C., Comparative Study of Cryo -Treated Steel“, International Journal of Scientific & Technology Research, Vol. 1, 2012.

[33] Mohan Lal, D., Renganarayanan, S., Kalanidhi, A., “Cryogenic treatment to augment wear resistance of tool and die steels”, Cryogenics, Vol. 41, pp. 149-155, 2001.

[34] Akhbarizadeh, A., Javadpour, S., Amini, K., Investigating the effect of electric current flow on the wear behavior of 1. 2080 tool steel during the deep cryogenic heat treatment”, Materials & Design, Vol. 45, pp. 103-109, 2013.

[35] Akhbarizadeh, A., Javadpour, S., “Investigating the effect of as-quenched vacancies in the final microstructure of 1.2080 tool steel during the deep cryogenic heat treatment”, Materials Letters, Vol. 93, pp. 247-250, 2013.

[36] Akhbarizadeh, A., Amini, K., Javadpour, S., “Effects of applying an external magnetic field during the deep cryogenic heat treatment on the corrosion resistance and wear behavior of 1.2080 tool steel“, Materials & Design, Vol. 41, pp. 114-123, 2012.

[37] Akhbarizadeh, A., Javadpour, S., Amini, K., Yaghtin, A.H., Investigating the effect of ball milling during the deep cryogenic heat treatment of the 1.2080 tool steel”, Vacuum, Vol. 90, pp. 70-74, 2013.

[38] Amini, K., Akhbarizadeh, A., Javadpour, S., Investigating the effect of holding duration on the microstructure of 1. 2080 tool steel during the deep cryogenic heat treatment”, Vacuum, Vol. 86, pp. 1534-1540, 2012.

[39] Baldissera, P., “Deep cryogenic treatment of AISI 302 stainless steel: Part I – Hardness and tensile properties“, Materials & Design, Vol. 31, pp. 4725-4730, 2010.

[40] Zhirafar, S., Rezaeian, A., Pugh, M., “Effect of cryogenic treatment on the mechanical properties of 4340 steel”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 186, pp. 298-303, 2007.

[41] Stratton, P., Gaf, M., The effect of deep cold induced nano-carbides on the wear of case hardened components”, Cryogenics, Vol. 49, pp. 346-349, 2009.

[42] Baldissera, P., Delprete, C., “Effects of deep cryogenic treatment on static mechanical properties of 18NiCrMo5 carburized steel”, Materials & Design, Vol. 30, pp. 1435-1440, 2009.

[43] Bensely, A., Prabhakaran, A., Mohan Lal, D., Nagarajan, G., “Enhancing the wear resistance of case carburized steel (En 353) by cryogenic treatment”, Cryogenics, Vol. 45, pp. 747-754, 2005.

[44] Preciado, M., Bravo, P.M., Alege, J.M., “Effect of low temperature tempering prior cryogenic treatment on carburized steels”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 176, pp. 41-44, 2006.

[45] Oppenkowski, A., Weber, S., Theisen, W., Evaluation of factors influencing deep cryogenic treatment that affect the properties of tool steels”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 210, pp. 1949-1955, 2012.

[46] Xu, N., Cavallaro, G.P., Gerson, A.R., Synchrotron micro-diffraction analysis of the microstructure of cryogenically treated high performance tool steels prior to and after tempering”, Materials Science and Engineering, Vol. 527, pp. 6822-6830, 2010.

[47] Ludema, K.C., Introduction to Wear, Friction, Lubrication and Wear Technology, ASM Hand book ,University of Michigan, 1992.

[48] Neale, M.J., The Tribology Handbook, second eddition, Eastbourne, 1995.

[49] Kato, K. , Adachi, K. , Modern Tribology Handbook, in Wear Mechanisms, CRC Press LLC, 2001.

[50] Bayer, R.G., Mechanical Wear Fundamentals and Testing, 2ed, Dekker M., New York, NY, 2004.

[51] Dong, Y., Lin, X., Xiao, H.S., 1998, “Deep cryogenic treatment of high-speed steel and its mechanism”, Heat Treatment of Metals, Vol. 25, pp. 55-59.

[52] Das, D., Dutta, A.K., Toppo, V. and Ray, K.K., “Effect of deep cryogenic treatment on the carbide precipitation and tribological behavior of D2 steel”, Journal of Materials Manufacturing Process Vol. 22, No. 4, pp. 474-480, 2007.

[53] Debdulal, D., Rajdeep, S., Apurba Kishore, D., Kalyan Kumar, R., “Influence of sub-zero treatments on fracture toughness of AISI D2 steel”, Materials Science and Engineering A, Vol. 528, pp. 589–603, 2010.

[54] Amini, K., Nategh, S., Shafyei, A., “Influence of different cryotreatments on tribological behavior of 80CrMo12 5 cold work tool steel”, Materials & Design, Vol. 31, pp. 4666-75, 2010.

[55] Podgornik, B., Majdic, F.,Leskovsek, V., Vizintin, J., “Improving tribological properties of tool steels through combination of deep-cryogenic  treatment  and plasma nitriding”, Wear, Vol. 288, pp. 88-93, 2012.

[56] Mahmudi, R., Faraji, H.R., “Effect of cryogenic treatments on the mechanical properties and wear behavior of high-speed steel M2”, International Heat Treatment and Surface Engineering, Vol. 2, No. 3-4, pp. 163-166, 2008.

