ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΕΙΩΝ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Σχέση Μικροδομής-Ιδιοτήτων σε χάλυβες TRIP (Transformation Induced Plasticity) αυξημένης πλαστικότητας κατά την παραμόρφωση ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ Λ. ΚΟΚΚΩΝΙΔΗ Διπλωματούχου Μηχανικού Μεταλλείων-Μεταλλουργού Ε.Μ.Π. ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: Γ.Ν.Φούρλαρης Αν. Καθηγητής Ε.Μ.Π. ΑΘΗΝΑ, Ιούλιος 2012

2 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΕΙΩΝ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Σχέση Μικροδομής-Ιδιοτήτων σε χάλυβες TRIP (Transformation Induced Plasticity) αυξημένης πλαστικότητας κατά την παραμόρφωση ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ Λ. ΚΟΚΚΩΝΙΔΗ Διπλωματούχου Μηχανικού Μεταλλείων-Μεταλλουργού Ε.Μ.Π. ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΣΥΜΒΟΥΛΕΥΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ: ΕΠΤΑΜΕΛΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ: 1. Γ. Φούρλαρης, Αν. Καθ. Ε.Μ.Π.(Επιβλέπων) 1. Δ. Παντελής, Καθ. Ε.Μ.Π. 2. Γ. Παπαδημητρίου, Ομ.Καθ. Ε.Μ.Π. 2. Χ. Παναγόπουλος, Καθ. Ε.Μ.Π. 3. Χ. Παναγόπουλος, Καθ. Ε.Μ.Π. 3. Γ. Φούρλαρης, Αν. Καθ. Ε.Μ.Π. 4. Δ. Τσιπάς, Καθ. Α.Π.Θ. 5. Σ. Σκολιανός, Καθ. Α.Π.Θ. 6. Μ. Πίσσας, Ερευνητής Α, ΕΚΕΦΕ, Δημόκριτος 7. Α. Λεκάτου, Αν. Καθ. Παν.Ιωαννίνων ΑΘΗΝΑ, Ιούλιος 2012

3 Copyright Κοκκωνίδης Παναγιώτης του Λάσκαρη Με επιφύλαξη παντός νομίμου δικαιώματος. All rights reserved. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής, για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερωτήματα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς το συγγραφέα. «Η έγκριση της διδακτορικής διατριβής από την Ανώτατη Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων-Μεταλλουργών του Ε.Μ.Πολυτεχνείου δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωμών του συγγραφέα (Ν.5343/1932, Αρ.202)»

4 Εγκρίθηκε από την επταμελή εξεταστική επιτροπή την 17 η Ιουλίου 2012

5

6 Στην μνήμη του αγαπημένου μου παππού Κόκκαλη Παναγιώτη

7

8 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί το αποτέλεσμα μιας μακρόχρονης και επίπονης περιήγησης στον κόσμο της Μεταλλουργίας και ειδικά των χαλύβων. Στην πορεία αυτή εξελίχθηκα επιστημονικά, απέκτησα περισσότερες και πιο εξειδικευμένες γνώσεις στο αντικειμένο, κατανόησα καλύτερα κάποιες βασικές αρχές της μεταλλογνωσίας αλλά κυρίως άλλαξα τρόπο σκέψης και θεώρησης των πραγμάτων. Για όλα τα παράπανω αισθάνομαι την ανάγκη να ευχαριστήσω κάποιους σημαντικούς ανθρώπους που στάθηκαν δίπλα μου σε όλο αυτό το ταξίδι και με βοήθησαν ακόμη και τις δύσκολες στιγμές να ανταπεξέλθω και να φθάσω στην ολοκλήρωση του στόχου μου. Ευχαριστώ ιδιαίτερα τον Επιβλέποντα Καθηγητή κ. Γεώργιο Φούρλαρη για την ευκαιρία που μου έδωσε να ασχοληθώ με ένα τόσο ενδιαφέρον και σύγχρονο θέμα καθώς και για την καθοδήγηση και τις συμβουλές καθόλη την διάρκεια της εκπόνησης της διατριβής. Τον ευχαριστώ επίσης για την επιμονή του να ασχοληθώ με νέες τεχνολογίες κάτι που με βελτίωσε επιστημονικά. Ευχαριστώ επίσης τον Ομότιμο Καθηγητή κ. Γεώργιο Παπαδημητρίου για την αμέριστη συμπαράσταση καθόλη την διάρκεια των σπουδών μου τόσο σε προπτυχιακό όσο και σε μεταπτυχιακό επίπεδο καθώς και για τις πολύτιμες συμβουλές του, ακόμη και επί προσωπικών θεμάτων. Θα ήθελα να εκφράσω τις θερμές μου ευχαριστίες στον Καθηγητή κ. Χρήστο Παναγόπουλο Διευθυντή του Εργαστηρίου Μεταλλογνωσίας, για την συμμετοχή του στην τριμελή επιτροπή, την παρακουλούθηση της πορείας μου καθώς και για τις πολύτιμες συμβουλές του. Τα μέλη της εξεταστικής μου επιτροπής Καθηγητή Ε.Μ.Π. κ. Παντελή Δ., Καθηγητή Α.Π.Θ. κ. Τσιπά Δ., Καθηγητή Α.Π.Θ. κ. Σκολιανό Στ., Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Παν. Ιωαννίνων κ.λεκάτου Αγ. καθώς και τον Ερευνητή Α του ΕΚΕΦΕ ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ κ. Πίσσα Μ. για την τιμή που μου έκαναν να συμμετάσχουν στην επιτροπή καθώς και για την ενασχόλησή τους με την εργασία μου παρά το φόρτο εργασίας τους. 1

9 Ιδιαίτερες ευχαριστίες θα ήθελα να εκφράσω στον κ. Πίσσα ο οποίος με ανιδιοτέλεια και χωρίς κανένα όφελος προσφέρθηκε να πραγματοποιήσει τις μαγνητικές μετρήσεις. Θερμές ευχαριστίες θα ήθελα να εκφράσω σε όλο το Επιστημονικό και Τεχνικό προσωπικό του εργαστηρίου Μεταλλογνωσίας και ιδιαίτερα στον κ. Π. Τσακιρίδη για την εκπαίδευση που μου παρείχε στο χειρισμό των τεχνικών Μικροσκοπίας καθώς και για την υπομονή που επέδειξε στις ατέρμονες συζητήσεις επί επιστημονικών θεμάτων. Επίσης στον κ. Γ.Χαρλαμπίτα θα ήθελα να εκφράσω την ευγνωμοσύνη μου για την τεχνική αλλά και ψυχολογίκη υποστήριξη που μου παρείχε. Τις ευχαριστίες μου θα ήθελα να εκφράσω σε όλους τους υποψήφιους Διδάκτορες του εργαστηρίου για τις κοινές ανησυχίες που μοιραστήκαμε όλη αυτή την περίοδο. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω τους γονείς μου Λάσκαρη και Μαρία καθώς και τον αδελφό μου Δημήτρη για την ηθική και οικονομική υποστήριξη, χωρίς την βοήθεια των οποίων δεν θα ήταν δυνατή η ολοκλήρωση της συγκεκριμένης εργασίας. Ευχαριστώ επίσης τη Ζωή, την κοπέλα που στάθηκε δίπλα μου όλα αυτά τα χρόνια αποδέχθηκε και στήριξε όλες τις επιλογές μου ακόμη και όταν κάποιες από αυτές αποδείχτηκαν λανθασμένες. 2

10 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ 1 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. 3 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ. 7 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ 13 ΠΕΡΙΛΗΨΗ ABSTRACT ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Χάλυβες αυτοκινητοβιομηχανίας Χάλυβες Χαμηλής Αντοχής (Low Strength Steels) : Interstitial-Free (IF), Mild Steel Συμβατικοί Χάλυβες Υψηλής Αντοχής (Conventional High Strength Steels): Carbon-Manganese (CMn), Bake Hardenable (BH), Isotropic steels (IS), High Interstitial Free (IF-HS), High Strength Low Alloy (HSLA) Προηγμένοι Χάλυβες Υψηλής Αντοχής (Advanced High Strength Steels): Dual Phase (DP), Transformation Induced Plasticity (TRIP), Complex Phase (CP), Martensitic steels (MART) Χάλυβες Υψηλότερης Αντοχής (Higher Strength Steels): Ferritic-Bainitic (FB), Twinning-induced plasticity (TWIP), Hot-formed (HF), Post-Forming Heat-Treated steels (PFHT) ΚΕΦΑΛΑΙΟ Χάλυβας TRIP Διαδικασία Παραγωγής χάλυβα TRIP Ενδοκρίσιμη Ανόπτηση (Intercritical Anneal)

11 2.1.2 Ισοθερμοκρασιακός Μπαινιτικός Μετασχηματισμός (Isothermal Bainitic Transformation) Απόψυξη ως την θερμοκρασία περιβάλλοντος Επίδραση κραματικών στοιχείων (εισαγωγή) Άνθρακας ( C ) Μαγγάνιο ( Mn ) Πυρίτιο ( Si ) Αλουμίνιο ( Al ) Φώσφορος ( P ) Νιόβιο ( Nb ) Χρώμιο ( Cr ) Μολυβδαίνιο ( Mo ) Χαλκός ( Cu ) Νικέλιο (Νi) Τιτάνιο ( Τi ) Βανάδιο ( V ) Βόριο ( B ) 50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Φυσική Μεταλλουργία Χάλυβα ΤRIP Μπαινίτης Ωστενίτης Σταθεροποίηση του Ωστενίτη Φερρίτης Μαρτενσίτης. 69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ 5.1 Χαρακτηριστικά Υλικού Προετοιμασία Δοκιμίων 4

12 5.2.1 Ψυχρή Έλαση Κοπή Δοκιμίων Θερμικές Κατεργασίες Ονομασία Δοκιμίων Μεταλλογραφία Περίθλαση Ακτίνων Χ (XRD) Οπτική Μικροσκοπία (LOM) Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM) Τεχνική Περίθλασης oπισθοσκεδαζόμενων ηλεκτρονίων (EBSD) Προσδιορισμός Ωστενίτη Προσδιορισμός Μπαινίτη Προσδιορισμός Μαρτενσίτη Μηχανικές Ιδιότητες Σκληρομέτρηση Εφελκυσμός Μαγνητικές Μετρήσεις. 95 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 6.1 Αποτελέσματα Μεταλλογραφίας Αποτελέσματα XRD Αποτελέσματα Οπτικό Μικροσκόπιο Αποτελέσματα SEM Αποτελέσματα EBSD Αποτελέσματα Μηχανικών Ιδιοτήτων Αποτελέσματα Σκληρομετρήσεων Αποτελέσματα Εφελκυσμών Αποτελέσματα Μαγνητικών Μετρήσεων 167 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ 7.1 Ανάπτυξη και βελτίωση των πειραματικών τεχνικών 5

13 7.1.1 Συζήτηση τεχνικής περίθλασης ακτινών Χ Συζήτηση οπτικής μικροσκοπίας Συζήτηση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας (SEM) Συζήτηση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας οπισθοσκεδαζομένων ηλεκτρονίων (EBSD) Συζήτηση μακροσκληρομέτρησης Συζήτηση μέτρησης μαγνητικών ιδιοτήτων (SQUID) Μελέτη της επίδρασης των θερμικών κατεργασιών στην τελική μικροδομή Επίδραση της θερμοκρασίας ανοπτήσεως στην τελική μικροδομή και στις μηχανικές ιδιότητες Επίδραση της θερμοκρασίας μπαινιτικής βαφής στην τελική μικροδομή και στις μηχανικές ιδιότητες Επίδραση της διάρκειας παραμονής στην μπαινιτική περιοχή στην τελική μικροδομή και στις μηχανικές ιδιότητες Επίδραση του κλάσματος όγκου και του μεγέθους κόκκου του υπολειπόμενου ωστενίτη στις μηχανικές ιδιότητες Παραγωγή παρόμοιου τύπου χάλυβα και βελτίωση της παραγωγής των χαλύβων TRIP ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ. 191 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΠΡΟΣ ΣΥΝΕΧΙΣΗ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

14 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 1-1: Σημεία του αμαξώματος που χρησιμοποιούνται χάλυβες διαφόρων κατηγοριών Εικόνα 1-2: Κατηγορίες χαλύβων αυτοκινητοβιομηχανίας Εικόνα 2-1: Τα χρώματα αντιστοιχούν στις αντοχές του μετάλλου σε θραύση όπως αποδίδονται στο αριστερό πάνω μέρος της εικόνας Εικόνα 2-2: Διαδικασία παραγωγής ενός τυπικού χάλυβα TRIP ψυχρής ελάσεως 31 Εικόνα 2-3: Διαδικασία παραγωγής ενός τυπικού χάλυβα TRIP θερμής ελάσεως. 32 Εικόνα 2-4: (a-c) Επίδραση της ενδοκρίσιμης ανόπτησης σε χάλυβα TRIP (Si-Mn) στους 750 ο C d) Αναλογία της συγκεντρώσεως των στοιχείων στον φερρίτη σε εκείνα στον ωστενίτη σε συνάρτηση του χρόνου παραμονής στην θερμοκρασία ανοπτήσεως (800 o C ) για χάλυβα TRIP (Si-Mn).. 35 Εικόνα 2-5: Σχηματική αναπαράσταση της εξέλιξης του μετασχηματισμού.. 37 Εικόνα 2-6: Διάγραμμα μετασχηματισμού δείγματος χάλυβα TRIP ο οποίος έχει υποστεί αποτατική ανόπτηση στους 740 ο C για 300sec και στην συνέχεια a) ισοθερμοκρασιακή μπαινιτική βαφή στους 400 ο C για 200sec και b) στους 350 ο C για 200sec Εικόνα 2-7: Παράγοντες που επηρεάζουν την τελική μηχανική αντοχή.. 40 Εικόνα 2-8: Επίδραση των κραματικών στοιχείων Εικόνα 2.9: Επίδραση κραματικών στοιχείων στο ποσοστό του υπολειπόμενου ωστενίτη: a) άνθρακας b) μαγγάνιο, c) πυρίτιο και d) αλουμίνιο. 45 Εικόνα 3-1: Επίδραση του κλάσματος όγκου του μπαινίτη σε χάλυβα TRIP (0.29C-1.4Mn-1.5Si) κατά τη διάρκεια του ισοθερμοκρασιακού μπαινιτικού μετασχηματισμού στους 360 ο C και 410 ο C (ενδοκρίσιμη ανόπτηση στους 760 ο C για 6 λεπτά).. 55 Εικόνα 3-2: Σχηματική αναπαράσταση της μικροδομής του μπαινίτη 56 Εικόνα 3-3: α) Μικρογραφία ΤΕΜ του εναλλασσομένων πλακιδίων του μπαινίτη (lamella bainite) παράλληλα με τα πλακίδια, β) Μικρογραφία ΤΕΜ του εναλλασσομένων πλακιδίων του μπαινίτη (lamella bainite) κάθετα με τα πλακίδια.. 57 Εικόνα 3-4: α) Σχεδιάγραμμα της υπομονάδας (sub-unit) του μπαινίτη β) Μικρογραφία ΤΕΜ του εναλλασσομένων πλακιδίων του μπαινίτη Εικόνα 3-5: Σχηματική αναπαράσταση της μορφολογίας του ανώτερου και κατώτερου μπαινίτη Εικόνα 3-6: Επίδραση του αρχικού κλάσματος όγκου του ωστενίτη στο διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης. 64 Εικόνα 3-7: Επίδραση του αρχικού ορίου διαρροής και της ενδοτραχύνσεως της φερριτικής μήτρας στο διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης. 65 Εικόνα 3-8: Επίδραση των προσανοτολισμών των κόκκων του φερρίτη και ωστενίτη στο διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης.. 66 Εικόνα 3-9: Επίδραση της συγκέντρωσης του άνθρακα του ωστενίτη στο διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης 66 Εικόνα 3-10: Μικρογραφία SEM στην οποία φαίνεται οι διάφορες μορφολογίες του φερρίτη στους χάλυβες ΤRIP

15 Εικόνα 3-11: Μικρογραφία SEM από χάλυβα TRIP CMnSi στην οποία φαίνονται τα μικρογραφικά χαρακτηριστικά των φάσεων.. 71 Εικόνα 3-12: α) Μικρογραφία LOM (Le Pera), β) Μικρογραφία SEM από χάλυβα TRIP στην οποία φαίνεται ο διαχωρισμός του μαρτενσίτη από τον ωστενίτη μετά την επαναφορά του χάλυβα.. 72 Εικόνα 5-1: Διάγραμμα φάσεων χάλυβα TRIP CMnSi.. 77 Εικόνα 5-2: CCT Διάγραμμα για χάλυβα παρόμοιας σύστασης 77 Εικόνα 5-3: Γενικό σχεδιάγραμμα των θερμικών κατεργασιών που επιλέχθηκαν. 79 Εικόνα 5-4: Επιφάνειες παρατήρησης του δοκιμίου ανάλογα με την τεχνική που ακολουθήθηκε.. 81 Εικόνα 5-5: Όριο θραύσης σε συνάρτηση με την σκληρότητα Vickers. 94 Εικόνα 5-6: Όριο διαρροής σε συνάρτηση με την σκληρότητα Vickers 94 Εικόνα 5-7: Σχηματική αναπαράσταση της καμπύλης μαγνήτισης 96 Εικόνα 6.1: Φάσμα περίθλασης ακτίνων Χ από το δοκίμιο αναφοράς (TRIP800 AR).. 99 Εικόνα 6.2: Συγκριτικό διάγραμμα φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ από το δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 750 C, 775 C και 800 C για 15mins και στη συνέχεια υπέστησαν βαφή στους 350 C για 30mins Εικόνα 6.3: Συγκριτικό διάγραμμα φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ από το δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 750 C, 775 C και 800 C για 15mins και στη συνέχεια υπέστησαν βαφή στους 400 C για 30mins Εικόνα 6.4: Συγκριτικό διάγραμμα φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ από το δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 750 C για 15mins και στη συνέχεια υπέστησαν βαφή στους 300 C, 350 C και 400 C για 30mins. 102 Εικόνα 6.5: Συγκριτικό διάγραμμα φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ από το δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 775 C για 15mins και στη συνέχεια υπέστησαν βαφή στους 300 C, 350 C και 400 C για 30mins Εικόνα 6.6: Συγκριτικό διάγραμμα φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ από το δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 800 C για 15mins και στη συνέχεια υπέστησαν βαφή στους 300 C, 350 C και 400 C για 30mins Εικόνα 6.7: Συγκριτικό διάγραμμα φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ από το δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 750 C για 15min και στη συνέχεια υπέστησαν βαφή στους 350 C για 1mins, 3mins, 30mins, 60mins και 180mins. 105 Εικόνα 6.8: Συγκριτικό διάγραμμα φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ από το δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 750 C για 15min και στη συνέχεια υπέστησαν βαφή στους 400 C για 1min, 3mins, 30mins, 60mins και 180mins. 106 Εικόνα 6.9: Συγκριτικό διάγραμμα φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ από το δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 775 C για 15mins και στη συνέχεια υπέστησαν βαφή στους 350 C για 1min, 3mins, 30mins, 60mins και 180mins. 107 Εικόνα 6.10: Συγκριτικό διάγραμμα φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ από το δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 775 C για 15mins και στη συνέχεια υπέστησαν βαφή στους 400 C για 1min, 3mins, 30mins, 60mins και 180mins

16 Εικόνα 6-11: Συγκριτικό διάγραμμα φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ από το δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 800 C για 15mins και στη συνέχεια υπέστησαν βαφή στους 350 C για 1min, 3mins, 30mins, 60mins και 180mins Εικόνα 6-12: Συγκριτικό διάγραμμα φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ από το δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 800 C για 15min και στη συνέχεια υπέστησαν βαφή στους 400 C για 1min, 3mins, 30mins, 60mins και 180mins. 109 Εικόνα 6-13: Μικρογραφία οπτικού μικροσκοπίου (x500) χάλυβα TRIP800 (Α6: 750 C (15mins) C (30mins)) ο οποίος έχει προσβληθεί με διάλυμα Νital Εικόνα 6-14 : Μικρογραφία οπτικού μικροσκοπίου (x500) χάλυβα TRIP800 (Α6: 750 C (15mins) C (30mins)) ο οποίος έχει προσβληθεί με διάλυμα Le Pera. 111 Εικόνα 6-15 : Μικρογραφία οπτικού μικροσκοπίου (x500) χάλυβα TRIP800 (Α6: 750 C (15mins) C (30mins)) ο οποίος έχει προσβληθεί με διάλυμα 10% κ.ο Na 2 S 2 O Εικόνα 6-16: Μικρογραφία οπτικού μικροσκοπίου (x500) χάλυβα TRIP800 (Α6: 750 C (15mins) C (30mins) ο οποίος έχει προσβληθεί με διάλυμα 10% κ.ο Na 2 S 2 O Εικόνα 6-17 : Μικρογραφία οπτικού μικροσκοπίου (x500) χάλυβα TRIP800 (C3: 800 C(15mins)- 400 C(30mins)) ο οποίος έχει προσβληθεί με διάλυμα 10% κ.ο Na 2 S 2 O Εικόνα 6-18: Μικρογραφία χάλυβα TRIP800 AR δευτερογενών ηλεκτρονίων (SEI-secondary) από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης. 115 Εικόνα 6-19: Μικρογραφία χάλυβα TRIP800 AR οπισθοσκεδαζόμενων ηλεκτρονίων (ΒΕSbackscatter) από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης Εικόνα 6-20: ΤRIP o C-15mins (A12) Εικόνα 6-21: ΤRIP o C-15mins (C12) Εικόνα 6-22: ΤRIP o C- 350 o C-1min (A4) 120 Εικόνα 6-23: ΤRIP o C- 350 o C-1min (B4) 120 Εικόνα 6-24: ΤRIP o C- 350 o C-1min (C4) Εικόνα 6-25: ΤRIP o C- 400 o C-1min (A1). 121 Εικόνα 6-26: ΤRIP o C- 400 o C-1min (B1). 121 Εικόνα 6-27: ΤRIP o C- 400 o C-1min (C1) 121 Εικόνα 6-28: ΤRIP o C- 350 o C-1min (A4) 124 Εικόνα 6-29: ΤRIP o C- 400 o C-1min (A1) Εικόνα 6-30: ΤRIP o C- 350 o C-1min (B4) Εικόνα 6-31: ΤRIP o C- 400 o C-1min (B1) 124 Εικόνα 6-32: ΤRIP o C- 350 o C-1min (C4) 124 Εικόνα 6-33: ΤRIP o C- 400 o C-1min (C1). 124 Εικόνα 6-34: ΤRIP o C- 350 o C-3mins (A5). 126 Εικόνα 6-35: ΤRIP o C- 400 o C-3mins (A2) Εικόνα 6-36: ΤRIP o C- 350 o C-3mins (B5) Εικόνα 6-37: ΤRIP o C- 400 o C-3mins (B2). 126 Εικόνα 6-38: ΤRIP o C- 350 o C-3mins (C5) Εικόνα 6-39: ΤRIP o C- 400 o C-3mins (C2)

17 Εικόνα 6-40: ΤRIP o C- 300 o C-30mins(A9) Εικόνα 6-41: ΤRIP o C- 350 o C-30mins(A6). 127 Εικόνα 6-42: ΤRIP o C- 400 o C-30mins (A3) Εικόνα 6-43: ΤRIP o C- 300 o C-30mins (B9) 128 Εικόνα 6-44: ΤRIP o C- 350 o C-30mins (B6). 128 Εικόνα 6-45: ΤRIP o C- 400 o C-30mins (B3). 129 Εικόνα 6-46: ΤRIP o C-300 o C-30mins (C9) Εικόνα 6-47: ΤRIP o C- 350 o C-30mins (C6). 129 Εικόνα 6-48: ΤRIP o C- 400 o C-30mins (C3). 129 Εικόνα 6-49: ΤRIP o C-350 o C-1min (A4) Εικόνα 6-50: ΤRIP o C- 350 o C-3mins (A5) 132 Εικόνα 6-51:ΤRIP o C-350 o C-30mins (A6) Εικόνα 6-52:ΤRIP o C- 350 o C-60mins (A7) Εικόνα 6-53:ΤRIP o C-350 o C-180mins (A8) Εικόνα 6-54:ΤRIP o C- 400 o C-1min (A1) Εικόνα 6-55:ΤRIP o C-400 o C-3mins (A2) Εικόνα 6-56:ΤRIP o C-400 o C-30mins (A3) Εικόνα 6-57: ΤRIP o C-400 o C-60mins (A10) Εικόνα 6-58: ΤRIP o C- 400 o C-180mins (A11) 134 Εικόνα 6-59: ΤRIP o C-350 o C-1min (B4) 136 Εικόνα 6-60: ΤRIP o C- 350 o C-3mins (B5) Εικόνα 6-61:ΤRIP o C-350 o C-30mins (B6) 136 Εικόνα 6-62: ΤRIP o C- 350 o C-60mins (B7) Εικόνα 6-63: ΤRIP o C- 350 o C-180mins (B8) 137 Εικόνα 6-64:ΤRIP o C- 400 o C-1min (B1) 138 Εικόνα 6-65: ΤRIP o C- 400 o C-3mins (B2) 138 Εικόνα 6-66:ΤRIP o C-400 o C-30mins (B3) Εικόνα 6-67:ΤRIP o C-400 o C-60mins (B10) Εικόνα 6-68:ΤRIP o C-400 o C-180mins (B11) Εικόνα 6-69:ΤRIP o C- 350 o C-1min (C4). 139 Εικόνα 6-70:ΤRIP o C-350 o C-3mins (C5) Εικόνα 6-71:ΤRIP o C-350 o C-30mins (C6) Εικόνα 6-72:ΤRIP o C-350 o C-60mins (C7) 140 Εικόνα 6-73:ΤRIP o C-350 o C-180mins (C8) Εικόνα 6-74:ΤRIP o C-400 o C-1min (C1) 141 Εικόνα 6-75: ΤRIP o C- 400 o C-3mins (C2) 141 Εικόνα 6-76:ΤRIP o C-400 o C-30mins (C3) 141 Εικόνα 6-77:ΤRIP o C-400 o C-60mins (C10) Εικόνα 6-78: ΤRIP o C- 400 o C-180mins (C11)

18 Εικόνα 6-79: (Band Contrast map) Χάρτης απεικόνισης των φάσεων που ανιχνεύθηκαν με την τεχνική EBSD Εικόνα 6-80: Χάρτης απεικόνισης των φάσεων που ανιχνεύθηκαν με την τεχνική EBSD για τον χάλυβα αναφοράς (ΤRIP800 AR) Εικόνα 6-81: Ιστόγραμμα απεικόνισης της κατανομής της διαμέτρου του κόκκου σε σχέση με το πλήθος των ανιχνεύσιμων κόκκων που προέκυψε από την τεχνική EBSD 145 Εικόνα 6-82: Χάρτης απεικόνισης των φάσεων που ανιχνεύθηκαν με την τεχνική EBSD για τον χάλυβα αναφοράς (ΤRIP800 AR) Εικόνα 6-83: Ιστογράμματα απεικόνισης των κόκκων που ανιχνεύθηκαν χωρίς ατέλειες (recrystallized) με ενδιάμεσο αριθμό ατελειών υποδομή (substructured) και με αρκετές ατέλειες πλέγματος (deformed) για τις φάσεις του φερρίτη (α) και του ωστενίτη (β), που ανιχνεύθηκαν με την τεχνική EBSD για τον χάλυβα αναφοράς. 147 Εικόνα 6-84 : Χάρτης απεικόνισης των φάσεων που ανιχνεύθηκαν με την τεχνική EBSD για τον χάλυβα TRIP 800 C Εικόνα 6-85: Χάρτης απεικόνισης των φάσεων που ανιχνεύθηκαν με την τεχνική EBSD 149 Εικόνα 6-86 : Χάρτης απεικόνισης των φάσεων που ανιχνεύθηκαν με την τεχνική EBSD. 150 Εικόνα 6-87: Χάρτης απεικόνισης των φάσεων που ανιχνεύθηκαν με την τεχνική EBSD Εικόνα 6-88: Χάρτης απεικόνισης των φάσεων που ανιχνεύθηκαν με την τεχνική EBSD. 152 Εικόνα 6-89: Συγκριτικό διάγραμμα σκληρότητας-θερμοκρασίας ανοπτήσεως, χάλυβα TRIP800 που έχει παραμείνει στη θερμοκρασία μπαινιτικού μετασχηματισμού για 1min Εικόνα 6-90: Διάγραμμα σκληρότητας-θερμοκρασίας μπαινιτικής βαφής για χάλυβα TRIP800 που έχει παραμείνει στη θερμοκρασία αυτή για 1min Εικόνα 6-91: Διάγραμμα σκληρότητας-θερμοκρασίας μπαινιτικής βαφής για χάλυβα TRIP800 που έχει παραμείνει στη θερμοκρασία αυτή για 3mins Εικόνα 6-92: Διάγραμμα σκληρότητας-θερμοκρασίας μπαινιτικής βαφής για χάλυβα TRIP800 που έχει παραμείνει στη θερμοκρασία αυτή για 30mins. 160 Εικόνα 6-93: Συγκριτικό Διάγραμμα Σκληρότητας - Χρόνου παραμονής στην μπαινιτική περιοχή (400 C) για τον χάλυβα TRIP800 και για τις τρεις θερμοκρασίες ανοπτήσεως Εικόνα 6-94: Συγκριτικό Διάγραμμα Σκληρότητας - Χρόνου παραμονής στην μπαινιτική περιοχή (350 C) για τον χάλυβα TRIP800 και για τις τρεις θερμοκρασίες ανοπτήσεως 162 Εικόνα 6-95: Συγκριτικό Διάγραμμα ορίου θραύσης- Χρόνου παραμονής στην μπαινιτική περιοχή (350 C) για τον χάλυβα TRIP800 και για τις τρεις θερμοκρασίες ανοπτήσεως 165 Εικόνα 6-96: Συγκριτικό Διάγραμμα ορίου θραύσης- Χρόνου παραμονής στην μπαινιτική περιοχή (400 C) για τον χάλυβα TRIP800 και για τις τρεις θερμοκρασίες ανοπτήσεως 166 Εικόνα 6-97: Διάγραμμα μαγνητικών μετρήσεων χάλυβα TRIP Εικόνα 7-1: Ιστόγραμμα του κλάσματος όγκου των φάσεων που ανιχνεύθηκαν με την τεχνική EBSD σε σχέση με τη διάρκεια παραμονής στην μπαινιτική περιοχή Εικόνα 7-2:Μικρογραφία δοκιμίου C1 (1min) Εικόνα 7-3:Μικρογραφία δοκιμίου C2 (3mins) 185 Εικόνα 7-4:Μικρογραφία δοκιμίου C3 (30mins)

19 Εικόνα 7-5:Μικρογραφία δοκιμίου C10 (60mins) 185 Εικόνα 7-6:Μικρογραφία δοκιμίου C11 (180mins) Εικόνα 7-7: Μικρογραφία χάλυβα TRIP 800 ΑR. 187 Εικόνα 7-8: Μικρογραφία δοκιμίου C3(800 C-400(30mins) Εικόνα 7-9: Μικρογραφία δοκιμίου B2(775 C-400(3mins). 187 Εικόνα 7-10: Μικρογραφία χάλυβα TRIP 800 ΑR Εικόνα 7-11: Μικρογραφία δοκιμίου B2(775 C-400(3mins)

20 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 2-1: Χημική σύσταση τυπικών χαλύβων TRIP καθώς και χαλύβων με προσθήκη κραματικών στοιχείων για βελτίωση των ιδιοτήτων Πίνακας 2-2: Ρόλος των κυριοτέρων κραματικών στοιχείων στους χάλυβες TRIP.. 50 Πίνακας 5-1: Σύσταση χάλυβα TRIP (%κ.β.) 75 Πίνακας 5-2: Διαστάσεις ελασμάτων πριν και μετά την έλαση.. 76 Πίνακας 5-3: Πίνακας στον οποίο εμφανίζεται το σύνολο των θερμικών κατεργασιών που πραγματοποιήθηκαν για τον χάλυβα TRIP Πίνακας 5-4: Τεχνικές προτιμητέας προσβολής φάσεων με χρωματική αντίθεση (colour etching) Πίνακας 6-1: Ποσοστά φάσεων που προέκυψαν από την εξέταση των μικρογραφιών με το πρόγραμμα Ιmage Pro Πίνακας 6-2: Ποσοστά φάσεων που προέκυψαν από την εξέταση των μικρογραφιών με το πρόγραμμα Ιmage Pro Πίνακας 6-3: Ποσοστά φάσεων που προέκυψαν από την εξέταση των μικρογραφιών με το πρόγραμμα Ιmage Pro Πίνακας 6-4: Ποσοστά φάσεων που προέκυψαν από την εξέταση των μικρογραφιών με το πρόγραμμα Ιmage Pro Πίνακας 6-5: Ποσοστά φάσεων που προέκυψαν από την εξέταση των μικρογραφιών με το πρόγραμμα Ιmage Pro 127 Πίνακας 6-6: Ποσοστά φάσεων που προέκυψαν από την εξέταση των μικρογραφιών με το πρόγραμμα Ιmage Pro 130 Πίνακας 6-7: Ποσοστά φάσεων που προέκυψαν από την εξέταση των μικρογραφιών με το πρόγραμμα Ιmage Pro 133 Πίνακας 6-8: Ποσοστά φάσεων που προέκυψαν από την εξέταση των μικρογραφιών με το πρόγραμμα Ιmage Pro Πίνακας 6-9: Ποσοστά φάσεων που προέκυψαν από την εξέταση των μικρογραφιών με το πρόγραμμα Ιmage Pro Πίνακας 6-10: Ποσοστά φάσεων που προέκυψαν από την εξέταση των μικρογραφιών με το πρόγραμμα Ιmage Pro 139 Πίνακας 6-11: Ποσοστά φάσεων που προέκυψαν από την εξέταση των μικρογραφιών με το πρόγραμμα Ιmage Pro 141 Πίνακας 6-12: Ποσοστά φάσεων που προέκυψαν από την εξέταση των μικρογραφιών με το πρόγραμμα Ιmage Pro. 142 Πίνακας 6-13 : Χαρακτηριστικά μεγέθη κόκκων που προέκυψαν από την τεχνική EBSD. 145 Πίνακας 6-14 : Χαρακτηριστικά μεγέθη κόκκων που προέκυψαν από την τεχνική EBSD. 148 Πίνακας 6-15: Χαρακτηριστικά μεγέθη κόκκων που προέκυψαν από την τεχνική EBSD. 149 Πίνακας 6-16: Χαρακτηριστικά μεγέθη κόκκων που προέκυψαν από την τεχνική EBSD. 150 Πίνακας 6-17: Χαρακτηριστικά μεγέθη κόκκων που προέκυψαν από την τεχνική EBSD. 151 Πίνακας 6-18: Χαρακτηριστικά μεγέθη κόκκων που προέκυψαν από την τεχνική EBSD

21 Πίνακας 6-19: Χαρακτηριστικά μεγέθη κόκκων που προέκυψαν από την τεχνική EBSD για του διαφορετικούς χρόνους παραμονής στην μπαινιτική περιοχή Πίνακας 6-20: Μέσες τιμές (12 μετρήσεις) σκληρότητας Vickers των θερμικά κατεργασμένων δοκιμίων του χάλυβα TRIP800 καθώς και οι τυπικές αποκλίσεις αυτών. Στην τελευταία στήλη (TRIP800 AR) εμφανίζεται η μέση σκληρότητα και η τυπική απόκλιση του αρχικού υλικού. 155 Πίνακας 6-21: Τιμές μηχανικών ιδιοτήτων που προέκυψαν από τις τιμές των μακροσληροτήτων Πίνακας 6-22: Κλάσμα όγκου ωστενίτη μετρούμενο από μαγνητικές μετρήσεις με μαγνητόμετρο SQUID. Οπου Τ η θερμοκρασία στην οποία πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις, Μ s η μέση τιμή της μαγνητικής διαπερατότητας (magnetization saturation) του τμήματος της καμπύλης c-d και f γ το κλάσμα όγκου του υπολειπόμενου ωστενίτη 168 Πίνακας 7-1: Τιμές μικροσκληροτήτων των φάσεων του χάλυβα TRIP που χρησιμοποιήθηκαν στην εξίσωση Πίνακας 7-2: Χαρακτηριστικά μεγέθη του χάλυβα ΑR και των δοκιμίων που επιλέχθηκαν ως παρεμφερή

22 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Οι πολυφασικοί χάλυβες χαμηλής κραμάτωσης κατηγορίας TRIP (αυξανόμενης πλαστικότητας προκαλούμενης από μετασχηματισμό λόγω παραμορφώσεως) αποτελούν υλικά που χρησιμοποιούνται τα τελευταία χρόνια στην αυτοκινητοβιομηχανία εξαιτίας των εξαιρετικών μηχανικών τους ιδιοτήτων. Συνδυάζουν τόσο αυξημένες τιμές αντοχής σε θραύση όσο και ολκιμότητα. Ο συνδυασμός αυτός των ιδιοτήτων βοηθά στη μείωση του βάρους του οχήματος και στην μείωση της κατανάλωσης καυσίμων, αλλά ταυτόχρονα αυξάνει την παθητική ασφάλεια των επιβατών. Οι εξαιρετικές ιδιότητες που προαναφέραμε οφείλονται στη σύνθετη μικροδομή τους η οποία αποτελείται από διάφορες φάσεις όπως φερρίτη, μπαινίτη, μετασταθή ωστενίτη και μικρά ποσοστά μαρτενσίτη. Από τις φάσεις αυτές ιδιαίτερα σημαντική είναι η φάση του ωστενίτη η οποία εξαιτίας του ότι βρίσκεται σε μετασταθή κατάσταση, όταν δεχθεί εξωτερική παραμόρφωση μετασχηματίζεται στην πιο σταθερή μαρτενσιτική φάση με ταυτόχρονη αύξηση της τελικής αντοχής σε θραύση του χάλυβα. Ο έλεγχος του κλάσματος όγκου και του μεγέθους κόκκου του ωστενίτη κατά την παραγωγή του χάλυβα αποτελεί έναν από τους πιο σημαντικούς παράγοντες διαμόρφωσης των τελικών μηχανικών ιδιοτήτων του υλικού. Για την επίτευξη της επιθυμητής μικροδομής απαιτείται κατάλληλη θερμική κατεργασία που αποτελείται από δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο ο χάλυβας θερμαίνεται σε θερμοκρασία πάνω από την A C1 για μικρό χρονικό διάστημα ενώ στη συνέχεια αποψύχεται μέχρι τη θερμοκρασία μπαινιτικού μετασχηματισμού κατά την οποία διαμορφώνεται η μικροδομή. Στο τελικό στάδιο ο χάλυβας αποψύχεται ελεγχόμενα μέχρι τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της επίδρασης της μικροδομής στις τελικές μηχανικές ιδιότητες των χαλύβων TRIP. Για τον σκοπό αυτό ορίστηκαν τρείς βασικοί στόχοι. Σύμφωνα με τον πρώτο έπρεπε αρχικώς να ερευνηθούν οι περισσότερες από τις τεχνικές χαρακτηρισμού των χαλύβων αυτού του τύπου, να επιβεβαιωθούν και να βελτιωθούν. Στη συνέχεια, να μελετηθούν οι αντιδράσεις ισοθερμοκρασιακού μετασχηματισμού του ωστενίτη, να εξεταστούν οι παράγοντες που τις επηρεάζουν και να συνδεθούν με τις μηχανικές ιδιότητες. Τέλος να παραχθεί μέσω θερμικών κατεργασιών παρόμοιων μηχανικών 15

23 χαρακτηριστικών χάλυβας με αυτόν που κυκλοφορεί στην αγορά ώστε να επιβεβαιωθούν μέσω αυτού και τα συμπεράσματα που εξήχθησαν από το προηγούμενο στόχο. Για την επίτευξη των παραπάνω στόχων χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές οπτικής μικροσκοπίας (LOM), ηλεκτρονικής μικροσκοπίας δευτερογενών ηλεκτρονίων (SEM), ηλεκτρονικής μικροσκοπίας περίθλασης οπισθοσκεδαζόμενων ηλεκτρονίων (EBSD), περίθλασης ακτινών Χ (XRD) καθώς και μαγνητικές μετρήσεις με τη μέθοδο SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Για την παρατήρηση της εξέλιξης των μηχανικών ιδιοτήτων πραγματοποιήθηκαν σκληρομετρήσεις. Ο χάλυβας που εξετάστηκε ήταν της κατηγορίας TRIP800 με στοιχεία κραμάτωσης Μn-Si. Από τα αποτελέσματα καταλήξαμε ότι η χρήση προηγμένων τεχνικών οπτικής μικροσκοπίας δίνει ικανοποιητικά αποτελέσματα. Οι τεχνικές ηλεκτρονικής μικροσκοπίας κρίνονται απαραίτητες για την εξέταση αυτού του τύπου χάλυβα. Οι μαγνητικές μετρήσεις αποτελούν την πιο αξιόπιστη επιλογή για την μέτρηση του κλάσματος όγκου του ωστενίτη. Όσον αφορά τις παραμέτρους των θερμικών κατεργασιών καταλήξαμε ότι αύξηση στη θερμοκρασία ενδοκρίσιμης ανόπτησης αυξάνει το κλάσμα όγκου του ενδοκρίσιμου ωστενίτη και τη σταθερότητα αυτού. Με αύξηση στη θερμοκρασία μπαινιτικού μετασχηματισμού αυξάνεται η ταχύτητα της μπαινιτικής αντίδρασης. Αύξηση στη διάρκεια παραμονής στην μπαινιτική περιοχή συνεπάγεται αρχικά αύξηση και στη συνέχεια μείωση του κλάσματος όγκου του υπολειπόμενου ωστενίτη. Τέλος, αποδείχτηκε ότι μέσω επιλεγμένων θερμικών κατεργασιών μπορεί να παραχθεί χάλυβας με παρόμοια χαρακτηριστικά από άποψη τόσο μηχανικών ιδιοτήτων όσο και μικροδομής, με αυτού του εμπορίου. Τελειώνοντας, θα πρέπει να τονιστεί ότι με την παρούσα εργασία για πρώτη φορά στην Ελλάδα γίνεται προσέγγιση της μικροδομής αυτής της κατηγορίας χάλυβα με τις τεχνικές EBSD. Οι τεχνικές αυτές συνδυάζουν την απεικόνιση της μικροδομής σε συνδυασμό με κρυσταλλογραφικά και άλλα χαρακτηριστικά των κόκκων του χάλυβα. Οι τεχνικές αυτές αποτελούν και θα αποτελέσουν ένα σημαντικό εργαλείο στα χέρια του μεταλλουργού για την εξέταση και κατανόηση των μηχανισμών των χαλύβων αυτού του τύπου και όχι μόνο, στο μέλλον. 16

24 ABSTRACT TRIP steels are a class of steels combining a good balance of strength and ductility and a high energy absorption potential. The requirements of the automobile industry for weight reduction and increase formability contributed to the development of the new TRIP ferrous alloys. This excellent properties are due to a fine complex microstructure consisting of ferrite, lamellae bainite, retained austenite and a small percentage of martensite. This microstructure was obtained by a two steps heat treatment that includes an intercritical annealing followed by an interrupted isothermal quenching in the low bainite region. The effect of microstructure at the final mechanical properties was the purpose of this study. To achieve this, three basic objects were determined. The first object was to validate, refine and develop the experimental techniques necessary for the characterization of the TRIP steels. The second object was to study the reactions taking place at the isothermal bainitic holding, examine the factors that affect them and combine them with the final mechanical properties. Last, due to the third object we made an effort to produce in laboratory a steel with the same properties as the industrial. For the attainment of these objects Light Optical Microscopy (LOM), Scanning Electron Microscopy (SEM), Electron Backscatter Diffraction (EBSD), X- Ray Diffraction (XRD) and Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) techniques were used. For the investigation of the mechanical properties hardness measurements were made. Cold rolled TRIP 800 steel with Si-Mn was examined and the effects showed that the use of LOM gave excellent results. The SEM techniques were necessary for these types of steels. A discussion of the data from magnetization measurements suggests that magnetization measurements lead to more reliable results than XRD measurements. EBSD technique proved to be a useful tool for the metallurgists combining crystallographic charecteristics with other characteristics of the grains of the material. It s the first time in Greece that this technique is used for the characterization of a steel. So this study can become a basis for the future characterization of the steels and other crystalline materials. 17

25 The results showed that increase of intercritical annealing temperature increases the volume fraction of intercritical austenite and make them more stable. Increase of the isothermal bainitic temperature increases the speed of bainite reaction. By increasing the time of the bainitic holding first we have increase for short periods and after decrease for longer periods of the volume fraction of the retained austenite. Finally, it was proved that through certain heat treatment we can produce a steel with same characteristics as the industrial one. 18