[57] Das, D., Dutta, A.K., Ray, K.K., “Optimization of the duration of cryogenic processing to maximize wear resistance of AISI D2 steel”, Cryogenics, Vol. 49, No. 5, pp. 176-184, 2009.

[58] Collins, D.N., “Deep cryogenic treatment of tools steels-a Review”, Heat Treatment of Metals, Vol. 23, No. 2, pp. 40-42, 1996.

[59] Bensely, A., Senthilkumar, D., Mohan Lal, D., Nagarajan, G., Rajadurai, A., “Effect of cryogenic treatment on tensile behavior of case carburized steel-815m17”, Materials Characterization, Vol. 58, No. 5, pp. 485-491, 2007.

[60] Meng, F., Tagashira, K., Azume, R., Sohma, H., “Role of eta carbide precipitation in the wear resistance improvements of Fe-12cr-Mo-V-1.4c tool steel by cryogenic treatment”, ISIJ International, Vol. 34, No. 2, pp. 205-210, 1994.

[61] Huang, J.Y., Zhu, Y.T., Liao, X.Z., Beyerlein, I.J., Bourke, M.A., Mitchell. T.E., “Microstructure of cryogenic treated M2 tool steel”, Materials Science and Engineering A, Vol. 339, No. 1-2, pp. 241-244, 2003.

[62] Dhar, N.R., Paul, S., Chattopadhyay, A.B., “The influence of cryogenic cooling on tool wear, dimensional accuracy and surface finish in turning AISI 1040 and E4340c steels”, Wear, Vol. 249, No. 10-11, pp. 932-942, 2001.

[63] Collins, D.N., Dormer, J., “Deep cryogenic treatment of a D2 cold-worked tool steel”, Heat Treat. Met, Vol. 24, pp. 71–74, 1997.

[64] Babu, P.S., Rajendran, P., Rao, K.N., “Cryogenic treatment of M1, EN19 and H13 tool steels to improve wear resistance”, Journal-MM, Institute of Engineers (India), Vol. 86, pp. 64–66, 2005.

[65] Mohan Lal, D., Renganarayanan, S., Kalanidhi, A., “Cryogenic treatment to augment wear resistance of tool and die steels”, Cryogenics, pp. 149-55, 2001.

[66] Vimal, A.J., Bensley, A., MohanLal, D., Srinivasan, K., “Deep cryogenic treatment improves wear resistance of En 31 steel”, Materials and Manufacturing Process, Vol. 23, pp. 369–376, 2008.

 

Isfahan University of Technology

Department of Materials Engineering

The Effect of Deep Cryogenic Treatment on Microstructure and Tribological Behavior of 1.7147 Steel

 

A Thesis

Submitted in partial fulfillment of the requirements

For the degree of Master of Science

By

Sima Torkian

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Evaluated and Approved by the Thesis Committee, on January 18, 2015

  • Shafyie, Assoc. Prof. (Supervisor)
  • R. Toroghizhad, Prof. (Supervisor)
  • Edris, Prof. (Examiner)
  • Rezaean, Assist. Prof. (Examiner)

Department Graduate Coordinator, Keyvan raeissi, Assoc. Prof.

The Effect of Deep Cryogenic Treatment on Microstructure and Tribological Behavior of 1.7147 Steel

Sima Torkian

[email protected]

Department of Materials Engineering

Isfahan University of Technology, Isfahan 84156-83111, Iran

Degree: M. Sc.                                                                                                Language: Farsi

Supervisor:

Ali Shafyei: [email protected]

Mohammad Reza Toroghinezhad: [email protected]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abstract

In this research the effect of deep cryogenic treatment on tribological behavior of 1.7147 steel was investigated. At first, the samples were carburized for 6 hr at 920 ◦C. Austenitizing were done at 930 ◦C for 1 hour and the samples were quenched in oil. To finde the effect of deep cryogenic treatment time, the samples were submerged in liquid nitrogen for 1, 24, 30 and 48 hours and then heated to room temperature; then they tempered at 200 ◦C for 2 hours. After surface preparation the wear test was carried out at force of 80 and 110 N. The hardness before and after of tempering were measured in 30 Kg force. The worn surfaces were cleaned by acetone and studied by Scanning Electron Microscopy (SEM) and Atomic Force Microscopy (AFM). Derbies also were studied by Energy Dispersive Spectrometry (EDS). For phase characterization the Xpert software was used. The XRD patterns show that the amount of retained austenite is reduced by deep cryogenic treatment and by more holding time, no picks were observed. The SEM and optical microscopy images show that the amount of carbides is increased and their distribution became homogenous. The percent of hardness increment is 4 – 33% by deep cryogenic treatment and up to 24 hours holding time in liquid nitrogen, wear resistance increases to 191.39%. By more holding time, the wear resistance decreases; the cause of hardness increment is retained austenite – martensite transformation. Also the cause of wear resistance decrement is carbides growth and nonhomogeneous distribution in matrix and weakening it. So 24 hours deep cryogenic treatment is the best time duration for 1.7147 steel.

Keywords: Cryogenic Treatment, Retained austenite, Carbide, Wear resistance, Hardness

[1] Dislocated Lath Martensite

[2] Twinned Plate Martensite

[3]coherent

دیدگاهها

هیچ دیدگاهی برای این محصول نوشته نشده است.

اولین نفری باشید که دیدگاهی را ارسال می کنید برای “دانلود پایان نامه تاثیر عملیات سرد کردن زیر صفر بر ساختار میکروسکوپی و رفتار تریبولوژیکی فولاد 7147/1”

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

+ 47 = 57