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η κρίση του πετρελαίου την δεκαετία του 1970 ανάγκασε την αυτοκινητοβιομηχανία να αναζητήσει νέους τρόπους δημιουργίας ελαφρύτερων οχημάτων ώστε να μειωθεί η κατανάλωση καυσίμου. Η χρησιμοποίηση ελαφρών υλικών στα τέλη της δεκαετίας του ενενήντα όπως αλουμίνιο, μαγνήσιο, πολυμερή και ινών άνθρακα αντικατέστησε τον χάλυβα σε πολλές εφαρμογές. Αυτή η κατάσταση ανάγκασε τις βιομηχανίες χάλυβα να δημιουργήσουν προηγμένα κράματα με αυξημένη αντοχή σε θραύση, ολκιμότητα και διαμορφωσιμότητα σε σχέση με τους έως τότε χρησιμοποιούμενους τύπους χάλυβα [1,2,3]. Ένα από τα κύρια χαρακτηριστικά που κάνει το χάλυβα εξαιρετικό υλικό για την αυτοκινητοβιομηχανία είναι η αυξημένη αντοχή σε κόπωση που παρουσιάζει το συγκεκριμένο υλικό σε σχέση με άλλα. Επίσης η πρωτογενής παραγωγή του χάλυβα απαιτεί μικρότερη κατανάλωση ενέργειας κάτι που τον καθιστά ιδιαίτερα οικονομικό. Στο παραπάνω συνηγορεί και το γεγονός ότι ο χάλυβας ανακυκλώνεται εύκολα [3]. Στις μέρες μας βελτιώνοντας τις ιδιότητες των χαλύβων πετυχαίνουμε τη μείωση του συνολικού βάρους των χαλύβδινων στοιχείων του οχήματος χωρίς να επηρεάζεται η εμφάνιση. Επίσης η αύξηση των μηχανικών ιδιοτήτων, η καλύτερη διαμορφωσιμότητα, η μεγάλη ενεργειακή απορρόφηση και η αντοχή στη διάβρωση είναι κάποια χαρακτηριστικά που ενισχύουν την παρουσία του χάλυβα στα αυτοκίνητα. Σε συνδυασμό με το γεγονός ότι η διαδικασία παραγωγής των Χαλύβων Αυξημένης Αντοχής (ΗSS) είναι παρόμοια με των κοινών χαλύβων χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα καθιστά τους χάλυβες αυτούς αρκετά ελκυστικούς εφόσον μειώνεται το τελικό κόστος παραγωγής αυξάνοντας παράλληλα την παραγωγικότητα με την χρήση λιγότερου υλικού στο τελικό προϊόν [3]. 1.1 Χάλυβες αυτοκινητοβιομηχανίας Το 55% της συνολικής μάζας του αυτοκινήτου αποτελείται από χάλυβες. Από το ποσοστό αυτό το 50% των χαλύβων που χρησιμοποιούνται ανήκουν στην 19

27 κατηγορία High-strength steels (χάλυβες πολύ υψηλής αντοχής σε θραύση). Για παράδειγμα η εταιρεία Volvo στα μοντέλα της μετά το 2007 χρησιμοποιεί HSS σε ποσοστό 27% της συνολικής μάζας του οχήματος. Ο λόγος για τον οποίο συμβαίνει αυτό είναι διότι με την χρησιμοποίηση τέτοιου τύπου χαλύβων έχει μετρηθεί μείωση στην κατανάλωση καυσίμου της τάξης του 50% εξαιτίας της μείωσης του συνολικού βάρους του οχήματος, χωρίς να επηρεάζεται η παθητική ασφάλεια των επιβατών. Οι χάλυβες που χρησιμοποιούνται στην αυτοκινητοβιομηχανία χωρίζονται στην βιβλιογραφία με διάφορους τρόπους. Από όλους αυτούς επιλέξαμε να αναπτύξουμε τους δύο πιο βασικούς οι οποίοι είναι και οι πιο ευρύτερα χρησιμοποιούμενοι. O πρώτος περιλαμβάνει τους Χάλυβες Χαμηλής Αντοχής (Low Strength Steels), τους τυπικούς Χάλυβες Υψηλής Αντοχής (conventional HSS), τους πιο εξελιγμένους τύπους χάλυβα δηλαδή τους Προηγμένους Χάλυβες Υψηλής Αντοχής (AHSS) και τους Χάλυβες Υψηλότερης Αντοχής (Ηigher Strength Steels). Στην εικόνα 1-1 που ακολουθεί παρουσιάζονται τα κυριότερα μέρη του αυτοκινήτου στα οποία χρησιμοποιούνται χάλυβες των διαφόρων κατηγοριών. Εικόνα 1-1: Σημεία του αμαξώματος που χρησιμοποιούνται χάλυβες διαφόρων κατηγοριών [183] Ο δεύτερος τρόπος διαχωρισμού που ενδιαφέρει ιδιαίτερα τους σχεδιαστές των τμημάτων είναι ο μεταλλουργικός τρόπος δηλαδή με βάση τα μεταλλουργικά χαρακτηριστικά του κάθε υλικού. Έτσι κάθε χάλυβας κατανέμεται με βάση το όριο 20

28 διαρροής του και το όριο θραύσης του σε ΜPa [15]. Έχουμε λοιπόν την κατηγορία των Χαλύβων Χαμηλής Αντοχής (Low Strength Steels) με όριο θραύσης που δεν υπερβαίνει τα 270ΜΡa, την κατηγορία των Χαλύβων Υψηλής Αντοχής (High Strength Steels) στην οποία ανήκουν χάλυβες με όριο διαρροής από 210 MPa έως 550ΜΡa και όριο θραύσης που κυμαίνεται από 270 MPa έως 700 MPa και την κατηγορία των Ιδιαιτέρως Υψηλής Αντοχής Χαλύβων (Ultra High Strength Steels) στην οποία ανήκουν χάλυβες με όριο διαρροής υψηλότερο από τα 550MPa και όριο θραύσης μεγαλύτερο των 700MPa. Όλα τα παραπάνω παρουσιάζονται αναλυτικά στο διάγραμμα της εικόνας 1-2 [4]. Στις παραγράφους που ακολουθούν θα ακολουθήσει περιγραφή των κύριων κατηγοριών χαλύβων αυτοκινητοβιομηχανίας, ακολουθώντας τον πρώτο τρόπο διαχωρισμού καθώς και των υποομάδων που τον απαρτίζουν. Εικόνα 1-2: Κατηγορίες χαλύβων αυτοκινητοβιομηχανίας [4] Χάλυβες Χαμηλής Αντοχής (Low Strength Steels) Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι χάλυβες Απαλλαγμένοι από Στοιχεία Παρεμβολής (Interstitial-Free -IF) και οι Μαλακοί Χάλυβες (Mild Steel). Οι χάλυβες ΙF/ULC (πολύ χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα) είναι μαλακοί χάλυβες με πολύ χαμηλή περιεκτικότητα σε C και N της τάξης των 30ppm (0,003κ.β). Σε αυτό το λόγο οφείλουν και την ονομασία τους (Στοιχεία Παρεμβολής - Ιnterstitial elements). Είναι παρόμοιοι με τους μικροκραματωμένους χάλυβες διότι περιέχουν μικρές προσθήκες ισχυρά καρβιδιογόνων στοιχείων όπως Νb, Τi και V. Σε αρκετές περιπτώσεις προστίθεται P για αύξηση της σκληρότητας καθώς και Β για να μειώσει 21

29 τις βλαβερές συνέπειες του P. Εμφανίζουν εξαιρετική συμπεριφορά στην εν ψυχρώ διαμόρφωση (deep drawablity), μέτρια μηχανική αντοχή και εξαιρετική ποιότητα επιφανείας. Στο όχημα χρησιμοποιούνται σε μέρη όπως οι θύρες, καλύμματα κινητήρα (καπό), πορτ μπαγκάζ κ.α.[5,6] Οι Μαλακοί Χάλυβες (Mild Steel) είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο υλικό στην βιομηχανία του αυτοκινήτου. Εμφανίζουν φερριτική μικροδομή. Η ποιότητα DQ (Drawing Quality) και AKDQ (Aluminium Killed-καθησυχασμένοι με προσθήκη Al) αποτελούν χαρακτηριστικά παραδείγματα αυτού του τύπου χάλυβα γιατί χρησιμοποιούνται εκτεταμένα εξαιτίας των πολλών εφαρμογών τους και του μεγάλου όγκου παραγωγής [14,15] Συμβατικοί Χάλυβες Υψηλής Αντοχής (Conventional High Strength Steels) Σε αυτή την κατηγορία ανήκουν οι τύποι Χαλύβων με συνδυασμένη προσθήκη Άνθρακα Μαγγανίου (Carbon-Manganese CMn), οι Σκλήρωσης κατά τη διαδικασία έψησης (βαθής αμαξωμάτων π.χ.170 ο C) Bake Hardenable (BH), οι Ισοτροπικοί Χάλυβες (Isotropic steels-is), οι χάλυβες Απαλλαγμένοι από στοιχεία παρεμβολής Υψηλής Αντοχής (High Interstitial Free IF-HS) και οι Μικροκραματωμένοι Χάλυβες Υψηλής Αντοχής (High Strength Low Alloy - HSLA). Η βασική διαφορά των τυπικών ΗSS από τους ΑHSS βρίσκεται στην μικροδομή τους. Οι τυπικοί ΗSS είναι μονοφασικοί φερριτικοί χάλυβες ενώ οι AHSS είναι πολυφασικοί χάλυβες, η μικροδομή των οποίων περιέχει φερρίτη, μαρτενσίτη, μπαινίτη και σε κάποιες περιπτώσεις υπολειπόμενο ωστενίτη σε ποσοστά τέτοια ώστε να προσδώσει στο υλικό κάποιες συγκεκριμένες ιδιότητες [15]. Οι Χάλυβες με συνδυασμένες προσθήκες Άνθρακα Μαγγανίου (CMn) περιέχουν Μn σε ποσοστό από 1.2% κ.β. έως και 1.8% κ.β.. Το Μn προστίθεται στους ανθρακούχους χάλυβες για αύξηση της αντοχής, της σκληρότητας καθώς και της δυσθραυστότητας [17]. Επίσης εμφανίζουν αυξημένη αντοχή στην κόπωση και επιτρέπουν στους κατασκευαστές να αυξήσουν την μηχανική αντοχή του τελικού προϊόντος όπως και να μειώσουν το πάχος του χάλυβα. Στα αυτοκίνητα χρησιμοποιείται σε μέρη όπως στις ζάντες (wheel rims), στους δίσκους των τροχών (wheel discs), στις αναρτήσεις ( suspension housings), (transverse links) κ.α. [18]. 22

30 Οι χάλυβες Bake Hardenable (BH) είναι χάλυβες ψυχρής διαμόρφωσης χαμηλού C, οι οποίοι αυξάνουν την αντοχή τους εξαιτίας ενός συνδυασμού βαφής (staining) και γήρανσης (age hardening) μετά τη διαμόρφωση [15]. Παρουσιάζουν φερριτική μικροδομή και ισχυροποιούνται μέσω του μηχανισμού σκλήρωσης στερεού διαλύματος. Ένα μοναδικό χαρακτηριστικό αυτών των χαλύβων είναι η χημεία τους και η διαδικασία παραγωγής τους που είναι σχεδιασμένη να κρατά τον C στο διάλυμα κατά την παραγωγή τους και στη συνέχεια να του επιτρέπει να διαχυθεί κατά την διάρκεια της βαφής που πραγματοποιείται με έψηση στους ο C ή έπειτα από κάποιες εβδομάδες σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτό αυξάνει το όριο διαρροής (yield strength) των διαμορφωμένων τμημάτων με αντίστοιχη αύξηση στην αντοχή σε κοίλανση (dent resistance) [14]. Η μικροδομή των Ισοτροπικών Χαλύβων (IS) είναι κυρίως φερριτική και συνδυάζει πολύ καλή διαμορφωσιμότητα καθώς και υψηλή αντοχή σε θραύση. Η εξαιρετική τους διαμορφωσιμότητα επιτυγχάνεται από τις ιδιαίτερες ρεολογικές τους ιδιότητες. Εμφανίζουν ομοιόμορφη διαρροή ( uniform flow) κατά την έλαση ή την διαμόρφωσή τους (isotropic flow). Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα κατά την κοίλανση να μην δημιουργούν αυτιά όπως συμβαίνει με τους τυπικούς χάλυβες βαθειάς κοίλανσης. Το πάχος του διαμορφωμένου εξαρτήματος μπορεί να φθάσει και κάτω από τα 0.7 mm. χωρίς να χάσουν σε μηχανική αντοχή. Γενικώς χρησιμοποιούνται γιατί εμφανίζουν σχετικά μέτριο όριο διαρροής που κυμαίνεται από MPa, υψηλή πλαστικότητα κατά την διάρκεια της μορφοποίησης, μεγάλη ολκιμότητα, υψηλή αντοχή, ομοιόμορφες μηχανικές ιδιότητες κ.α. Χρησιμοποιούνται στα μέρη του αμαξώματος που διαμορφώνονται με ψυχρή έλαση όπως στις πόρτες των αυτοκινήτων, στα φτερά κ.λ.π. [19].. Οι χάλυβες Απαλλαγμένοι από στοιχεία παρεμβολής Υψηλής Αντοχής (IF-HS) βρήκαν ευρεία εφαρμογή στην αυτοκινητοβιομηχανία εξαιτίας της ανάγκης για μείωση του συνολικού βάρους τους αμαξώματος, ώστε το όχημα να γίνει πιο φιλικό προς το περιβάλλον και πιο οικονομικό με την κατανάλωση λιγότερου καυσίμου. Περιέχουν P και Mn σαν στοιχεία ισχυροποιήσεως μέσω του μηχανισμού σκλήρωσης μέσω στερεού διαλύματος. Ο στόχος ήταν η επίτευξη υψηλών τιμών αντοχής χωρίς να θυσιαστεί η ικανότητα σε βαθειά κοίλανση (deep drawability). Ωστόσο, ο περιορισμός της ικανότητας στην κοίλανση συχνά έχει αναφερθεί στου IFHS και ειδικά σε εκείνους που περιέχουν P. Οι χάλυβες IF ονομάζονται και καθαροί 23

31 χάλυβες μιας και το συνολικό κλάσμα όγκου των κατακρημνισμάτων εμφανίζεται αρκετά μικρό. Σε αντίθεση με το παραπάνω τα κατακρημνίσματα δείχνουν να επιδρούν σημαντικά στις ιδιότητες του υλικού και ειδικά στη διαμορφωσιμότητα [20-22]. Μεγάλη συσχέτιση κατακρημνισμάτων και δημιουργίας μικροϊστού έχει παρατηρηθεί από μελετητές [23]. Η ομάδα των Μικροκραματωμένων Χαλύβων Υψηλής Αντοχής (HSLA) ανήκουν στην κατηγορία των χαλύβων που ισχυροποιούνται κυρίως από τα στοιχεία μικροκραμάτωσης, τα οποία συμβάλλουν στην κατακρήμνιση των καρβιδίων και νιτριδίων καθώς και στην εκλέπτυνση του μεγέθους του κόκκου [15]. Εμφανίζουν πολύ καλή συγκολλησιμότητα και μέτρια διαμορφωσιμότητα ιδιότητες που τις οφείλουν στη χαμηλή περιεκτικότητα σε C ( %κ.β.). Περιέχουν σε μικρές περιεκτικότητες (όχι πάνω από 0.2%κ.β.) κραματικά στοιχεία όπως Νb, V και Ti τα οποία σχηματίζουν καρβίδια, νιτρίδια και καρβονιτρίδια. Η παρουσία αυτών των κατακρημνισμάτων εμποδίζει την ανακρυστάλλωση του ωστενίτη κατά την θερμή έλαση με αποτέλεσμα την διατήρηση μικρού μεγέθους κόκκου φερρίτη κατά την απόψυξη. Δηλαδή η αύξηση της αντοχής του χάλυβα επιτυγχάνεται μέσω του μηχανισμού σκλήρωσης με εκλέπτυνση του κόκκου [16] Προηγμένοι Χάλυβες Υψηλής Αντοχής (Advanced High Strength Steels) Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι Διφασικοί Χάλυβες (DP), οι Αυξανόμενης πλαστικότητας κατά την παραμόρφωση (ΤRIP), οι Σύνθετης μικροδομής Χάλυβες (CP) και οι Μαρτενσιτικοί Χάλυβες (MART). Η μικροδομή των Διφασικών χαλύβων (Dual Phase - DP), αποτελείται από μια μαλακή μήτρα φερρίτη μέσα στην οποία είναι διασπαρμένες νησίδες σκληρού μαρτενσίτη ή ακόμη και ωστενίτη σε ποσοστό από 10-40%. Η αντοχή του χάλυβα εξαρτάται από το κλάσμα όγκου και τη σκληρότητα του μαρτενσίτη στη δομή του. Γι αυτό το λόγο το όριο θραύσης του υλικού κυμαίνεται από MPa [7]. Είναι χάλυβες χαμηλού ποσοστού C ( %κ.β.) που συνήθως περιέχουν Μn, Si και άλλα στοιχεία (Cr, Mo, V, Nb) σε μικρότερα ποσοστά. Εμφανίζουν ταυτόχρονα υψηλή μηχανική αντοχή και μέτρια ολκιμότητα, κάτι που τους καθιστά ιδανικούς σε εφαρμογές όπως στης ψυχρής διαμόρφωσης ζάντες του αυτοκινήτου [8,9]. 24

32 Οι χάλυβες Αυξανόμενης Πλαστικότητας κατά την Παραμόρφωση (TRansformation Induced Plasticity - TRIP), που αποτελούν και το αντικείμενο μελέτης της παρούσας διατριβής, απέκτησαν το προσωνύμιο τους από τον μεταλλουργό Zackay [10] όταν εργάστηκε με χάλυβες υψηλής κραμάτωσης σε μια προσπάθεια μετατροπής τους σε πλήρως ωστενιτικούς σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η μικροδομή τους αποτελείται από τρείς κύριες φάσεις: φερρίτη, μπαινίτη (bainite) και υπολειπόμενο ωστενίτη (retained austenite) ενώ συνήθως εμφανίζεται και μικρό ποσοστό μαρτενσίτη[8,10]. Τα τελευταία χρόνια εμφανίστηκε μια άλλη κατηγορία χαλύβων οι ΤRIP-assisted multiphase steels που ενώ ονομαστικά παραπέμπουν στους TRIP διαφέρουν αρκετά διότι στην πραγματικότητα ανήκουν στην κατηγορία των DP περιέχοντας στη μικροδομή τους μικρά ποσοστά σε υπολειπόμενο ωστενίτη. Τα ποσοστά σε C και Si ή Al είναι μεγαλύτερα από τους DP ώστε να επιτευχθεί η πολυφασική (multiphase) μικροδομή τους. Οι χάλυβες TRIP εμφανίζουν καλύτερες τιμές ολκιμότητας και ενδοτράχυνσης (work hardening) σε σύγκριση με τους DP της ίδιας μηχανικής αντοχής. Αυτό οφείλεται στην παρουσία του ωστενίτη σε θερμοκρασία περιβάλλοντος ο οποίος μετασχηματίζεται σε μαρτενσίτη όταν το υλικό δεχθεί την απαραίτητη ενέργεια ενεργοποίησης για το μετασχηματισμό του σε μαρτενσίτη κατά τη διάρκεια της παραμόρφωσης [8,11]. Οι χάλυβες χρησιμοποιούνται στις μπάρες προστασίας του αυτοκινήτου, στις κολώνες και γενικά σε όποιο σημείο απαιτείται αυξημένη παθητική ασφάλεια στο αμάξωμα. Περισσότερες λεπτομέρειες για το υλικό θα αναπτυχθούν στο Κεφ.2 που ακολουθεί. Οι Σύνθετης μικροδομής Χάλυβες (Complex Phase - CP), είναι χάλυβες που εμφανίζουν πολύ μεγάλο όριο θραύσης καθώς και υψηλή αντίσταση στην εκτριβή [13]. Η μικροδομή τους είναι ιδιαιτέρως λεπτοκρυσταλλική και αποτελείται από φερρίτη, μπαινίτη και υπολειπόμενου ωστενίτη. Η εκλέπτυνση των κόκκων επιτυγχάνεται επιβραδύνοντας την ανακρυστάλλωση ή την κατακρήμνιση των στοιχείων μικροκραμάτωσης όπως του Τi ή του Nb. Σε σύγκριση με τους DP χάλυβες, οι CP χάλυβες εμφανίζουν εμφανώς υψηλότερο όριο διαρροής στο ίδιο περίπου όριο θραύσης, που κυμαίνεται από 800MPa και πάνω. Χαρακτηρίζονται για την υψηλή ενεργειακή απορρόφηση που επιδεικνύουν καθώς και για την υψηλή παραμένουσα ικανότητα παραμόρφωσης (residual deformation capacity). Στην αυτοκινητοβιομηχανία χρησιμοποιούνται σαν μαξιλάρια ενίσχυσης (pillar 25

33 reinforcements), σε τμήματα του πλαισίου στήριξης (chassis parts), στις κολώνες (intrusion beams) κ.α. [4,13]. Όσον αφορά τους Μαρτενσιτικούς Χάλυβες (Martensitic - MART) είναι χάλυβες που παρουσιάζουν πλήρως μαρτενσιτική μικροδομή. Είναι χάλυβες χαμηλού C με προσθήκες Mn και Si σαν στοιχεία ισχυροποιήσεως του πλέγματος. Το όριο θραύσης των συγκεκριμένων υλικών κυμαίνεται από 800MPa έως 1700MPa. Σε σύγκριση με τυπικούς χάλυβες ψυχρής έλασης προσφέρουν υψηλότερο λόγο αντοχής-βάρους και για το λόγο αυτό η χρησιμοποίησή τους κρίνεται πιο οικονομική. Παρά την μεγάλη αντοχή τους δεν παρουσιάζουν καλή διαμορφωσιμότητα. Στο αυτοκίνητο χρησιμοποιούνται κυρίως στους προφυλακτήρες (pumper reinforcrment beam), εσωτερικές μπάρες προστασίες στις πόρτες (door intrusion beams), ελατήρια αναρτήσεων (springs) κ.α. [12] Χάλυβες Υψηλότερης Αντοχής (Higher Strength Steels) Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι Φεριτικοί-Μπαινιτικοί Χάλυβες (FB), οι χάλυβες που σχηματίζουν διδυμίες κατά την παραμόρφωση (TWIP), οι θερμής διαμόρφωσης (HF) και οι Θερμικά κατεργασμένοι μετά τη διαμόρφωση (PFHT). Η μικροδομή των Φερριτικών-Μπαινιτικών Χαλύβων (Ferritic-Bainitic - FB) αποτελείται από μικροκρυσταλλικούς κόκκους φερρίτη και μπαινίτη. Η αύξηση της μηχανικής αντοχής σε αυτού του είδους τους χάλυβες πραγματοποιείται τόσο με την εκλέπτυνση του μεγέθους των κόκκων όσο και με τον μηχανισμό σκλήρωσης μέσω σωματιδίων δεύτερης φάσεως που στην προκειμένη περίπτωση είναι ο μπαινίτης. Διατίθενται συνήθως σαν προϊόντα θερμής έλασης. Παρουσιάζουν πολύ καλή συγκολλησιμότητα, καλή συμπεριφορά κατά την σύγκρουση (crash performance) και καλή αντοχή στην κόπωση [14]. Οι χάλυβες (Twinning-induced plasticity - TWIP) περιέχουν στη σύνθεση τους υψηλό ποσοστό Mn (17-24% κ.β.) που κάνει τον χάλυβα να παρουσιάζει πλήρως ωστενιτική μικροδομή σε θερμοκρασία δωματίου. Μεγάλο ποσοστό της πλαστικότητας κατά την παραμόρφωση οφείλεται στο σχηματισμό των διδυμιών. Σε αυτόν τον μηχανισμό παραμορφώσεως οφείλουν και το όνομά τους αυτοί οι χάλυβες. Οι διδυμίες προκαλούν υψηλό βαθμό ακαριαίας σκλήρωσης (τιμή n-συντελεστής ενδοτράχυνσης) όσο η μικροδομή γίνεται περισσότερο λεπτοκρυσταλλική. Τα όρια 26

34 των διδυμιών λειτουργούν σαν όρια κόκκων και ισχυροποιούν τον χάλυβα. Οι χάλυβες TWIP συνδυάζουν εξαιρετικά υψηλή αντοχή με εξαιρετικά υψηλή ολκιμότητα. Το όριο θραύσης ξεπερνά το 1000MPa [14]. Οι χάλυβες θερμής διαμόρφωσης (Hot-formed - HF) δημιουργήθηκαν στα τέλη της δεκαετίας του 1990 για να παραχθούν κάποια απλά τμήματα του αμαξώματος όπως οι κολώνες των πορτών (door beams) και οι προφυλακτήρες (bumper beams). Επιλέχθηκε η διαδικασία αυτή για να ξεπεραστούν κάποιες τυπικές δυσκολίες που προκύπτουν κατά την ψυχρή διαμόρφωση (cold stamping). Οι χάλυβες αυτοί περιέχουν συνήθως Β και Mn και εμφανίζουν υψηλή αντοχή (πάνω από 1600ΜΡa), χαμηλή επαναφορά στην αρχική κατάσταση μετά από εν ψυχρώ παραμόρφωση (springback) και δυνατότητα μείωσης του πάχους του ελάσματος. Υπάρχουν δύο τρόποι παραγωγής αυτού του τύπου χάλυβα ο άμεσος (direct) και ο έμμεσος (indirect). Στον άμεσο τρόπο ο χάλυβας ωστενιτοποιείται σε θερμοκρασία ο C για 4-10 λεπτά. Σε θερμοκρασία ο C το υλικό εμφανίζει εξαιρετική διαμορφωσιμότητα και διαμορφώνεται στο επιθυμητό σχήμα με κοίλανση (stamped). Κατά την απόψυξη ασκείται πίεση για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα μέχρι να επιτευχθεί το επιθυμητό πάχος. Έπειτα αποψύχεται απότομα με νερό ώστε να επιτευχθεί ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός. Κατά τον έμμεσο (indirect) τρόπο παραγωγής το εξάρτημα υπόκειται σε κοίλανση (drawn) χωρίς θέρμανση σε ποσοστό 90-95% του τελικού του σχήματος σε ένα κοινό καλούπι και στη συνέχεια βελτιστοποιούνται ο άκρες του. Έπειτα το υλικό θερμαίνεται μέχρι τη θερμοκρασία ωστενιτοποιήσεως σε συνεχές φούρνο και ισχυροποιείται μέσα στο καλούπι (die). O λόγος του επιπρόσθετου βήματος της θερμικής κατεργασίας στην διαδικασία είναι για να επεκταθούν τα όρια της διαμορφωσιμότητας για σύνθετης μορφολογίας εξαρτήματα [24]. Οι χάλυβες Θερμικά κατεργασμένοι μετά την διαμόρφωση (Post-Forming Heat-Treated steels - PFHT) παράγονται με μια εναλλακτική μέθοδο κατά την οποία τα τμήματα επεξεργάζονται θερμικά μετά την διαμόρφωσή τους [25]. Η θέρμανση μπορεί να γίνει τόσο με συμβατικό όσο και με επαγωγικό φούρνο. Η κοίλανση (stamping ) γίνεται όταν η αντοχή του υλικού κυμαίνεται σε χαμηλά επίπεδα ενώ στη συνέχεια αυξάνεται κατά τη διάρκεια της θερμικής κατεργασίας. Αυτή η μέθοδος προσδίδει στους χάλυβες υψηλότερες τιμές αντοχής. 27

35 28

36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Χάλυβες TRIP Οι χάλυβες ΤRIP οφείλουν την ονομασία τους στο φαινόμενο TRIP που δεν είναι τίποτα άλλο παρά ένας μαρτενσιτικός μετασχηματισμός που προκαλείται εξαιτίας της άσκησης μηχανικής τάσεως στο υλικό [26]. Η μικροδομή τους αποτελείται κατά κύριο λόγο από φερρίτη, αλλοτριόμορφο (allotriomorphic) φερρίτη με μικρά κλάσματα όγκου μπαινιτικού φερρίτη και υπολειπόμενου ωστενίτη, ενώ σε κάποιες περιπτώσεις έχει ανιχνευθεί και μαρτενσίτης [28]. Η μετασταθής ωστενιτική φάση είναι εκείνη που μετασχηματίζεται σε μαρτενσιτική κατά την παραμόρφωση [26,27]. Για την δημιουργία της συγκεκριμένης μικροδομής απαιτείται χαμηλή κραμάτωση και μια καλά ελεγχόμενη θερμική κατεργασία [26,27,29]. Εξαιτίας των παραπάνω οι χάλυβες εμφανίζουν εξαιρετική ισορροπία αντοχής-ολκιμότητας καθώς και μεγάλη δυνατότητα απορρόφησης ενέργειας (high-energy absorption potential). Στην αυτοκινητοβιομηχανία χρησιμοποιούνται σε εκείνα τα σημεία του οχήματος τα οποία θα δεχθούν την ενέργεια της κρούσης κατά την σύγκρουση [29]. Εικόνα 2-1: Τα χρώματα αντιστοιχούν στις αντοχές του μετάλλου σε θραύση όπως αποδίδονται στο αριστερό πάνω μέρος της εικόνας. [184] 29

37 Οι αυτοκινητοβιομηχανίες τα τελευταία χρόνια χρησιμοποιούν και εμπιστεύονται πολυφασικούς χάλυβες στους σκελετούς των αμαξωμάτων τους. Η BMW χρησιμοποιεί χάλυβες TRIP στις σειρές 1 και 5. Η VW στο Τοuareg και στο νέο Golf. Η Volvo στα μοντέλα S60 και C30. Στην εικόνα 2-1 που ακολουθεί παρουσιάζεται ο σκελετός του αμαξώματος του μοντέλου της Volvo S60, ενώ με κόκκινο χρώμα τα σημεία του αμαξώματος στα οποία έχουν χρησιμοποιηθεί χάλυβες ΤRIP. Ένας τυπικός χάλυβας TRIP εμπεριέχει C σε ποσοστό % κ..β., 1-2.5% κ.β. Mn, και 1.2-2%κ.β. Si [59]. Η μικροδομή τους αποτελείται από 50-60%κ.ο. αλλοτριόμορφο φερρίτη, 20-30%κ.ο. ελεύθερο καρβιδίων μπαινίτη και υπολειπόμενο ωστενίτη σε ποσοστό 10-30%κ.ο.. Εμφανίζεται επίσης και ένα μικρό ποσοστό μαρτενσίτη [81,82,83,84]. 2.1 Διαδικασία Παραγωγής χάλυβα TRIP Οι χάλυβες TRIP παράγονται μέσω μιας θερμικής κατεργασίας δύο σταδίων που αποτελείται από ενδοκρίσιμη ανόπτηση (intercritical annealing) (1 ο στάδιο) και από ισοθερμοκρασιακή παραμονή στην μπαινιτική περιοχή (austempering) (2 ο στάδιο) [26-32]. Στην εικόνα 2-2 παρουσιάζονται τα στάδια παραγωγής των χαλύβων TRIP ψυχρής ελάσεως. Κατά την διάρκεια της ενδοκρίσιμης ανοπτήσεως δημιουργείται ένα μείγμα δύο φάσεων που αποτελείται από φερρίτη και ωστενίτη (α+γ). Ακολουθεί ταχεία απόψυξη μέχρι τη θερμοκρασία μπαινιτικού μετασχηματισμού κατά την διάρκεια της οποίας δημιουργείται αλλοτριόμορφος φερρίτης (allotriomorphic or epitaxial ferrite). Εκεί παραμένει το υλικό για εύλογο χρονικό διάστημα μέχρι να μετασχηματιστεί μέρος του ωστενίτη σε μπαινίτη. Τόσο κατά την διάρκεια της ενδοκρίσιμης ανόπτησης όσο και κατά την παραμονή στην μπαινιτική περιοχή ο παραμένων ωστενίτης εμπλουτίζεται σε C [30]. Με αυτό τον τρόπο ο ωστενίτης σταθεροποιείται και παραμένει κατά την περαιτέρω απόψυξη στη θερμοκρασία περιβάλλοντος [30,8]. Ο ωστενίτης σταθεροποιείται σύμφωνα με τον Βhadeshia [43] εξαιτίας του φαινομένου της μη ολοκληρωμένης αντίδρασης (incomplete reaction phenomenon) του μπαινιτικού μετασχηματισμού. Σύμφωνα λοιπόν με την θεωρία αυτή ο μπαινιτικός φερρίτης αναπτύσσεται χωρίς διάχυση (διατμησιακός μετασχηματισμός) ενώ η περίσσεια C εμπλουτίζει τον παραμένοντα ωστενίτη και τον σταθεροποιεί. Η σταθεροποίηση του ωστενίτη παίζει 30

38 ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο και πρέπει να επιτευχθεί επιτυχώς, για να αποτρέψει τον μαρτενσιτικό μετασχηματισμό κατά την απόψυξη [30]. Κατά την διάρκεια της επιβολής τάσης (παραμόρφωση) στο υλικό αυτός ο παραμένων ωστενίτης, ο οποίος βρίσκεται σε μετασταθή κατάσταση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, μετατρέπεται σε μαρτενσίτη με αντίστοιχη αύξηση της τελικής αντοχής του υλικού [30-32]. Στο εμπόριο υπάρχουν δύο κατηγορίες χαλύβων TRIP που διαχωρίζονται ανάλογα με τον διαδικασία παραγωγής τους. Οι χάλυβες ψυχρής έλασης (cold rolled) και οι χάλυβες θερμής έλασης (hot rolled). Στην πρώτη περίπτωση ένα ψυχρά ελασμένο έλασμα (strip) θερμαίνεται με γρήγορο ρυθμό σε θερμοκρασία μερικής ωστενιτοποιήσεως με σκοπό τον σχηματισμό κάποιου ποσοστού ωστενίτη. Το στάδιο αυτό αντιστοιχεί στο πρώτο στάδιο που αναφέραμε παραπάνω της ενδοκρίσιμης ανόπτησης. Το έλασμα στην συνέχεια ψύχεται με ελεγχόμενο ρυθμό που οδηγεί στον μετασχηματισμό του ωστενίτη αρχικώς σε αλλοτριόμορφο (allotriomorphic) φερρίτη και στη συνέχεια σε μπαινίτη. Όλη η διαδικασία παραγωγής φαίνεται χαρακτηριστικά στην εικόνα 2-2 που ακολουθεί. Εικόνα 2-2: Διαδικασία παραγωγής ενός τυπικού χάλυβα TRIP ψυχρής ελάσεως [32] Ο μετασχηματισμός του ωστενίτη σε μπαινιτικό φερρίτη κατά την διάρκεια του μπαινιτικού μετασχηματισμού εμπλουτίζει τον υπολειπόμενο ωστενίτη σε C εξαιτίας της αποβολής του τελευταίου με αποτέλεσμα να τον σταθεροποιεί. Η 31

39 μικροδομή αλλά και οι μηχανικές ιδιότητες μπορούν να μεταβληθούν αλλάζοντας τόσο τον ρυθμό απόψυξης όσο και τις θερμοκρασίες των επιμέρους σταδίων. Για παράδειγμα προτιμάται η παραμονή στην μπαινιτική περιοχή στην οποία δημιουργείται ο μπαινίτης για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα από ότι σε υψηλότερες θερμοκρασίες στις οποίες έχουμε ανάπτυξη αλλοτριόμορφου φερρίτη. Εικόνα 2-3: Διαδικασία παραγωγής ενός τυπικού χάλυβα TRIP θερμής ελάσεως. [90] Η διαδικασία παραγωγής των χαλύβων θερμής έλασης (Εικόνα 2.3) συνίσταται στην απόψυξη ενός πλήρως ωστενιτικού ελάσματος, που έχει υποστεί θερμή έλαση, στην θερμοκρασία περιβάλλοντος, με παραμονή στις θερμοκρασίες ενδοκρίσιμης ανόπτησης και μπαινιτικής βαφής για τη δημιουργία της μικροδομής των χαλύβων TRIP. Το γεγονός αυτό δίνει το πλεονέκτημα της απευθείας παραγωγής της μικροδομής στις τελικές διαστάσεις του ελάσματος. Η διαδικασία είναι ιδιαιτέρως φθηνή καθώς τα ελάσματα δεν χρειάζεται να θερμανθούν εκ νέου στην θερμοκρασία ενδοκρίσιμης ανόπτησης. Ωστόσο, οι χάλυβες θερμής έλασης παράγονται με περιορισμό στο πάχος του ελάσματος έως 3mm, με δυνατότητα έως και 1.4mm σε κάποια σύγχρονα έλαστρα. Αντίθετα, οι ψυχρής έλασης συνήθως παράγονται και σε μικρότερα πάχη (έως 1mm). Οι χάλυβες θερμής έλασης προτιμώνται σε εφαρμογές 32

40 της αυτοκινητοβιομηχανίας στις οποίες το κόστος παίζει πρωταρχικό ρόλο στην επιλογή του υλικού [43] Ενδοκρίσιμη Ανόπτηση (Intercritical Anneal) Κατά την διάρκεια της ανόπτησης πάνω από την θερμοκρασία Α 1 ή A C1 πραγματοποιείται σχηματισμός ωστενίτη, πλήρης διαλυτοποίηση του σεμεντίτη καθώς και ανακρυστάλλωση του φερρίτη. Ως θερμοκρασία A C1 νοείται η ευτηκτοειδής θερμοκρασία ( 723 o C) όταν έχει μετρηθεί κατά τη θέρμανση (εικόνα 2-2). Η ίδια θερμοκρασία όταν έχει μετρηθεί κατά την απόψυξη συμβολίζεται με Α r1 (εικόνα 2-3). Η καμπύλη ισορροπίας ωστενίτη/φερρίτη χαρακτηρίζεται ως Α 3 ή A C3 ή Α r3. Η καμπύλη αυτή στο διάγραμμα Fe-C παριστάνει την επέκταση του αλλοτροπικού μετασχηματισμού α/γ του καθαρού σιδήρου στην περίπτωση κραμάτωσης με άνθρακα [185]. Επίσης οδηγεί και σε ανακατανομή των στοιχείων αντικατάστασης του διαλύματος ο βαθμός της οποίας εξαρτάται από τη θερμοκρασία ανοπτήσεως και τον χρόνο παραμονής μέσα σε αυτή [43]. Στους χάλυβες ψυχρής έλασης λαμβάνει χώρα η φύτρωση και ανάπτυξη των κόκκων του ωστενίτη στα όρια των κόκκων του φερρίτη-σεμεντίτη εξαιτίας της διαλυτοποίησης του τελευταίου με διαχυσιακό μηχανισμό [30]. Ο σχηματισμός του ωστενίτη λειτουργεί παράλληλα και ανταγωνιστικά της ανακρυσταλλώσεως του φερρίτη [35] ενώ ο ωστενίτης εμπλουτίζεται σε C. Ο χρόνος παραμονής στην θερμοκρασιακή περιοχή (α+γ) είναι ιδιαιτέρως σημαντικός παράγοντας διαμόρφωσης της τελικής μικροδομής στους χάλυβες TRIP. Για παράδειγμα, υψηλή θερμοκρασία ανόπτησης και μεγάλος χρόνος παραμονής μπορεί να προκαλέσει πάχυνση (coarsening) των κόκκων που έχει σαν αποτέλεσμα πτωχές μηχανικές ιδιότητες. Αντίθετα, αρκετά χαμηλή θερμοκρασία και μικρός χρόνος παραμονής στη θερμοκρασία ανόπτησης ίσως να επιτρέψει την εμφάνιση καρβιδίων στην τελική μικροδομή [132]. Στο τέλος της μερικής ωστενιτοποίησης η μικροδομή εμπεριέχει κόκκους ωστενίτη σε σχέση προσανατολισμού κατά KS (Kurdjumov/Sachs-OR) με έναν γειτονικό ανακρυσταλλωμένο κόκκο φερρίτη [30]. Την παραδοχή αυτή έχει επιβεβαιώσει και πειραματικά ο Bruckner [34] και η σχέση αυτή ισχύει γενικά για τους χάλυβες χαμηλής κραμάτωσης. 33

41 Ο σχηματισμός του ωστενίτη κατά την διάρκεια της ενδοκρίσιμης ανοπτήσεως εξαρτάται από τη θερμοκρασία ανόπτησης, το χρόνο παραμονής στην θερμοκρασία αυτή και τη χημική σύσταση του χάλυβα [33]. Οι Evans και Hillis [36] παρατήρησαν ότι σε χάλυβα Al-TRIP, αυξάνοντας την θερμοκρασία ανόπτησης (annealing temperature) αυξάνεται και το ποσοστό του ενδοκρίσιμου ωστενίτη. Στην ίδια παρατήρηση κατέληξε και οι Εmmadoddin et.al [38] για τον ίδιου τύπου χάλυβα αλλά ωστόσο υποστηρίζει ότι το ποσοστό του παραμένοντος ωστενίτη στην τελική μικροδομή σε Si-TRIP χάλυβα, δεν συμπεριφέρεται το ίδιο γιατί ενώ αυξάνει αρχικώς με την αύξηση της θερμοκρασίας στην συνέχεια μειώνεται με την περαιτέρω αύξηση. Αυτό το αποδίδει στο γεγονός ότι σε υψηλές θερμοκρασίες, υψηλότερα ποσοστά της αρχικής ωστενιτικής φάσεως, οδηγούν σε αυξημένη πυρήνωση του μπαινίτη κατά το στάδιο της παραμονής στην ισοθερμοκρασιακή μπαινιτική περιοχή [39]. Σε υψηλές θερμοκρασίες ανοπτήσεως κοντά στην A C3, αναμένεται ότι το ποσοστό του παραμένοντος ωστενίτη να εμφανιστεί μειωμένο στην τελική μικροδομή. Επίσης, για θερμοκρασίες ανοπτήσεως κοντά στην A C1, το κλάσμα όγκου του παραμένοντος ωστενίτη μειώνεται εξαιτίας της μικρής παρουσίας της ωστενιτικής φάσεως στη θερμοκρασία αυτή. Η βέλτιστη θερμοκρασία ενδοκρίσιμης ανοπτήσεως ώστε να παραχθεί το μέγιστο κλάσμα όγκου ωστενίτη στην τελική μικροδομή, έχει υπολογιστεί από τον Chung et.al [40] ότι δίνεται από την εξίσωση 2.1 : (A C1 + A C3 ) / o C [40] ( 2.1 ) Ο χρόνος παραμονής στην ωστενιτική περιοχή επηρεάζει εξίσου το ποσοστό της ωστενιτκής φάσεως και μάλιστα όσο αυξάνει η διάρκεια παραμονής τόσο αυξάνεται και το κλάσμα όγκου του ενδοκρίσιμου ωστενίτη. Κάτι τέτοιο βέβαια δεν σημαίνει και συνακόλουθη αύξηση του παραμένοντος ωστενίτη στην τελική μικροδομή (εικόνα 2-4(c)). Η χημική σύσταση του χάλυβα επηρεάζει σημαντικότατα στον καθορισμό του κλάσματος όγκου του ενδοκρίσιμου ωστενίτη (intercritical austenite). Συγκεκριμένα η παρουσία των κραματικών στοιχείων C και Mn παίζει το σημαντικότερο ρόλο με πιο καθοριστικό ρόλο από τα δύο να έχει ο C [41]. Έτσι έχει παρατηρηθεί ότι αύξηση των κραματικών στοιχείων και αύξηση της θερμοκρασίας ανοπτήσεως οδηγεί σε αύξηση του κλάσματος όγκου του ωστενίτη [42]. Ωστόσο σε μεγάλη περιεκτικότητα 34

42 δημιουργούν προβλήματα διότι τα κραματικά στοιχεία C, Mn και Si κατά τη διάρκεια της ενδοκρίσιμης ανόπτησης, σχηματίζουν σταθερές ενώσεις οι οποίες εμφανίζονται στο τελικό προϊόν με την μορφή οξειδίων (λεπτά υμένια-films) στην επιφάνεια, όπως Μn 2 SiO 4 και SiO 2, με αποτέλεσμα τη δημιουργία προβλημάτων κατά τον μετέπειτα γαλβανισμό [37]. Ένας άλλος σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει το τελικό κλάσμα όγκου του ωστενίτη στο τελικό προϊόν είναι το μέγεθος των κόκκων του ωστενίτη στο τέλος της ενδοκρίσιμης ανόπτησης. Έχει παρατηρηθεί ότι μεγάλοι κόκκοι ωστενίτη μετασχηματίζονται πιο εύκολα σε μαρτενσίτη. Αυτό εξαρτάται από τη σταθερότητα του τελευταίου [43]. Τέλος η θερμική κατεργασία επηρεάζει και τον κρυσταλλογραφικό ιστό τόσο του ωστενίτη όσο και του ανακρυσταλλωμένου φερρίτη [44]. Οι νέοι κόκκοι του ωστενίτη οι οποίοι δημιουργήθηκαν από τα πλακίδια του σεμεντίτη δεν φαίνεται να εμφανίζουν συγκεκριμένο προσανατολισμό (preferred orientation). Ο ιστός μεταβάλλεται κατά την διάρκεια της ανοπτήσεως χωρίς όμως ο μηχανισμός να έχει κατανοηθεί πλήρως [43]. Εικόνα 2-4: (a-c) Επίδραση της ενδοκρίσιμης ανόπτησης σε χάλυβα TRIP (Si-Mn) στους 750 ο C d) Αναλογία της συγκεντρώσεως των στοιχείων στον φερρίτη σε εκείνα στον ωστενίτη σε συνάρτηση του χρόνου παραμονής στην θερμοκρασία ανοπτήσεως (800 o C ) για χάλυβα TRIP (Si-Mn) [43] 35

43 Έπειτα από την ενδοκρίσιμη ανόπτηση ακολουθεί μια ταχεία απόψυξη μέχρι την θερμοκρασία της μπαινιτικής περιοχής. Ο ρυθμός απόψυξης επηρεάζει ιδιαίτερα την διαμόρφωση της μικροδομής. Από παλιότερες έρευνες [88,89] γνωρίζουμε ότι ο ρυθμός της απόψυξης πρέπει να είναι μεγαλύτερος από 10 ο C/s κατά το πέρασμα από το θερμοκρασιακό διάστημα σχηματισμού του περλίτη ( ο C/s) ώστε να μην έχουμε σχηματισμό περλίτη. Η γρήγορη απόψυξη έχει σαν αποτέλεσμα τον σχηματισμό νέου φερρίτη ο οποίος αναπτύσσεται πάνω στην ήδη προϋπάρχουσα φερριτική φάση και ειδικά στα όρια των κόκκων του ωστενίτη με τον ενδοκρίσιμο φερρίτη [45]. Οι Ghosh και Olson [46] περιέγραψαν την ανάπτυξη αυτού του επιταξιακού (epitaxial) φερρίτη σαν ανάπτυξη υπό συνθήκες παραϊσορροπίας (paraequilibrium) του φερρίτη. Ο ρυθμός της απόψυξης επιλέγεται να είναι γρήγορος ώστε να εμποδιστεί η κατακρήμνιση του σεμεντίτη μέχρι την μπαινιτική περιοχή Ισοθερμοκρασιακός Μπαινιτικός Μετασχηματισμός (Isothermal Bainitic Transformation - Austempering) Κατά την διάρκεια της ισοθερμοκρασιακής μπαινιτικής βαφής ο μετασταθής ενδοκρίσιμος ωστενίτης μετασχηματίζεται σε μπαινίτη. O μπαινίτης αναπτύσσεται με ισοθερμοκρασιακό μετασχηματισμό σε όλες τις θερμοκρασίες στις οποίες ο σχηματισμός του περλίτη και του προευτηκτοειδή φερρίτη επιβραδύνεται δηλαδή σε θερμοκρασίες κάτω από τη θερμοκρασία μετασχηματισμού ωστενίτη-περλίτη και πάνω από τη θερμοκρασία σχηματισμού μαρτενσίτη (M S ) [43]. Ο μετασχηματισμός πραγματοποιείται σε δύο ξεχωριστά στάδια. Αρχικά την ανάπτυξη του μπαιντικού φερρίτη και στη συνέχεια την κατακρήμνιση των καρβιδίων [43, 48]. Τα προϊόντα της μπαινιτικής αντίδρασης εξαρτώνται από τη θερμοκρασία μετασχηματισμού και τη χημική σύσταση του κράματος [48]. Στην εικόνα 2-5 φαίνεται η σχηματική αναπαράσταση της εξέλιξης του μετασχηματισμού που αρχίζει από την ενδοκρίσιμη ανόπτηση και τελειώνει με την μπαινιτική βαφή. Αρχικά στο στερεό διάλυμα συνυπάρχουν κόκκοι φερρίτη και ωστενίτη (α+γ) στη θερμοκρασία της ενδοκρίσιμης ανόπτησης (εικόνα 2-5 a)). Στην συνέχεια (εικόνα 2-5 b)) μέρος του ωστενίτη, κατά την γρήγορη απόψυξη μέχρι την θερμοκρασία σχηματισμού του μπαινίτη, μετατρέπε- 36

44 Εικόνα 2-5: Σχηματική αναπαράσταση της εξέλιξης του μετασχηματισμού [49] ται σε επιταξιακό φερρίτη (ΤF) και τέλος (εικόνα 2-5 c)) κατά την διάρκεια της μπαινιτικής βαφής ένα μέρος του ωστενίτη που δεν έχει μετασχηματιστεί μετατρέπεται σε μπαινίτη (B), ενώ ο υπολειπόμενος ωστενίτης (γ R ) σταθεροποιείται εξαιτίας του εμπλουτισμού του σε C και είναι εκείνος που θα παραμένει σε θερμοκρασία περιβάλλοντος ως παραμένων ωστενίτης. Ο Bhadeshia καθώς και οι Steven και Haynes [43,47] προσπάθησαν να μετρήσουν την θερμοκρασία σχηματισμού (bainite-start temperature) του μπαινίτη μετασχηματίζοντας ισοθερμικά έναν μεγάλο αριθμό χαλύβων. Από την μελέτη τους προέκυψε η ακόλουθη εμπειρική εξίσωση : B S o C = w C - 90w Mn - 37w Ni - 70w Cr - 83w Mo [47] ( 2-2) όπου w i είναι η %κ.β περιεκτικότητα του στοιχείου i στο στερεό διάλυμα. Το στάδιο αυτό της θερμικής κατεργασίας αποτελεί το πιο σημαντικό για τους χάλυβες TRIP διότι είναι αυτό που καθορίζει την τελική μικροδομή του υλικού και σαν προέκταση αυτού και τις τελικές μηχανικές ιδιότητες. Το κλάσμα όγκου του μπαινίτη εξαρτάται από τέσσερις βασικούς παράγοντες οι οποίοι είναι: 1. το κλάσμα όγκου του ενδοκρίσιμου ωστενίτη 2. η σύνθεση του ενδοκρίσιμου ωστενίτη 3. η χρονική διάρκεια της μπαινιτικής βαφής και 4. η θερμοκρασία της μπαινιτικής βαφής Από τους τέσσερις παράγοντες που προαναφέρθηκαν οι πιο σημαντικοί είναι η θερμοκρασία και ο χρόνος παραμονής στην μπαινιτική περιοχή [48]. Όπως έχει παρατηρήσει ο Jacques [50] μια ταχεία απόψυξη από την θερμοκρασία της 37

45 ενδοκρίσιμης ανόπτησης κατευθείαν στη θερμοκρασία περιβάλλοντος χωρίς παραμονή στην μπαινιτική περιοχή θα έδινε μια δομή διφασικού χάλυβα (φερρίτημαρτενσίτη -DP). Εικόνα 2-6: Διάγραμμα μετασχηματισμού δείγματος χάλυβα TRIP ο οποίος έχει υποστεί ενδοκρίσιμη ανόπτηση στους 740 ο C για 300sec και στην συνέχεια a) ισοθερμοκρασιακή μπαινιτική βαφή στους 400 ο C για 200sec και b) στους 350 ο C για 200sec [90] Αντιθέτως, μια παραμονή στην μπαινιτική περιοχή για μεγάλο χρονικό διάστημα θα μας έδινε μια δομή αποτελούμενη από φερρίτη, μπαινίτη και καρβίδια καθώς η μεγάλης διάρκειας παραμονή αποσταθεροποιεί των ωστενίτη και ευνοεί την κατακρήμνιση των καρβιδίων. Επομένως ενδιάμεση χρόνοι παραμονής είναι εκείνοι που παράγουν την μικροδομή TRIP και για αυτό η μπαινιτική αντίδραση στους χάλυβες αυτούς χαρακτηρίζεται ως μη ολοκληρωμένη. Στην εικόνα 2-6 φαίνονται τα κλάσματα όγκου των φάσεων που προέκυψαν στην τελική μικροδομή ενός 0.2C- 38

46 1.1Mn-0.34Si χάλυβα TRIP μετά από ενδοκρίσιμη ανόπτηση στους 740 ο C και ισοθερμοκρασιακή μπαινιτική βαφή στους (α) 400 ο C και (β) 350 ο C. Όπως παρατηρούμε και στις δύο θερμοκρασίες μια μικρή παραμονή στην μπαινιτική περιοχή δεν καταφέρνει να σταθεροποιήσει τον ωστενίτη με αποτέλεσμα το μεγαλύτερο ποσοστό του ωστενίτη να μετασχηματιστεί σε μαρτενσίτη κατά το τελικό στάδιο απόψυξης (μαρτενσίτης: λευκό χρώμα, ωστενίτης: θαλασσί χρώμα, μπαινίτης: μωβ, φερρίτης: μπλε) και να δώσει μια δομή παρόμοια με διφασικό χάλυβα. Στους μεγαλύτερους χρόνους παραμονής παρατηρούμε και στις δύο θερμοκρασίες αύξηση του κλάσματος όγκου του μπαινίτη με ταυτόχρονη μείωση τόσο του ωστενίτη όσο και του μαρτενσίτη. Αυτό αποδίδεται στην αποσταθεροποίηση του ωστενίτη (υπεργήρανση) [90] Απόψυξη ως τη θερμοκρασία περιβάλλοντος Στο τελικό στάδιο της θερμικής κατεργασίας ο χάλυβας αποψύχεται από την ισοθερμοκρασιακή μπαινιτική περιοχή στην θερμοκρασία περιβάλλοντος με βαφή στο νερό. Η απότομη ψύξη σταθεροποιεί τη μικροδομή που σχηματίστηκε κατά την διάρκεια της μπαινιτικής βαφής. Η χημική σταθεροποίηση του ωστενίτη δεν επιτρέπει το σχηματισμό μαρτενσίτη κατά την τελική απόψυξη. Έτσι ο υπολειπόμενος ωστενίτης παραμένει σε μετασταθή κατάσταση στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Η σταθερότητα του ωστενίτη που επιτυγχάνεται κυρίως με τον υπερκορεσμό σε C του ωστενίτη, παίζει καθοριστικό παράγοντα για τις τελικές ιδιότητες του υλικού. Έτσι υψηλά ποσοστά C ρίχνουν την θερμοκρασία M S κάτω από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος και σταθεροποιούν τον ωστενίτη [35]. Περισσότερες λεπτομέρειες για την επίδραση των κραματικών στοιχείων αναφέρονται στις παραγράφους που ακολουθούν. Στην εικόνα 2-7 που ακολουθεί δίνονται συνοπτικά οι βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν τις τελικές μηχανικές ιδιότητες ενός χάλυβα TRIP. Όπως παρατηρούμε για την διαμόρφωση των μηχανικών ιδιοτήτων παίζει σημαντικό ρόλο η τελική μικροδομή η οποία διαμορφώνεται κατά τη διάρκεια της θερμικής κατεργασίας. 39

47 Εικόνα 2-7: Παράγοντες που επηρεάζουν την τελική μηχανική αντοχή [42] 40

48 2.2 Επίδραση κραματικών στοιχείων Εισαγωγή Τα κυριότερα κραματικά στοιχεία που συναντάμε σε ένα χάλυβα TRIP είναι o C, το Mn, το Νi, το Si, το Al, ο P, το Mo, το V, το Nb και ο Cu. Από αυτά κυρίως χρησιμοποιούμενα είναι το Mn, Si, Al και ο P τα οποία και έχουν μελετηθεί επαρκώς ενώ σαν δευτερεύοντα θεωρούνται ο Cu, Cr, Mo, V και Nb τα οποία τα συναντά κανείς στην βιβλιογραφία. Στην εικόνα 2-8 η οποία προέρχεται από μελέτη του Bleck [51] παρουσιάζεται η επίδραση του κάθε στοιχείου στο θερμοκρασιακό εύρος των περιοχών των αντιδράσεων. Σύμφωνα με τους Sverdlin και Ness [52] ο υπολογισμός της θερμοκρασίας Μs πραγματοποιείται σύμφωνα με την ακόλουθη εξίσωση 2-3 : M S ( ο C ) = C 50Mn 30Cr 20(Ni+Mo) 5(Cu+Si) [52] (2-3) Εικόνα 2-8: Επίδραση των κραματικών στοιχείων στο διάγραμμα ΤΤΤ [87] Συνοπτικά θα μπορούσαμε να υποστηρίξουμε ότι τα κραματικά στοιχεία προστίθενται στους χάλυβες TRIP για του παρακάτω λόγους: να ελέγξουν το κλάσμα όγκου του παραμένοντος ωστενίτη να επιβραδύνουν την κατακρήμνιση του σεμεντίτη 41

49 να αποτρέψουν τον σχηματισμό του περλίτη πριν από την μπαινιτική αντίδραση να σταθεροποιήσουν τον ωστενίτη να ισχυροποιήσουν τον φερρίτη Κάποιες τυπικές συστάσεις των χαλύβων TRIP δίνονται στον πίνακα 2-1 που ακολουθεί. Πίνακας 2-1: Χημική σύσταση τυπικών χαλύβων TRIP καθώς και χαλύβων με προσθήκη κραματικών στοιχείων για βελτίωση των ιδιοτήτων [ 86, 58, 30, 59, 85, 74] C Mn Si Al P Cu Cr Ni Ti V B Άνθρακας ( C ) Ο άνθρακας αποτελεί το κυριότερο κραματικό στοιχείο στους χάλυβες TRIP διότι χωρίς αυτό δεν θα μπορούσε να επιτευχθεί το φαινόμενο TRIP που προσδίδει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά στους χάλυβες αυτούς. Καθορίζει τη σταθερότητα του υπολειπόμενου ωστενίτη, ισχυροποιεί τον μαρτενσίτη και επιδρά στη διασπορά των φάσεων στην τελική μικροδομή. Ο ωστενίτης εμπλουτίζεται με C τόσο κατά την διάρκεια της ενδοκρίσιμης ανόπτησης όσο και κατά την διάρκεια της μπαινιτικής βαφής και σε αυτό οφείλεται η σταθερότητά του στη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η περιεκτικότητα σε C ενός τυπικού χάλυβα ΤRIP κυμαίνεται μεταξύ %κ.β. [30]. Σε σύγκριση με τους DP οι χάλυβες 42

50 TRIP περιέχουν υψηλότερα ποσοστά σε C. Η προσθήκη C σε μεγαλύτερα ποσοστά δημιουργεί προβλήματα συγκολλησιμότητας γι αυτό και αποφεύγεται Μαγγάνιο ( Mn ) Το μαγγάνιο είναι το κυριότερο και πιο σημαντικό στοιχείο σταθεροποίησης του ωστενίτη. Όπως φαίνεται και στην εξίσωση 2-3 το μαγγάνιο έχει αρνητικό συντελεστή στην θερμοκρασία M s (-50 ο C/%κ.β.), τον πιο αρνητικό από τα άλλα κραματικά στοιχεία. Για παράδειγμα στους χάλυβες Hadfield προστίθεται μαγγάνιο σε ποσοστό της τάξης του 12% ώστε να σταθεροποιηθεί ο ωστενίτης σε θερμοκρασία περιβάλλοντος [53]. Στους χάλυβες TRIP σχετικά μεγάλα ποσοστά μαγγανίου χρησιμοποιούνται ως κραματικές προσθήκες ~ %κ.β. [54]. Η προσθήκη του μαγγανίου αυξάνει το κλάσμα όγκου του ωστενίτη (f γ ), μειώνει τη θερμοκρασία μετασχηματισμού του ωστενίτη [35], αυξάνει τη διαλυτότητα του C στον ωστενίτη και επιβραδύνει την αντίδραση του περλίτη, που σαν αποτέλεσμα έχει να διευρύνει την περιοχή των ρυθμών απόψυξης. Επιπλέον αυξάνει σημαντικά την σκληρότητα του φερρίτη μέσω του μηχανισμού σκλήρυνσης μέσω στερεού διαλύματος [35]. Ωστόσο μεγάλα ποσοστά μαγγανίου μειώνουν την ενεργότητα του άνθρακα στον ωστενίτη, επιταχύνοντας αρκετά την κατακρήμνιση του καρβιδίου και γι αυτό πρέπει να αποφεύγονται [35, 51]. Τέλος το μαγγάνιο είναι σχετικά φθηνή προσθήκη, κάτι που το κάνει οικονομικά ελκυστικό και για το λόγο αυτό αντικατέστησε το νικέλιο στους χάλυβες TRIP [30,35] Πυρίτιο ( Si ) Στην θερμοκρασιακή περιοχή της ενδοκρίσιμης ανόπτησης το Si διαλύεται περισσότερο στο φερρίτη παρά στον ωστενίτη και αυτό γιατί το Si είναι α- φερογόνο σε αντίθεση με το Μn που είναι γ-φερογόνο [55]. Επομένως το πυρίτιο δεν είναι στοιχείο που σταθεροποιεί τον ωστενίτη αυξάνει τη ευτηκτοειδή θερμοκρασία φερίτη-ωστενίτη και μειώνει σημαντικά την ενεργότητα του άνθρακα στο φερρίτη [53]. Στους TRIP το Si καθυστερεί αρκετά ή και εμποδίζει ολοκληρωτικά την κατακρήμνιση των καρβιδίων και ειδικά του σεμεντίτη (εξαιτίας της χαμηλής 43

51 του διαλυτότητας σε αυτόν) [57] που συνήθως πραγματοποιείται κατά τη διάρκεια του μπαινιτικού μετασχηματισμού και οδηγεί σε υψηλότερα ποσοστά άνθρακα στο στερεό διάλυμα [56, 30] που χρησιμοποιούνται για εμπλουτισμό του ωστενίτη. Αυτό επιτυγχάνεται διότι η παρουσία του πυριτίου όπως και του αλουμινίου που θα αναφέρουμε στη συνέχεια, βοηθά στη διατήρηση του ωστενίτη σε θερμοκρασία περιβάλλοντος όχι αυξάνοντας την σταθερότητα του ωστενίτη θερμοδυναμικά, αλλά με την παρεμπόδιση της κατακρήμνισης του σεμεντίτη [27]. Σύμφωνα με μελέτη σε χάλυβα με αυξημένο ποσοστό πυριτίου, δεν παρατηρήθηκε κατακρήμνιση καρβιδίου ακόμη και μετά από παραμονή του δοκιμίου για αρκετές ώρες στην ισοθερμοκρασιακή μπαινιτική περιοχή [43]. Τέλος το Si αυξάνει επιπλέον την σκληρότητα του φερρίτη μέσω της σκλήρυνσης μέσω στερεού διαλύματος εφόσον όπως αναφέραμε και προηγουμένως διαχέεται περισσότερο στο φερρίτη [35]. Το πυρίτιο προστίθεται σε ποσοστά περίπου από 1.5% έως 2.5% κ.β. [54] και όσο αυξάνει η περιεκτικότητά του αυξάνεται και το ποσοστό του υπολειπόμενου ωστενίτη όπως φαίνεται και στην εικόνα 2.9c) που προέκυψε από μαθηματικό μοντέλο [27] υπολογισμού σύμφωνα με τους Chatterjee, Murugananth και Bhadeshia. Ωστόσο, η αυξημένη χρησιμοποίηση Si δημιουργεί προβλήματα τόσο κατά τον γαλβανισμό (hot-dip galvanizing) όσο και στη συγκολλησιμότητα των χαλύβων, εξαιτίας της δημιουργίας ενός λεπτού στρώματος οξειδίων (SiO 2, MnSiO 4 ) [ 60,61]. Τα οξείδια που σχηματίζονται στην επιφάνεια του ελάσματος κατά την διάρκεια της έλασης είναι αόρατα και δύσκολα απομακρύνονται [76]. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος μελετάται η χρησιμοποίηση διαφόρων άλλων κραματικών στοιχείων σε αντικατάσταση του Si όπως Al, P, V, Ti, Mo, Nb [58]. Από τα στοιχεία αυτά ευρέως έχει μελετηθεί και έχει ήδη αρχίσει να χρησιμοποιείται η προσθήκη του Al [55]. Ωστόσο, οι μηχανικές ιδιότητες που προέκυψαν δεν έφθασαν στα επίπεδα των ιδιοτήτων των χαλύβων αυτών με προσθήκες Si. 44

52 Εικόνα 2.9: Επίδραση κραματικών στοιχείων στο ποσοστό του υπολειπόμενου ωστενίτη: a) άνθρακας b) μαγγάνιο, c) πυρίτιο και d) αλουμίνιο [27] Αλουμίνιο ( Al ) Ο ρόλος του αλουμινίου είναι παρόμοιος με αυτόν του πυριτίου, δηλαδή καθυστερεί την κατακρήμνιση των καρβιδίων [57], [43], [58]. Στους χάλυβες TRIP προστίθεται σαν εναλλακτικό κραματικό στοιχείο ώστε να μειωθεί το ποσοστό του πυριτίου ή να αντικατασταθεί εξ ολοκλήρου με σκοπό να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα που παρουσιάζεται κατά τον γαλβανισμό σε θερμό λουτρό (hot-dip galvanizing problem) εξαιτίας του σχηματισμού στην επιφάνεια των οξειδίων SiO 2 και Mn 2 SiO 4 [58]. Σε έρευνα του De Meyer [79] ο οποίος μελέτησε χάλυβες με Si 45

53 καθώς και χάλυβες που περιείχαν τόσο Si όσο και Al κατέληξε ότι οι χάλυβες με Al επιδεικνύουν μεγαλύτερη διαμορφωσιμότητα από αυτούς με το Si καθώς και καλύτερο συνδυασμό αντοχής-διαμορφωσιμότητας. Αυτό το απέδωσε στον πιο σταθερό ρυθμό παραμόρφωσης-σκλήρυνσης (strain-hardening rate). Επίσης παρατήρησε ότι ο παραμένων ωστενίτης που δημιουργήθηκε εμφανίστηκε πιο χημικά σταθερός. Ωστόσο, υποστηρίζει ότι το Si δεν μπορεί να αντικατασταθεί εξ ολοκλήρου από Al στους χάλυβες TRIP, διότι υπερβολικά μεγάλη προσθήκη Al θα είχε σαν αποτέλεσμα την μείωση του ωστενιτικού βρόγχου και επομένως τη μείωση του παραγόμενου ωστενίτη. Στο ίδιο συμπέρασμα κατέληξε και ο Jacques [80] ο οποίος παρατήρησε ότι η υπερβολική μείωση του Si και αντικατάστασή του με Al οδηγεί σε χάλυβες TRIP με χαμηλές μηχανικές ιδιότητες, με χειρότερους εκείνους που έχουν μικρά ποσοστά Si της τάξης του 0.4%κ.β.. Το αλουμίνιο εκτός από τα παραπάνω φαίνεται να επιδρά στη χημικά κινητήρια δύναμη για τον σχηματισμό του μπαινιτικού φερρίτη, αυξάνοντας την ελεύθερη ενέργεια για τον μετασχηματισμό του ωστενίτη σε φερρίτη [61]. Από την σύγκριση των δύο χαλύβων ο χάλυβας με το Al εμφάνισε περισσότερο φερρίτη από αυτόν με το Si. Συνοψίζοντας θα μπορούσαμε να καταλήξουμε ότι η προσθήκη του Al πρέπει να γίνεται με προσοχή και πάντα με την παρουσία του Si που ο συνδυασμός τους βελτιώνει τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού Φώσφορος ( P ) O φώσφορος είναι γ-φερογόνο στοιχείο και επιδεικνύει παρόμοια συμπεριφορά με το Si. Δηλαδή εμποδίζει τη δημιουργία καρβιδίων αφήνοντας περισσότερο C στο διάλυμα για τον εμπλουτισμό του ωστενίτη και ισχυροποιεί τον φερρίτη [49]. Στην ίδια μελέτη ο Chen [49] παρατήρησε ότι αυξάνοντας το ποσοστό του φωσφόρου αυξάνεται το κλάσμα όγκου του υπολειπόμενου ωστενίτη. Στο ίδιο συμπέρασμα κατέληξαν και οι Ε.Jimenez-Melero [58] οι οποίοι έδειξαν ότι η παρουσία του φωσφόρου οδηγεί σε αύξηση της κινητικής του μπαινιτικού μετασχηματισμού και μάλιστα εμφανίζει μεγαλύτερη επίδραση από αυτή του Al. Την αύξηση του κλάσματος όγκου του υπολειπόμενου ωστενίτη την απέδωσε στο γεγονός ότι ο τελευταίος δεν σταθεροποιείται χημικώς στη θερμοκρασία περιβάλλοντος, αλλά μηχανικώς μέσω του μηχανισμού της σκλήρυνσης μέσω στερεού διαλύματος. 46

54 Επομένως επειδή ο Ρ αποτελεί στοιχείο παρεμβολής βοηθά στην σταθεροποίηση του ωστενίτη [49]. Ωστόσο, μεγάλες συγκεντρώσεις προκαλούν ψαθυροποίηση στο χάλυβα και γι αυτό δεν πρέπει να χρησιμοποιείται στους χάλυβες TRIP σε ποσοστό μεγαλύτερο του 0.1%κ.β. [62]. Τέλος ο Βleck [51] υποστηρίζει πως η προσθήκη Ρ επιβραδύνει την κατακρήμνιση των καρβιδίων μόνο με την παρουσία Mn και Si και επιλέγεται σε περιπτώσεις που επιβάλλεται εξαιτίας άλλων παραγόντων να μειωθούν οι συγκεντρώσεις των παραπάνω Νιόβιο ( Nb ) Το νιόβιο είναι α-φερογόνο στοιχείο, ισχυρά καρβιδιογόνο που συστέλει το βρόχο του ωστενίτη. Στους χάλυβες ΤRIP αυξάνει την σταθερότητα του ωστενίτη βοηθώντας στον εμπλουτισμό του σε άνθρακα [63,64]. Επιβραδύνει την ισοθερμοκρασιακή μπαινιτική βαφή με συνέπεια την αύξηση του κλάσματος όγκου του υπολειπόμενου ωστενίτη [65]. Σε σύγκριση με τους τυπικούς χάλυβες TRIP προσφέρει μια βελτιωμένη σχέση αντοχής-ολκιμότητας και βελτιώνει τη διαμορφωσιμότητα του υλικού ειδικά όταν αυτή πραγμοτοποιείται με ψυχρή διαμόρφωση [65]. Κατεβάζει τη θερμοκρασία M S, είναι υπεύθυνο για την εκλέπτυνση του κόκκου και καθυστερεί τον σχηματισμό του φερρίτη και του περλίτη [64] Χρώμιο ( Cr ) Το χρώμιο είναι α-φερογόνο στοιχείο, μειώνει τον βρόχο του ωστενίτη και επιβραδύνει τον σχηματισμό του περλίτη και του μπαινίτη. Η συμπεριφορά του στους χάλυβες TRIP είναι παρόμοια με αυτή του Si. Αυξάνει τη σταθερότητα του ενδοκρίσιμου ωστενίτη και εμποδίζει το μετασχηματισμό του σε φερρίτη κατά την απόψυξη [66]. Οδηγεί σε αύξηση του κλάσματος όγκου του μπαινίτη επιβραδύνοντας την μπαινιτική αντίδραση και βοηθά στον σχηματισμό μαρτενσίτη σε μικρό ποσοστό ο οποίος ανιχνεύεται στην τελική μικροδομή. Αυξάνει τις τιμές της αντοχής αλλά μειώνει το κλάσμα όγκου του παραμένοντος ωστενίτη και την ολκιμότητα [66]. O Mintz [67] υποστηρίζει ότι το χρώμιο παρουσιάζει μια επίδραση στην κατακρήμνιση των καρβιδίων παρόμοια με αυτή του Al, του Si και του P αλλά η προσθήκη σε 47

55 ποσοστό μεγαλύτερο από 0.5% κ.β. οδηγεί σε προβλήματα κατά τον γαλβανισμό. Γενικά η προσθήκη του χρωμίου δίνει μια συμπεριφορά παρόμοια με τους διφασικούς (DP) χάλυβες, δηλαδή υψηλή αντοχή (πάνω από 1000ΜΡa) και χαμηλή ολκιμότητα (περίπου 20%) [59] Μολυβδαίνιο ( Mo ) Το μολυβδαίνιο είναι ισχυρό α-φερογόνο στοιχείο, ισχυροποιεί τον φερρίτη μέσω του μηχανισμού σκλήρυνσης μέσω στερεού διαλύματος και επιβραδύνει τον σχηματισμό του περλίτη [68]. Στους χάλυβες με χαμηλά ποσοστά σε Si, η προσθήκη μολυβδαινίου μπορεί να οδηγήσει σε μηχανικές ιδιότητες παρόμοιες με χάλυβες που έχουν υψηλά ποσοστά Si και γι αυτό χρησιμοποιείται για αντικατάσταση του τελευταίου όταν αυτό απαιτείται. Ενδεικτικά αναφέρουμε σε χάλυβες με Μο το όριο θραύσης έφθασε τα 1000MPa με συνολική επιμήκυνση 36% [68]. Ως ισχυρά καρβιδιογόνο στοιχείο από θερμοδυναμικής απόψεως ευνοεί τον σχηματισμό καρβιδίων, αλλά από την οπτική γωνίια της κινητικής της αντίδρασης έδειξε να επιβραδύνει την κατακρήμνιση των καρβιδίων [51]. Στο ίδιο συμπέρασμα κατέληξε και ο Mintz [67,69] ο οποίος υποστηρίζει ότι με την προσθήκη του Μο επιτρέπονται μικρότεροι ρυθμοί απόψυξης μιας και το τελευταίο μειώνει τον ρυθμό απόψυξης από τη θερμοκρασία της ενδοκρίσιμης ανόπτησης μέχρι την μπαινιτική περιοχή καθώς επιβραδύνει τον σχηματισμό του περλίτη Χαλκός ( Cu ) Ο χαλκός παρότι είναι γ-φερογόνο στοιχείο χρησιμοποιείται σαν εναλλακτικό στοιχείο για την αντικατάσταση του Si [70]. Επιβραδύνει την κατακρήμνιση των καρβιδίων και επιδεικνύει συμπεριφορά παρόμοια με αυτή του Si και Al [66]. Σταθεροποιεί τον ωστενίτη ενώ η παρουσία κατακρημνισμάτων ε-cu καθιστά την πυρήνωση του ωστενίτη πιο εύκολη. Η επίδραση του Cu στην ισχυροποίηση των χαλύβων TRIP είναι μικρότερη από αυτή του Mn, Mo ή Cr και παρόμοια με αυτή του Ni [71]. Επειδή ο χαλκός εμφανίζει περιορισμένη στερεά διαλυτότητα, χρησιμοποιείται στην ισχυροποίηση (αύξηση της αντοχής) του φερρίτη μέσω του μηχανισμού σκλήρυνσης με κατακρήμνιση. Γενικά η χρήση του σε ποσοστά από 48

56 0.3% έως 0.5%κ.β. δείχνει να βελτιώνει τις ιδιότητες [72]. Στα ίδια συμπεράσματα καταλήγει και ο Κim [59] ο οποίος στην έρευνά του καταλήγει ότι η προσθήκη του χαλκού αυξάνει το κλάσμα όγκου του υπολειπόμενου ωστενίτη και προσδίδει στο υλικό έναν εξαιρετικό συνδυασμό αντοχής-ολκιμότητας. Για παράδειγμα η αντοχή σε θραύση κυμαίνεται μεταξύ ΜΡa ενώ η ολκιμότητα από 34-38% Νικέλιο (Νi) Το νικέλιο αποτελεί ισχυρό γ-φερογόνο στοιχείο με αποτέλεσμα στους χάλυβες TRIP να προστίθεται με σκοπό τη σταθεροποίηση του ωστενίτη. Η συμπεριφορά του είναι παρόμοια με αυτή του Mn [73]. Ο Kim [59] στην έρευνά του υποστηρίζει ότι με την προσθήκη του Νi αύξησε τόσο την αντοχή σε θραύση όσο και την ολκιμότητα με αντίστοιχη αύξηση του κλάσματος όγκου του παραμένοντος ωστενίτη. Ωστόσο στους χάλυβες TRIP το Νi χρησιμοποιείται μαζί με το Cu μιας και το Ni μειώνει τη επίδραση του Cu στην υποβάθμιση της ποιότητας της επιφάνεια του υλικού Τιτάνιο ( Τi ) Το τιτάνιο που προστίθεται στους χάλυβες σε μικρές αναλογίες, ισχυροποιεί τον φερρίτη μέσω του μηχανισμού σκλήρωσης με κατακρήμνιση και βοηθά στον έλεγχο του μεγέθους του κόκκου (εκλέπτυνση του κόκκου). Στους χάλυβες TRIP κατά την κατακρήμνιση δημιουργεί καρβίδια (TiC), νιτρίδια (TiN) καθώς και καρβονιτρίδια (Ti(C,N)) [74]. Η παρουσία του Ti φαίνεται να επηρεάζει αρνητικά το κλάσμα όγκου του ωστενίτη που η σταθερότητά του αποδίδεται στον εμπλουτισμό του σε C διότι δεσμεύει τον C για τον σχηματισμό των καρβιδίων. Στην έρευνα του Κammouni [74] που μελέτησε χάλυβες TRIP με προσθήκη Ti ανιχνεύθηκαν μικρά κλάσματα όγκου υπολειπόμενου ωστενίτη της τάξης τους 1.5% Βανάδιο ( V ) Το βανάδιο προστίθεται για τον ίδιο λόγο με το τιτάνιο. Αποτελεί στοιχείο μικροκραμάτωσης των χαλύβων και προστίθεται για σταθεροποίηση του φερρίτη 49

57 ώστε να μην σχηματιστεί περλίτης κατά την απόψυξη από την ενδοκρίσιμη ανόπτηση στη θερμοκρασία της μπαινιτικής βαφής. Έρευνες έχουν δείξει ότι σταθεροποιεί καλύτερα των ωστενίτη από το Cr Βόριο ( B ) Μικρές προσθήκες από βόριο αυξάνουν την αντοχή σε θραύση. Χάλυβες χαμηλής κραμάτωσης σε Si που περιέχουν και Β έχει βρεθεί ότι περιέχουν αυξημένο κλάσμα όγκου υπολειπόμενου ωστενίτη και επιδεικνύουν αρκετή ευαισθησία κατά το φαινόμενο TRIP [75]. Πίνακας 2-2: Ρόλος των κυριοτέρων κραματικών στοιχείων στους χάλυβες TRIP [35] Κραματικό Επίδραση Προβλήματα Στοιχείο C ( ) Mn (1.5 2) Σταθεροποιεί τον ωστενίτη (γ φερρογόνο) Καθορίζει την κατανομή των φάσεων Καθορίζει τη σταθερότητα του ωστενίτη Επηρεάζει το κλάσμα όγκου της δεύτερης φάσης Ισχυροποιεί τον μαρτενσίτη Αυξάνει την σκληρότητα Σταθεροποιεί τον ωστενίτη (γ φερρογόνο) Μειώνει την ενεργότητα του C στον φερρίτη Επιβραδύνει τον σχηματισμό περλίτη και μπαινίτη Αυξάνει τις θερμοκρασίες μετασχηματισμών Βοηθά στο σχηματισμό του ωστενίτη (austenite forming element) Μειώνει τη διαλυτότητα του C στον φερρίτη Ομαλοποιεί τη σκλήρωση μέσου στερεού διαλύματος 50 Συγκολλησιμότητα Μείωση Αντοχής Δημιουργεί καρβίδια

58 Si ( ) Al ( ) P ( ) Nb ( ) Cr ( ) Σταθεροποιεί τον φερρίτη (α φερρογόνο) Αυξάνει την ενεργότητα του C στον φερρίτη Εμποδίζει τον σχηματισμό σεμεντίτη Fe 3 C Ισχυροποιεί τον φερρίτη Καμία επίδραση στην αντοχή Αυξάνει την ολκιμότητα αυξάνοντας το κλάσμα όγκου του ωστενίτη Σκλήρωση μέσω στερεού διαλύματος Σταθεροποιεί τον φερρίτη (α φερρογόνο) Εμποδίζει το σχηματισμό σεμεντίτη Fe 3 C Σταθεροποιεί τον φερρίτη (α φερογόνο) Αυξάνει την ενεργότητα του C στον φερρίτη Επιβραδύνει την κατακρήμνιση του σεμεντίτη Fe 3 C Ισχυροποιεί τον φερρίτη Εκλέπτυνση κόκκου Αυξάνει τον C στον γ R Επιβραδύνει τον σχηματισμό μπαινίτη Μειώνει τη θερμοκρασία Μ s Σκλήρωση με κατακρήμνιση Διεγείρει το μετασχηματισμό του φερρίτη κατά τη διάρκεια της θερμής έλασης Σταθεροποιεί τον φερρίτη (α φερογόνο) Επιβραδύνει τον μετασχηματισμό του φερρίτη και του μπαινίτη Αυξάνει τις θερμοκρασίες μετασχηματισμών Βοηθά στον σχηματισμό του ωστενίτη (γ-φερογόνο/austenite forming element), μειώνει τη διαλυτότητα του C στο φερρίτη Καμία επίδραση στη σκλήρωση στερεού μέσω διαλύματος Ποιότητα Επιφανείας Ελάσματος Αυξάνει τη θερμοκρασία Μ s Ευχυτότητα Castability Διαφορισμός (segregation) Αντοχή 51

59 Mo ( ) Ti ( ) B ( ) V ( ) Σταθεροποιεί τον φερρίτη (α φερρογόνο) Επιβραδύνει τον σχηματισμό του φερρίτη και του μπαινίτη Αναστέλλει αρκετά τον μπαινιτικό μετασχηματισμού Στοιχείο που βοηθά στον σχηματισμό του φερρίτη (αφερογόνο/ferrite forming element) Ισχυρή σκλήρωση μέσω στερεού διαλύματος Σκλήρωση με κατακρήμνιση Αναστέλλει-εμποδίζει τον σχηματισμό του ωστενίτη σε φερρίτη Αυξάνει σημαντικά την αντοχή Σταθεροποιεί τον φερρίτη (α φερογόνο Σκλήρωση με κατακρήμνιση 52

60 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Φυσική Μεταλλουργία Χάλυβα ΤRIP Κρατώντας ίδια τη χημική σύσταση και ρυθμίζοντας τα κλάσματα όγκου των δευτερευουσών φάσεων (ωστενίτη-μπαινίτη), την κατανομή αυτών και κυρίως τη σταθερότητα του υπολειπόμενου ωστενίτη προκύπτει ένα ευρύ φάσμα μηχανικών ιδιοτήτων που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ανάλογα με τις ανάγκες μας στις διάφορες εφαρμογές, στους χάλυβες TRIP [91]. Γι αυτό λοιπόν θα ήταν χρήσιμο να κατανοήσουμε τους μηχανισμούς ανάπτυξης των διαφόρων φάσεων ώστε να προβλέψουμε τις τελική μικροδομή. Κατά την παραμονή λοιπόν στην θερμοκρασία της ενδοκρίσιμης ανοπτήσεως, στους χάλυβες ψυχρής έλασης, έχουμε δημιουργία ενδοκρίσιμου ωστενίτη, ο οποίος σχηματίζεται με πυρήνωση στα όρια κόκκων φερρίτη-σεμεντίτη, που προέρχεται από τη διαλυτοποίηση του σεμεντίτη με συνακόλουθο εμπλουτισμό του ωστενίτη σε άνθρακα. Στο πέρας της ανόπτησης στο στερεό διάλυμα συνυπάρχουν κλάσματα όγκου φερρίτη που δεν πρόλαβε να μετασχηματιστεί και ενδοκρίσιμου ωστενίτη. Κατά την διάρκεια τώρα της απόψυξης και μέχρι τη θερμοκρασία της μπαινιτικής περιοχής μέρος του ωστενίτη μετασχηματίζεται σε αλλοτριόμορφο φερρίτη (epitaxial ferrite). Στη συνέχεια κατά την εισαγωγή και παραμονή στη θερμοκρασία της μπαινιτικής βαφής, ο ενδοκρίσιμος ωστενίτης που έχει απομείνει μετατρέπεται σε μπαινίτη ενώ ποσοστό του ωστενίτη σταθεροποιείται εξαιτίας του εμπλουτισμού του σε άνθρακα και παραμένει σε μετασταθή κατάσταση στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος ως υπολειπόμενος ή παραμένων ωστενίτης [30]. Επομένως μια ιδανική μικροδομή ενός χάλυβα TRIP χαμηλής κραμάτωσης (low-alloy TRIP steel) θα αποτελούνταν από φερρίτη, μπαινίτη και υπολειπόμενο ωστενίτη. Ωστόσο συχνά στην μικροδομή εμφανίζονται καρβίδια καθώς και μαρτενσίτης [119]. Η ανάλυση λοιπόν των επιμέρους χαρακτηριστικών των φάσεων αυτών όπως είναι η μορφολογία τους, ο μηχανισμός ανάπτυξής τους και τα κρυσταλλογραφικά τους χαρακτηριστικά αποκτούν ιδιαιτέρως σημαντική αξία στην κατανόηση της επίδρασης τους στην τελικές ιδιότητες του υλικού. Στις παραγράφους που ακολουθούν θα γίνει μια προσπάθεια λεπτομερούς περιγραφής των μικρογραφικών χαρακτηριστικών που εμφανίζονται στην μικροδομή των χαλύβων TRIP. 53

61 3.1 Μπαινίτης Ο μπαινίτης είναι ένα μικρογραφικό συστατικό στους χάλυβες TRIP που αποτελείται από φερρίτη (μπαινιτικό φερρίτη), ωστενίτη (υπολειπόμενο) και σε κάποιες περιπτώσεις από διάφορες μορφές σεμεντίτη [30]. Στους χάλυβες TRIP εμφανίζεται με την μορφή του κοκκώδη μπαινίτη (granular bainite) [30,124,125,126] ή του κοινού μπαινίτη των εναλλασσομένων πλακιδίων (lamellae bainite) [30,43]. Σύμφωνα με τους Honeycombe και Bhadeshia [114] ο κοκκώδης μπαινίτης δεν μπορεί εύκολα να διακριθεί από τον κοινό μπαινίτη παρατηρώντας τον με το TEM διότι ο μηχανισμός σχηματισμού του είναι παρόμοιος. Ωστόσο επειδή η μικροδομή δημιουργείται κυρίως κατά τη διάρκεια της απόψυξης οι δεσμίδες (sheaves) του μπαινίτη εμφανίζονται αρκετά παχιές, Η παρατήρηση στο οπτικό μικροσκόπιο δίνει την μορφή των αποικιών (blocks) μπαινίτη και ωστενίτη και γι αυτό χρησιμοποιείται ο χαρακτηρισμός κοκκώδης (granular). Πάντως ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα του κοκκώδη μπαινίτη είναι η απουσία καρβιδίων στην μικροδομή. Αντί αυτού, ο άνθρακας που απορρίπτεται από τον μπαινιτικό φερρίτη σταθεροποιεί τον παραμένοντα ωστενίτη, και για αυτό στην τελική μικροδομή συνυπάρχουν υπολειπόμενος ωστενίτης με υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα και μαρτενσίτης μαζί με τον μπαινιτικό φερρίτη [114]. O Jacques [86] στην έρευνα του με την οποία μελέτησε τον μπαινιτικό μετασχηματισμό του ενδοκρίσιμου ωστενίτη σε χαμηλού άνθρακα χάλυβες TRIP Mn-Si με διαφορετικό ποσοστό Si, κατέληξε ότι στους χάλυβες με υψηλό ποσοστό Si (0.29C-1.4Mn-1.5Si) ο μπαινιτικός μετασχηματισμός εμφανίζει τη συμπεριφορά της μη ολοκληρωμένης αντίδρασης [43] που εμφανίζεται και στους τυπικούς χάλυβες με υψηλό ποσοστό Si. Σύμφωνα λοιπόν με τον μηχανισμό αυτό κατά τον μπαινιτικό μετασχηματισμό έχουμε συνεχή εμπλουτισμό του ωστενίτη σε άνθρακα μέχρι ένα μέγιστο σημείο. Στην συνέχεια ο μπαινιτικός μετασχηματισμός σταματά πριν ολοκληρωθεί ο πλήρης μετασχηματισμός του ενδοκρίσιμου ωστενίτη σε μπαινίτη και ο ωστενίτης που δεν μετασχηματίστηκε παραμένει σαν υπολειπόμενος ωστενίτης εξαιτίας του εμπλουτισμού του σε άνθρακα. Αυτή η συμπεριφορά αποδίδεται σε τρείς παράγοντες: i) στο διατμησιακό μηχανισμό (displacive mechanism) του μπαινιτικού μετασχηματισμού ii) στον εμπλουτισμό σε άνθρακα του ωστενίτη μεταξύ του μπαινιτικού φερρίτη και του υπολειπόμενου ωστενίτη (carbon partitioning) και τέλος iii) στην παρεμπόδιση της κατακρήμνισης του σεμεντίτη (inhibition of cementite) [120]. Σύμφωνα λοιπόν με τον 54

62 Jacques [86] ο μπαινιτικός φερρίτης αναπτύσσεται χωρίς διάχυση ενώ και η μπαινιτική αντίδραση σταματά νωρίτερα στον χάλυβα με το υψηλότερο ποσοστό Si. Αυτό φαίνεται και στην εικόνα 3-1 που παρουσιάζεται η εξέλιξη του κλάσματος όγκου του μπαινίτη στον TRIP με υψηλό Si. Όπως παρατηρούμε στους 410 ο C η αντίδραση σταματά περίπου στα 1300 δευτερόλεπτα ενώ στους 360 ο C η αντίδραση συνεχίζεται και περαιτέρω. Αντίθετα στον χάλυβα με χαμηλό ποσοστό Si (0.16C- 1.3Mn-0.38Si) το φαινόμενο της μη ολοκληρωμένης αντίδρασης δεν εμφανίστηκε. Εικόνα 3-1: Επίδραση του κλάσματος όγκου του μπαινίτη σε χάλυβα TRIP (0.29C-1.4Mn-1.5Si) κατά τη διάρκεια του ισοθερμοκρασιακού μπαινιτικού μετασχηματισμού στους 360 ο C και 410 ο C (ενδοκρίσιμη ανόπτηση στους 760 ο C για 6 λεπτά) [86] Σε αυτόν τον χάλυβα παρατηρήθηκε ταυτόχρονα σχηματισμός μπαινιτικού φερρίτη με κατακρήμνιση σεμεντίτη και για αυτό το λόγο ο εμπλουτισμός του ωστενίτη σε C εμφανίστηκε μειωμένος. Τέλος, η πραγματοποίηση του μπαινιτικού μετασχηματισμού σε υψηλή θερμοκρασία έδειξε να επιταχύνει την μπαινιτική αντίδραση και αυτό αποδόθηκε στον πιο εύκολο σχηματισμό των πλακιδίων μπαινιτικού φερρίτη (plate) εξαιτίας της μείωσης του ποσοστού σε άνθρακα. Ωστόσο, ο Zaeferer [30] στην μελέτη της μικροδομής ενός χάλυβα (0.2C- 1.4Mn-0.5Si-0.7Al-0.04P) TRIP με τη χρήση ΤΕΜ και EBSD δεν παρατήρησε καμία κατακρήμνιση καρβιδίου παρά το χαμηλό ποσοστό Si. Ο μπαινίτης εμφανίστηκε 55

63 αποτελούμενος από λεπτά εναλλασσόμενα πλακίδια (lamellae μπαινίτη) φερρίτηωστενίτη με υψηλή πυκνότητα διαταραχών σε σχέση με τους γειτονικούς κόκκους, δεν εντοπίστηκε σεμεντίτης, ενώ εντοπίστηκαν και κόκκοι με την μορφή του κοκκώδη μπαινίτη. Οι περισσότεροι από τους κόκκους ωστενίτη εμφάνισαν σχέση κρυσταλλογραφικού προσανατολισμού κατά Kurdjumov-Sachs (ΚS) με τους γειτονικούς κόκκους φερρίτη. Όλα τα πλακίδια του φερρίτη εμφάνισαν τον ίδιο προσανατολισμό, αλλά στον ωστενίτη παρατηρήθηκαν και διδυμίες. Τα πλακίδια του φερρίτη είχαν χαμηλής γωνίας όριο κόκκου (θ 1 ο ) σε σχέση με έναν γειτονικό κόκκου φερρίτη. Οι μετρήσεις με το EBSD σε πολλές περιπτώσεις δεν μπόρεσαν να ανιχνεύσουν τα μικρά πλακίδια του ωστενίτη του μπαινίτη αλλά έδειξαν ότι ο μπαινίτης εμφάνισε μια βαθμιαία μεταβολή προσανατολισμού σε σχέση με το γειτονικό κόκκο φερρίτη. Αυτή την μεταβολή ο Zaefferer την απέδωσε στις διαταραχές που δημιουργήθηκαν εξαιτίας των τάσεων του μετασχηματισμού γ-α. Από αυτή την παρατήρηση κατέληξε ότι ο σχηματισμός του μπαινίτη προκύπτει από την αναστροφή της κίνησης των ορίων των φάσεων γ-α. Δηλαδή κατά την απόψυξη μέχρι τη θερμοκρασία μπαινιτικής βαφής δεν έχουμε την πυρήνωση (nucleation) νέων κόκκων α, αλλά μετακίνηση των ορίων α-γ-α των φάσεων. Στην εικόνα 3-2 δίνεται η σχηματική αναπαράσταση του σχηματισμού του μπαινίτη που αποτελείται από λεπτά εναλλασσόμενα πλακίδια φερρίτη-ωστενίτη. Επίσης φαίνεται και η μετακίνηση των ορίων α-γ-α που σύμφωνα με τον Ζaefferer πραγματοποιείται κατά την απόψυξη χωρίς την δημιουργία νέων κόκκων α. Εικόνα 3-2: Σχηματική αναπαράσταση της μικροδομής του μπαινίτη. Η διακεκομένη γραμμή δείχνει τη θέση του α-γ ορίου κόκκου στο τέλος της ενδοκρίσιμης ανόπτησης. Κατά την διάρκεια της απόψυξης ο κόκκος του ωστενίτη συρρικνώνεται και το όριο κινείται προς την κατεύθυνση που 56

64 δείχνουν τα βέλη. Όταν πλησιάζει την θερμοκρασία σχηματισμού του μπαινίτη τα πλακίδια του μπαινιτικού φερρίτη αναπτύσσονται [30] Στην εικόνα 3-3 φαίνονται οι μικρογραφίες ΤΕΜ από το χάλυβα TRIP της έρευνας του Zaefferer [30]. Φαίνονται χαρακτηριστικά τα εναλλασσόμενα πλακίδια ωστενίτημπαινιτικού φερρίτη του μπαινίτη. Η μικρογραφία α) έχει ανακτηθεί παράλληλα με τα πλακίδια του μπαινίτη ενώ στην β) φαίνεται η ίδια περιοχή αλλά με οπτική γωνία κάθετη με τα πλακίδια. (α) (β) Εικόνα 3-3: α)μικρογραφία ΤΕΜ του εναλλασσομένων πλακιδίων του μπαινίτη (lamella bainite) παράλληλα με τα πλακίδια, β) Μικρογραφία ΤΕΜ του εναλλασσομένων πλακιδίων του μπαινίτη (lamella bainite) κάθετα με τα πλακίδια [30] Κατά την διάρκεια της μερικής ωστενιτοποιήσεως, οι κόκκοι του ωστενίτη δημιουργούνται με προσανατολισμό κατά KS-OR σε σχέση με τον γειτονικό κόκκο φερρίτη ενώ κατά την απόψυξη ο κόκκος του ωστενίτη συρρικνώνεται πάλι αλλά διατηρεί την σχέση προσανατολισμού KS σε σχέση με τον γειτονικό κόκκο φερρίτη. Σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες πάνω από 500 ο C ο μετασχηματισμός πραγματοποιείται με την ανάπτυξη προευτηκτοειδή φερρίτη. Καθώς πλησιάζουμε την θερμοκρασία μπαινιτικού μετασχηματισμού ο μετασχηματισμός προχωρά με 57

65 υπερκορεσμό σε άνθρακα. Η ανάπτυξη του μπαινίτη προχωρά με ισχυρή σχέση προσανατολισμού κατά KS. Αυτή η ισχυρή σχέση προσανατολισμού δείχνει ότι ο μπαινιτικός μετασχηματισμός πραγματοποιείται με έναν διατμησιακό μηχανισμό. Σε αυτό το σημείο είναι απαραίτητο να κάνουμε την διάκριση μεταξύ του ανώτερου μπαινίτη που σχηματίζεται στις υψηλές θερμοκρασίες ( ο C) και του κατώτερου μπαινίτη που σχηματίζεται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες ( ο C) κοντά στην M S [113]. Η μικροδομή του ανώτερου μπαινίτη αποτελείται από λεπτά πλακίδια (fine plates) φερρίτη με πάχος περίπου 0.2μm το καθένα και μήκος που μπορεί να φθάσει τα 10μm.. Τα πλακίδια αναπτύσσονται σε ομάδες (clusters) που ονομάζονται δεσμίδες (sheaves). Μέσα σε κάθε δεσμίδα (sheaf) τα πλακίδια εμφανίζονται παράλληλα και με ίδιο κρυσταλλογραφικό προσανατολισμό, καθώς και με συγκεκριμένη κρυσταλλογραφική συνάφεια (crystallographic habit). Αυτά τα ξεχωριστά πλακίδια που βρίσκονται μέσα στην δεσμίδα ονομάζονται υπο-μονάδες (sub-units) του μπαινίτη. α) β) Εικόνα 3-4: α) Σχεδιάγραμμα της υπομονάδας (sub-unit) του μπαινίτη, β) Μικρογραφία ΤΕΜ του εναλλασσομένων πλακιδίων του μπαινίτη [43] Συνήθως διαχωρίζονται από όρια αναντιστοιχίας με μικρές γωνίες (lowmisorientation boundaries) ή από σωματίδια (particles) σεμεντίτη. Με την προσθήκη κραματικών στοιχείων όπως Si ή Al που επιβραδύνουν τον σχηματισμό του σεμεντίτη, η μικροδομή του ανώτερου μπαινίτη αποτελείται από μπαινιτικό φερρίτη και εμπλουτισμένο σε C υπολειπόμενο ωστενίτη. Επίσης στην μικροδομή ενδέχεται να περιέχεται και μαρτενσίτης που δημιουργείται όταν μέρος του ωστενίτη μετασχηματίζεται κατά την απόψυξη σε θερμοκρασία περιβάλλοντος [114]. O κατώτερος μπαινίτης εμφανίζει μικροδομή αλλά και κρυσταλλογραφικά 58

66 χαρακτηριστικά παρόμοια με αυτά του ανώτερου μπαινίτη. Η κυριότερη διαφορά τους είναι ότι τα σωματίδια του σεμεντίτη κατακρημνίζονται τόσο ενδιάμεσα από τα πλακίδια του μπαινιτκού φερρίτη όσο και μέσα σε αυτά (εικόνα 3-5) [43,114]. Εικόνα 3-5: Σχηματική αναπαράσταση της μορφολογίας του ανώτερου και κατώτερου μπαινίτη [43] Εμφανίζονται ωστόσο δύο είδη κατακρημνισμάτων σεμεντίτη: αυτά που αναπτύσσονται από τον εμπλουτισμένο σε άνθρακα ωστενίτη, ο οποίος διαχωρίζει τα πλακίδια του μπαινιτικού φερρίτη και εκείνα που κατακρημνίζονται εξαιτίας του υπερκορεσμού σε άνθρακα του φερρίτη. Τα καρβίδια στον φερρίτη δεν είναι απαραίτητο να είναι πάντα σεμεντίτης. Μπορεί να είναι καρβίδιο ε, η, χ ή και σεμεντίτης. Η διαφοροποίηση αυτή στα προϊόντα της αντίδρασης οδηγεί στο συμπέρασμα ότι ο μπαινίτης δεν αποτελεί ένα κλασικό διφασικό ευκτηκτοειδές προϊόν όπως ο περλίτης που σχηματίζεται σε υψηλότερες θερμοκρασίες [115] αλλά για την ανάπτυξή του χρησιμοποιείται διαφορετικός μηχανισμός. Ο μπαινιτικός μετασχηματισμός είναι διατμησιακός (displacive) συνοδευόμενος από ένα διαχυσιακό (diffusion) μηχανισμό αναφορικά με τον C [43]. Η μορφή των καρβιδίων εξαρτάται από τη χημική τους σύσταση καθώς και τη θερμοκρασία μετασχηματισμού. Έτσι σε χάλυβες που περιέχουν περισσότερο από 1%κ.β. πυρίτιο έχει παρατηρηθεί η 59

67 εμφάνιση του ε-καρβιδίου στον μπαινιτικό φερρίτη. Τα καρβίδια στον κατώτερο μπαινίτη είναι εξαιρετικά λεπτά, μόλις μερικά νανόμετρα πάχος και περίπου 500nm μήκος. Επειδή κατακρημνίζονται μέσα στον φερρίτη, ένα μικρότερο ποσοστό άνθρακα εμπεριέχεται στον υπολειπόμενο ωστενίτη. Αυτό σημαίνει ότι λιγότερα και λεπτότερα σωματίδια σεμεντίτη κατακρημνίζονται μεταξύ των πλακιδίων φερρίτη σε σύγκριση με τον ανώτερο μπαινίτη. Μια σημαντική παρατήρηση είναι ότι ο κατώτερος μπαινίτης συνήθως εμφανίζεται περισσότερο δύσθραυστος (tougher) από των ανώτερο μπαινίτη παρά το γεγονός ότι τείνει να είναι και ισχυρότερος (stronger). Αυτό αποδίδεται στα χοντρά σωματίδια του σεμεντίτη τα οποία είναι γνωστά για την ικανότητά τους να δημιουργήσουν ρωγμές ή κενά [114]. Στους χάλυβες TRIP εξαιτίας της προσθήκης των κραματικών στοιχείων αντί για κατακρήμνιση καρβιδίων έχουμε την παραμονή του ωστενίτη εξαιτίας του εμπλουτισμού του σε άνθρακα και σχηματισμό εναλλασομμένων πλακιδίων μπαινιτικού φερρίτη με υπολειπόμενο ωστενίτη. Επομένως η μορφολογία του μπαινίτη στους χάλυβες TRIP αποτελείται από λεπτά πλακίδια μπαινιτικού φερρίτη που διαχωρίζονται από εμπλουτισμένες σε άνθρακα λωρίδες ωστενίτη και προσομοιάζει με την μορφή του ανώτερου μπαινίτη [114,123]. Η μικροδομή μπορεί επίσης να περιέχει και μαρτενσίτη ο οποίος μπορεί να δημιουργηθεί κατά την απόψυξη στην θερμοκρασία δωματίου [114]. Σύμφωνα με τον Zaefferer το πάχος των εναλλασομένων πλακιδίων φερρίτη-ωστενίτη του μπαινίτη στους CMnSi TRIP είναι της τάξης των 150nm με αυξημένη πυκνότητα διαταραχών σε σχέση με το γειτονικό πλέγμα [30]. Στους TRIP με Al ο μπαινίτης δείχνει να εμφανίζει μια κοκκώδη μορφή (granular form) με τους κόκκους του ωστενίτη και του μπαινιτικού φερρίτη ο ένας δίπλα στον άλλο [29]. 3.2 Ωστενίτης Στους χάλυβες TRIP ο ωστενίτης εμφανίζεται με τουλάχιστον δύο διαφορετικές μορφολογίες. Σαν χονδρομερής κόκκοι (blocky-type grain) μέσα στο πλέγμα του ενδοκρίσιμου φερρίτη ή σαν εναλλασσόμενα υμένια (film-type lamellae) ωστενίτη-μπαινιτικού φερρίτη μέσα στον μπαινίτη [118,93,74]. Ο χονδροειδής ωστενίτης είναι και εκείνος που μετασχηματίζεται σε μαρτενσίτη κατά την επιβολή 60

68 του φορτίου και δίνει το φαινόμενο ΤRIP. Αντιθέτως ο ωστενίτης που συναντάται στην μπαινιτική φάση σαν λεπτά υμένια γενικά δεν μετασχηματίζεται σε μαρτενσίτη [116]. Στην παραπάνω παρατήρηση κατέληξε με την εργασία του και ο Sugimoto [122] ο οποίος κατάφερε να παράγει τρεις διαφορετικούς τύπους υπολειπόμενου ωστενίτη από έναν χάλυβα TRIP με σύσταση 0.17C-1.41Si- 2Mn. Ο ωστενίτης στον τύπο Ι εμφανίστηκε με την μορφή νησίδων ωστενίτη (austenite islands) μέσα σε ένα φερριτικό πλέγμα. Ο τύπος ΙΙ εμφανίστηκε σαν στενά υμένια (narrow austenite films) κατά μήκος των ορίων του μπαινίτη (bainite lath boundaries) ενώ στον τύπο ΙΙΙ ο ωστενίτης εμφανίστηκε με βελονοειδής μορφής νησίδες (acicular austenite islands) μέσα στο φερριτικό πλέγμα [122]. Από τους τρείς τύπους ο χάλυβας με τον τύπο ΙΙ ωστενίτη παρουσίασε πολύ φτωχές μηχανικές ιδιότητες, ειδικά χαμηλή ολκιμότητα, σε σύγκριση με τους άλλους δύο τύπους. Αυτό το απέδωσε στην υψηλή υδροστατική πίεση που ασκείται στα υμένια (films) του υπολειπόμενο ωστενίτη στον τύπο ΙΙ ωστενίτη. Τελικώς κατέληξε ότι ο χάλυβας με τον τύπο ΙΙ ωστενίτη δεν είχε τις χαρακτηριστικές ιδιότητες των χαλύβων TRIP και στην πραγματικότητα δεν ήταν χάλυβας TRIP παρά το μεγάλο κλάσμα όγκου του ωστενίτη. Ο υπολειπόμενος ωστενίτης και ο φερριτικός μπαινίτης είναι γειτονικές φάσεις που εμφανίζουν ειδικό κρυσταλλογραφικό προσανατολισμό ο οποίος διατηρείται κατά τη διάρκεια της παραμόρφωσης [121]. Ο Zaefferer [30] στην έρευνά του έδειξε ότι η κρυσταλλογραφική σχέση κατά Kurdjumov-Sachs (KS) ανάμεσα στον υπολειπόμενο ωστενίτη και το φερρίτη, δύναται να διατηρηθεί εξαιτίας της ανάπτυξης ισχυρής κρυσταλλογραφικής μεταβολής (strong orientation gradients) στους γειτονικούς φερριτικούς κόκκους και ερμηνεύει αυτόν τον τύπο του διαταραγμένου (dislocated) φερρίτη σαν μπαινίτη. Ωστόσο ο σημαντικότερος παράγοντας για την εμφάνιση του φαινομένου TRIP αποτελεί η σταθεροποίηση του ωστενίτη σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η σταθεροποίηση επιτυγχάνεται με διάφορους μηχανισμούς και επομένως η ανάπτυξή τους θα ήταν σημαντική. Στην παράγραφο που ακολουθεί γίνεται μια προσπάθεια ανάλυσης των μηχανισμών αυτών. 61

69 3.2.1 Σταθεροποίηση του Ωστενίτη (Austenite stability) Η σταθεροποίηση του παραμένοντος ωστενίτη επιτυγχάνεται με την ανάπτυξη δύο μηχανισμών. Με τον πρώτο μηχανισμό η σταθεροποίηση πραγματοποιείται θερμοδυναμικά (thermodynamic) [103,29] ενώ κατά τον δεύτερο η σταθεροποίηση γίνεται μηχανικά (mechanical) [104,29]. Η θερμοδυναμική σταθεροποίηση συνίσταται στην ικανότητα του ωστενίτη να αντιστέκεται στον μετασχηματισμό μέχρι και κατά την διάρκεια του μπαινιτικού μετασχηματισμού και να παραμένει σταθερός στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος [105,106]. Η θερμοδυναμική σταθεροποίηση επιτυγχάνεται κυρίως με τον εμπλουτισμό του ωστενίτη σε άνθρακα που πραγματοποιείται κατά την διάρκεια της μπαινιτικού μετασχηματισμού, καθώς και με την προσθήκη άλλων κραματικών στοιχείων. Η μηχανική σταθεροποίηση αναφέρεται στο βαθμό κατά τον οποίο ο ωστενίτης είναι ικανός να αντισταθεί στην παραμόρφωση, στην θερμοκρασία του περιβάλλοντος, πριν μετασχηματιστεί σε μαρτενσίτη. Επιτυγχάνεται τόσο με τη διατήρηση μικρού μεγέθους κόκκου ωστενίτη όσο και από τις τάσεις μετασχηματισμού που δημιουργούνται στο γύρω πλέγμα κατά τον σχηματισμό του μπαινίτη [30,29]. Σύμφωνα με έρευνες που έγιναν σε πλήρως ωστενιτικούς χάλυβες καθώς και σε χάλυβες TRIP έχει παρατηρηθεί ότι η αντίσταση στον μαρτενσιτικό μετασχηματισμό αυξάνει με την μείωση του μεγέθους του κόκκου του ωστενίτη [117,118]. Όσον αναφορά τις τάσεις μετασχηματισμού, έχει παρατηρηθεί ότι κατά το σχηματισμό του μπαινίτη δημιουργούνται υψηλές υδροστατικές πιέσεις (hydrostatic stresses) που ενεργούν ενάντια σε έναν πιθανό μαρτενσιτικό μετασχηματισμό του γειτονικού ωστενίτη [112,30]. Η μηχανική σταθεροποίηση καθορίζει και τον βαθμό του φαινομένου TRIP. Στην έρευνα του ο Wang [91] σε μια προσπάθεια εύρεσης κάποιας σχέσης ώστε να μετρηθεί η σταθεροποίηση του ωστενίτη, χρησιμοποίησε τη θερμοκρασία M s (χαμηλότερη θερμοκρασία M s πιο σταθερός ωστενίτης) για να χαρακτηρίσει τη θερμοδυναμική σταθεροποίηση του υπολειπόμενου ωστενίτη έναντι του μετασχηματισμού κατά την απόψυξη και την θερμοκρασία για να εκτιμήσει την μηχανική σταθεροποίηση ενάντια στον μετασχηματισμό κατά την επιβολή τάσεως (stress-assisted transformation). Σαν θερμοκρασία ορίζεται η θερμοκρασία στην οποία η τάση για να ξεκινήσει ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός ισοδυναμεί με την τάση διαρροής (yield stress for slip) του ωστενίτη. Δηλαδή η 62

70 θερμοκρασία στην οποία ο μαρτενσιιτκός μετασχηματισμός μετατρέπεται από προκαλούμενος λόγω τάσης (stress-induced) σε προκαλούμενος λόγω παραμόρφωσης (strain-induced), μαρτενσιτικός μετασχηματισμός [111]. Κάτω από αυτή την θερμοκρασία ο ωστενίτης παραμορφώνεται και ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός ενισχύεται από την παραμόρφωση ενώ η αρχική τιμή της τάσης για μετασχηματισμό παραμένει σταθερή για λίγο [91]. Την ίδια παράμετρο χρησιμοποίησε και ο Haidemenopoulos για να χαρακτηρίσει τη σταθερότητα του ωστενίτη στο μετασχηματισμό κατά την απόψυξη [141]. Κατέληξε ότι με αύξηση του μέσου μεγέθους κόκκου η αυξάνει με συνέπεια να μειώνεται η σταθερότητα του ωστενίτη. Επίσης εκτίμησε ότι υπάρχει ισχυρή χημική σταθεροποίηση από τον εμπλουτισμό του ωστενίτη σε C και Mn. Η σταθεροποίηση του ωστενίτη σύμφωνα με τον Tjahjanto [92], ο οποίος στην έρευνά του ανέπτυξε ένα μοντέλο συσχέτισης των μικρομηχανικών ιδιοτήτων των χαλύβων TRIP με την μικροδομή τους, έδειξε ότι εξαρτάται από τέσσερις παράγοντες: i. το αρχικό κλάσμα όγκου και το μέγεθος κόκκου του ωστενίτη [93,94,95] ii. τη μηχανική σταθεροποίηση που προκαλείται από τις γειτονικές φάσεις του υπολειπόμενο ωστενίτη [96,97] iii. τον κρυσταλλογραφικό προσανατολισμό των κόκκων σε σχέση με τη διεύθυνση του φορτίου (loading direction) [98,99] iv. τη συγκέντρωση του άνθρακα στον υπολειπόμενο ωστενίτη [93,96,100,101,102] Όπως έχουμε αναφέρει και στο προηγούμενο κεφάλαιο, το κλάσμα όγκου του υπολειπόμενου ωστενίτη καθώς και η συγκέντρωσή του σε άνθρακα εξαρτάται από τη θερμική κατεργασία που έχει υποστεί το υλικό και ιδιαίτερα από τη θερμοκρασία και το χρόνο παραμονής τόσο στο στάδιο της ενδοκρίσιμης ανόπτησης όσο και κατά το στάδιο της ισοθερμοκρασιακής μπαινιτικής βαφής [92,93,96,102]. Μείωση του μεγέθους κόκκου του ωστενίτη σημαίνει και μεγαλύτερη σταθεροποίηση του ωστενίτη [111]. Αντίθετα περισσότερος αρχικώς υπολειπόμενος ωστενίτης στην μικροδομή δεν σημαίνει απαραίτητα και αύξηση της πραγματικής αντοχής κατά την 63

71 διάρκεια των πρώιμων σταδίων της παραμόρφωσης. Στην έρευνα του Tjahjanto [92] έδειξε ότι υπάρχει συγκεκριμένη βέλτιστη τιμή κλάσματος όγκου αρχικού υπολειπόμενου ωστενίτη πάνω από την οποία η πραγματική αντοχή (effective strength) του υλικού μειώνεται. Η επίδραση του αρχικού κλάσματος όγκου του ωστενίτη στο διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης φαίνεται στην εικόνα 3-6. Σύμφωνα λοιπόν με το διάγραμμα, αύξηση της ωστενιτικής φάσεως στο 18.5% δεν σημαίνει και αύξηση της τάσης στα αρχικά στάδια της παραμόρφωσης. Η αύξηση του ποσοστού αυξάνει την τελική αντοχή του υλικού αυξάνοντας την τιμή κατά την παραμόρφωση. Εικόνα 3-6: Επίδραση του αρχικού κλάσματος όγκου του ωστενίτη στο διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης [92] Επιπρόσθετα στην ίδια έρευνα υποστηρίχτηκε ότι η σταθεροποίηση των κόκκων του ωστενίτη επηρεάζεται από τις μηχανικές ιδιότητες των γειτονικών φάσεων (Εικόνα 3-7). Ασκώντας εξωτερική φόρτιση, οι τάσεις που δέχονται οι κόκκοι του υπολειπόμενου ωστενίτη, εξαρτώνται από τις ελαστο-πλαστικές (elastoplastic) ιδιότητες, το όριο διαρροής (yield stress) και τη συμπεριφορά σκλήρυνσης κατά την παραμόρφωση (strain-hardening behavior) της γειτονικής φερριτικής φάσεως. Η ελαστο-πλαστική συμπεριφορά της φερριτκής φάσεως μπορεί να ελεγχθεί με την προσθήκη κραματικών στοιχείων όπως μαγγάνιο, πυρίτιο, μολυβδαίνιο ή φώσφορος όπως επίσης και το μέγεθος του κόκκου [91,92,107]. Οι υδροστατικές πιέσεις που ασκούν οι γειτονικές φάσεις στον ωστενίτη συμπιέζουν τα άτομα, αλλάζουν τη συμπεριφορά τους κατά τον μετασχηματισμό και μειώνουν την 64

72 θερμοκρασία Μ s [113]. Ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός είναι διατμησιακός μετασχηματισμός με αποτέλεσμα εξαιτίας των πιέσεων να απαιτείται μεγαλύτερη τιμή τάσεως (κινούσας δύναμης) για να πραγματοποιηθεί η διάτμηση του πλέγματος και επομένως και ο μετασχηματισμός. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα ο μετασχηματιμσός να πραγματοποιείται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες M s. Εικόνα 3-7: Επίδραση του αρχικού ορίου διαρροής και της ενδοτραχύνσεως της φερριτικής μήτρας στο διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης [92] Ο κρυσταλλογραφικός προσανατολισμός του ωστενίτη καθώς και του γειτονικού φερρίτη σε σχέση με την διεύθυνση της τάσεως που ασκείται, επηρεάζει την σταθερότητα του υπολειπόμενου ωστενίτη (Εικόνα 3-8). Πειραματικές μελέτες [98,99] καθώς και αριθμητικές προσομοιώσεις [109,110] έδειξαν ότι ο ρυθμός του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού εξαρτάται από τους προσανατολισμούς των κόκκων του ωστενίτη. Αυτή η παρατήρηση επαληθεύεται από την μακροσκοπική συμπεριφορά των χαλύβων TRIP, ειδικά εκείνων που παράγονται με έλαση, η οποία επιφέρει την δημιουργία μικροϊστού (microstructural texture) κατά τον οποίο ένας μεγάλος αριθμός κόκκων προσανατολίζεται σε μια συγκεκριμένη κρυσταλλογραφική διεύθυνση [ 108]. 65

73 Εικόνα 3-8: Επίδραση των προσανοτολισμών των κόκκων του φερρίτη και ωστενίτη στο διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης [92] Ο εμπλουτισμός του ωστενίτη σε άνθρακα ελέγχεται με την προσθήκη άλλων στοιχείων όπως το Si, Al ή ο P. Αυτά τα στοιχεία καθυστερούν την κατακρήμνιση των καρβιδίων κατά την παραμονή στην μπαινιτική περιοχή και εμπλουτίζουν τον παραμένοντα ωστενίτη σε άνθρακα. Η συγκέντρωση σε άνθρακα στον παραμένοντα ωστενίτη κυμαίνεται από 0.9% έως και 2.3%κ.β. [93,102,86]. Αύξηση της συγκέντρωσης σε άνθρακα στον υπολειπόμενο ωστενίτη, αυξάνει την πραγματική αντοχή του χάλυβα οριακά. Ωστόσο, η επίδραση στην εξέλιξη του μετασχηματισμού είναι αρκετά πιο σημαντική [92]. Στην εικόνα 3-9 φαίνεται η επίδραση του ποσοστού του άνθρακα του ωστενίτη στο διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης. Εικόνα 3-9: Επίδραση της συγκέντρωσης του άνθρακα του ωστενίτη στο διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης [92] 66

74 3.3 Φερρίτης Οι μορφές του φερρίτη που συναντάμε στους χάλυβες TRIP θα μπορούσαμε να υποστηρίξουμε ότι συνοψίζονται σε τρείς κύριους τύπους. Στον φερρίτη που προϋπάρχει πριν την ενδοκρίσμη ανόπτηση και παραμένει μετά το τέλος αυτής και στη βιβλιογραφία [30,29] αναφέρεται και σαν ενδοκρίσιμος φερρίτης ή υπολειπόμενος φερρίτης (retained ferrite) [138,140], στον προευτηκτοειδή επιταξιακό φερρίτη (epitaxial ferrite) [ ] που δημιουργείται κατά την διάρκεια της απόψυξης μέχρι τη θερμοκρασία της ισοθερμοκρασιακής μπαινιτικής περιοχής και στον μπαινιτικό φερρίτη που σχηματίζεται κατά την διάρκεια της μπαιντικής αντίδρασης και αποτελεί συστατικό της μπαινιτικής φάσεως [30,29]. α b α p α Εικόνα 3-10: Μικρογραφία SEM στην οποία φαίνεται οι διάφορες μορφολογίες του φερρίτη στους χάλυβες ΤRIP. α ενδοκρίσιμος φερρίτης, α p προευτηκτοειδής φερρίτης, α b μπαινιτικός φερρίτης [132] Ο ενδοκρίσιμος φερρίτης είναι ο φερρίτης που δεν μετασχηματίζεται σε ωστενίτη κατά την διάρκεια της ενδοκρίσιμης ανοπτήσεως. Το ποσοστό που απομένει μετά την ενδοκρίσιμη ανόπτηση εξαρτάται από την διάρκεια παραμονής στην θερμοκρασία αυτή. Η μορφή του στην τελική μικροδομή χαρακτηρίζεται από αρκετές γωνίες και γι αυτό στην βιβλιογραφία αναφέρεται και σαν πολυγωνικός φερρίτης (polygonal ferrite) [119,124,125,127]. Ο ενδοκρίσιμος φερρίτης εμφανίζει μικρή 67

75 πυκνότητα διαταραχών ενώ η σχέση προσανατολισμού με τις νησίδες ωστενίτη είναι κατά ΚS [30]. Ο προευτηκτοειδής φερρίτης (epitaxial ferrite) δημιουργείται κατά την διάρκεια της απόψυξης από την θερμοκρασία της ενδοκρίσιμης ανόπτησης έως και τη θερμοκρασία της μπαινιτικής βαφής. Αναλύσεις με EPMA (Electron probe microanalysis) [137] έδειξαν ότι ο σχηματισμός αυτού του είδους του φερρίτη λαμβάνει χώρα με μερική ανακατανομή (redistribution) των κραματικών στοιχείων μεταξύ του προευτηκτοειδή φερρίτη και του ωστενίτη. Αυτή η ανακατανομή των κραματικών στοιχείων προκαλεί μεταβολές στη σύσταση του προευτηκτοειδή φερρίτη σε σχέση με τον ενδοκρίσιμο, με αποτέλεσμα τη διαφορετική συμπεριφορά κατά την προσβολή των δύο φερριτών [137]. Σύμφωνα με τον Zaefferer [30] κατά την απόψυξη δεν έχουμε φύτρωση (nucleation) νέων κόκκων φερρίτη αλλά μια κίνηση α-γ-α των ορίων των φάσεων, η οποία οδηγεί αρχικά στην ανάπτυξη κάποιου προευτηκτοειδή φερρίτη και στην συνέχεια στον σχηματισμό του μπαινίτη. Ο σχηματισμός του φερρίτη επιβεβαιώνεται και από τις μετρήσεις διαστολομετρίας (dilatometric) [128] οι οποίες έδειξαν ότι τα δοκίμια που βάφτηκαν στη θερμοκρασία μπαινιτικού μετασχηματισμού εμφάνισαν στην μικροδομή τους μεγαλύτερο κλάσμα όγκου μπαινίτη και λιγότερο φερρίτη (το κλάσμα όγκου του ωστενίτη παρέμεινε περίπου το ίδιο) από τα δοκίμια τα οποία αποψύχθηκαν πιο αργά με έναν ρυθμό περίπου στους 20 ο Κ/sec. Στο ίδιο συμπέρασμα καταλήγει και η παρατήρηση του κρυσταλλογραφικού ιστού του φερρίτη [30]. Σε δοκίμια που έχουν υποστεί ψυχρή έλαση κατά 60-70% και έχουν ανοπτηθεί μερικώς ο ιστός παρουσιάζει α-fibre παράλληλα στη Rolling Direction (<110> RD) και γ-fibre (<111> ND) (Normal Direction=κάθετα) προσανατολισμούς [129]. Αντίθετα, ένας μετασχηματισμός με πυρήνωση θα έπρεπε να οδηγήσει σε πολύ ασθενέστερους κρυσταλλογραφικούς ιστούς [130,131] κάτι που δεν συνέβη. Ωστόσο, η παρουσία του ιστού τύπου Goss ({110}<001>) στον μικροϊστό ίσως να μαρτυρά την πυρήνωση νέων κόκκων φερρίτη αλλά σε πολύ μικρό ποσοστό. Αυτό συμβαίνει στην περίπτωση κατά την οποία στην διάρκεια της ενδοκρίσιμης ανόπτησης όλος ο φερρίτης έχει καταναλωθεί [25]. Σύμφωνα με έρευνες [137,138,140] η παρουσία του προευτηκτοειδή φερρίτη στην τελική μικροδομή (20-25%), οδηγεί σε αύξηση της ολκιμότητας με μικρή μείωση στην αντοχή σε σχέση με έναν χάλυβα που περιέχει μόνο ενδοκρίσιμο φερρίτη. 68

76 Ο μπαινιτικός φερρίτης αναπτύσσεται κατά την παραμονή του υλικού στην μπαινιτική περιοχή και σύμφωνα με τον Bhadeshia [43] η ανάπτυξή του δεν πραγματοποιείται με ανακατανομή ατόμων σιδήρου ή άλλων στοιχείων αντικατάστασης, ακόμη και στην αρχική φάση του μετασχηματισμού. Ο μηχανισμός ανάπτυξής του είναι διατμησιακός (displacive) χωρίς καθόλου διάχυση [43]. Η μπαινιτική φάση σχηματίζεται με αλλαγή σχήματος και όγκου. Αυτή η μεταβολή συνοδεύεται με τη γέννηση διατμητικών και υδροστατικών τάσεων (shear and hydrostatic stresses). Οι διατμητικές τάσεις (shear stresses) οδηγούν στη δημιουργία των γεωμετρικά απαραίτητων διαταραχών (GNDs-Geometrically Necessary Dislocations) [30] την πυκνότητα των οποίων ο Bhadeshia κατάφερε να μετρήσει χρησιμοποιώντας TEM και να την υπολόγισει περίπου στα ρ d = 4x10 14 m -2 (B S 650 o C). Το χαρακτηριστικό αυτό του μπαινιτικού φερρίτη το EBSD έχει την ικανότητα να το αναγνωρίσει και συγκεκριμένα ανιχνεύει την αλλαγή στον προσανατολισμό (orientation gradient) που δημιουργείται από τις διαταραχές, με αποτέλεσμα το συγκεκριμένο όργανο να δύναται να χρησιμοποιηθεί στον διαχωρισμό του μπαινιτικού φερρίτη από τον ενδοκρίσιμο φερρίτη [29]. O Zaefferer [30] από παρατηρήσεις του στο ΤΕΜ κατέληξε ότι οι λωρίδες (lamellae) του μπαινιτικού φερρίτη εμφανίζουν σχέση προσανατολισμού κατά ΚS-OR με τις λωρίδες (lamellae) του ωστενίτη και μάλιστα πιο ακριβής σε σχέση με τους φερριτικούς κόκκους εκτός μπαινίτη. Αυτό αποδεικνύει ότι ο μπαινίτης ακολουθεί ισχυρή σχέση προσανατολισμού κατά ΚS για την ανάπτυξή του κάτι που είναι ενδεικτικό του διατμητικού μηχανισμού ανάπτυξης του μπαινίτη [30]. 3.4 Μαρτενσίτης Ο μαρτενσίτης στους χάλυβες TRIP δημιουργείται κατά την τελική απόψυξη στην θερμοκρασία περιβάλλοντος. Μέρος του ωστενίτη που δεν κατάφερε να σταθεροποιηθεί μετατρέπεται σε μαρτενσίτη. Αυτό συμβαίνει συχνότερα σε χάλυβες TRIP ισχυρά κραματωμένους με Αl και λιγότερα στους TRIP με Si [104]. Ο τύπος του μαρτενσίτη που συναντάμε στους TRIP είναι πλακοειδής μαρτενσίτης με διδυμίες (twinned plate martensite). Ο πλακοειδής μαρτενσίτης που έχει δημιουργηθεί θερμικά προκύπτει εξαιτίας του υψηλού ποσοστού σε άνθρακα πάνω από 1.4%κ.β. στην ωστενιτική φάση [133]. Για την ίδια περιεκτικότητα σε άνθρακα, ο θερμικά 69

77 δημιουργούμενος μαρτενσίτης είναι παρόμοιος με τον μαρτενσίτη που δημιουργείται μετά την επιβολή της τάσης. Ένας κόκκος υπολειπόμενου ωστενίτη περιέχει πλακίδια (platelets) διδυμιών μαρτενσίτη (twinned martensite) ενδιάμεσα από ενδοδιδυμικό (intertwined) μη μετασχηματισμένο ωστενίτη [116]. Αντίθετα με τις σχέσεις προσανατολισμού KS και NW, το υψηλής ατομικής πλήρωσης (close-packed plane) επίπεδο του μαρτενσίτη ή του μπαινίτη δεν είναι παράλληλο με αυτό του ωστενίτη. Η γωνία αναντιστοιχίας του μαρτενσίτη μειώνεται με την αύξηση της περιεκτικότητας σε άνθρακα. Αντίθετα η γωνία μεταξύ των κρυσταλλογραφικών διευθύνσεων υψηλής ατομικής πλήρωσης (close-packed directions) του μαρτενσίτη και του ωστενίτη είναι ανεξάρτητες από την περιεκτικότητα σε άνθρακα. Συγκρίνοντας τη σχέση προσανατολισμού του μεταξύ του μαρτενσίτη και ωστενίτη, η σχέση προσανατολισμού μεταξύ του μπαινίτη και ωστενίτη έχει μικρότερη γωνία αναντιστοιχίας από το τις διευθύνσεις (close-packed) του μπαινίτη και παρόμοια γωνία αναντιστοιχίας με τα επίπεδα υψηλής ατομικής πλήρωσης (close-packed) στους χάλυβες χαμηλού άνθρακα [134]. Μια άλλη μορφή εμφάνισης του μαρτενσίτη στους χάλυβες TRIP είναι και οι νησίδες ωστενίτη-μαρτενσίτη (austenite-martensite islands) που αναφέρονται στην βιβλιογραφία [135,136]. Οι νησίδες αυτές βρίσκονται μέσα στον κοκκώδη μπαινίτη διασπαρμένες μέσα στη φερριτική μήτρα και αποτελούνται από υπολειπόμενο ωστενίτη-μαρτενσίτη. Συνήθως στο ένα άκρο της νησίδας εμφανίζεται ο μαρτενσίτης και στο άλλος ο ωστενίτης (εικόνα 3-11). Μάλιστα έχει παρατηρηθεί ότι το κλάσμα όγκου της φάσεως αυτής αυξάνει μετά την επιβολή της τάσης ενώ αντίστοιχα μειώνεται το κλάσμα όγκου των νησίδων του καθαρά υπολειπόμενου ωστενίτη [135]. Στην παρατήρηση αυτών των νησίδων κατέληξε και ο Girault [136] που μάλιστα προχώρησε ένα βήμα παρακάτω και πέτυχε τον διαχωρισμό των δύο φάσεων και την παρατήρησή τους τόσο στο οπτικό όσο και στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. 70

78 Εικόνα 3-11: Μικρογραφία SEM από χάλυβα TRIP CMnSi στην οποία φαίνονται τα μικρογραφικά χαρακτηριστικά των φάσεων. GB:όρια κόκκου, MA:Νησίδα Μαρτενσίτη-ωστενίτη, PF:προευτηκτοειδής φερρίτης, RA:Υπολειπόμενος ωστενίτης [135] Για τον διαχωρισμό του ωστενίτη από τον μαρτενσίτη στους πολυφασικούς χάλυβες ο Girault [136] ανέπτυξε μια μέθοδο επαναφοράς του χάλυβα κατά την οποία θέρμαινε το χάλυβα για 2 ώρες σε θερμοκρασία 200 ο C. Με αυτόν τον τρόπο προκάλεσε την κατακρήμνιση καρβιδίων ε στον μαρτενσίτη και επομένως δημιούργησε ανάγλυφο ώστε να διαχωρίσει των ωστενίτη από τον μαρτενσίτη κατά την παρατήρηση στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Η επαναφορά του χάλυβα έδειξε να μην επηρεάζει το κλάσμα όγκου του υπολειπόμενου ωστενίτη που σύμφωνα με την έρευνα έμεινε ίδιο πριν και μετά την επαναφορά. Το κλάσμα όγκου του υπολειπόμενου ωστενίτη μετρήθηκε χρησιμοποιώντας την τεχνική της περίθλασης ακτίνων-χ (ΧRD). 71

79 α) β) Εικόνα 3-12: α)μικρογραφία LOM (Le Pera) φερρίτης: μπλέ-πράσινο, υπολειπόμενος ωστενίτης: άσπρο, μπαινίτης: βαθύ καφέ, μαρτενσίτης: απαλό καφέ και β)μικρογραφία SEM από χάλυβα TRIP στην οποία φαίνεται ο διαχωρισμός του μαρτενσίτη από τον ωστενίτη μετά την επαναφορά του χάλυβα [136]. 72

80 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής Οι βασικοί στόχοι της συγκεκριμένης έρευνας ήταν τρεις: 1 ος στόχος: Να επιβεβαιωθούν, βελτιωθούν ή και να αναπτυχθούν οι πειραματικές τεχνικές που αναφέρονται ήδη στην βιβλιογραφία και είναι απαραίτητες για την εκπόνηση μελλοντικών εργασιών στους πολυφασικούς χάλυβες TRIP ή και σε παρόμοιου τύπου χάλυβες όπως για παράδειγμα οι DP. Για τον σκοπό αυτό επιλέχθηκαν οι ακόλουθες τεχνικές a. Τεχνικές Μικροσκοπίας: Οπτική Μικροσκοπία (LOM), SEM, EBSD b. Τεχνικές Μέτρησης του κλάσματος όγκου του υπολειπόμενου ωστενίτη: XRD, EBSD, Μαγνητικές Μετρήσεις (SQUID) c. Τεχνική Αξιολόγησης μηχανικών Ιδιοτήτων: Σκληρομέτρηση (HV) 2 ος στόχος: Να μελετηθούν οι αντιδράσεις μετασχηματισμού του ωστενίτη και να χαρακτηριστούν πλήρως τα προϊόντα των αντιδράσεων αυτών. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν οι παρακάτω έρευνες: a. Μελέτη της επίδρασης της ενδοκρίσιμης θρμοκρασίας ανόπτησης, στην τελική μικροδομή και στις ιδιότητες b. Μελέτη της επίδρασης της θερμοκρασίας και του χρόνου της ισοθερμοκρασιακής μπαινιτικής βαφής, στην τελική μικροδομή και στις ιδιότητες c. Μελέτη της επίδρασης του κλάσματος όγκου και του μεγέθους κόκκου του ωστενίτη στην τελική μικροδομή 3 ος στόχος: Να εντοπισθούν οι ακριβείς παράμετροι των θερμικών κατεργασιών των ΑS RESEIVED (AR) χαλύβων ΤRIP και να παραχθεί βελτιωμένου τύπου χάλυβας 73

81 Η επίτευξη του 1 ου στόχου είναι ιδιαιτέρως σημαντική διότι οι χάλυβες TRIP ανήκουν στην κατηγορία των πολυφασικών χαλύβων κάτι που τους καθιστά ιδιαίτερα δύσκολους στον χαρακτηρισμό της μικροδομής τους. Τόσο το πλήθος και το μικρό μέγεθος κόκκου των φάσεων όσο και η κατανομή τους στο υλικό, απαιτούν ακριβή χαρακτηρισμό της μικροδομής ώστε να καταλήξουμε σε ασφαλή συμπεράσματα. Οι πολλές τεχνικές χαρακτηρισμού που χρησιμοποιούνται στην βιβλιογραφία, με τα θετικά και τα αρνητικά τους, δεν βοηθούν τον ερευνητή να καταλήξει στην βέλτιστη, γι αυτό το λόγο η απομόνωση των πιο σημαντικών ίσως να βοηθήσει τους μελλοντικούς ερευνητές στην κατανόηση των φαινομένων. Ο 2 ος στόχος αποτελεί το αντικείμενο της έρευνας αυτού του τύπου των χαλύβων διεθνώς, που ακόμη δεν έχουν κατανοηθεί πλήρως όλοι οι μηχανισμοί. Σε συνδυασμό με το γεγονός της χρησιμοποίησης όλο και περισσοτέρων χαλύβων τέτοιου τύπου στην αυτοκινητοβιομηχανία η μελέτη γύρω από της αντιδράσεις βοηθά στην βελτίωση συνθηκών παραγωγής, στην βελτίωση των υλικών καθώς και στην περαιτέρω ανάπτυξής τους. Επίσης η σημαντικότερη φάση στους TRIP που τους χαρίζει και της μοναδικές ιδιότητες είναι ο ωστενίτης και επομένως η κατανόηση του τρόπου ελέγχου της σταθερότητάς του, του μεγέθους του καθώς και της μορφολογίας του βοηθά στην δημιουργία υλικών συγκεκριμένων χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων. Τέλος ο 3 ος στόχος είναι ίσως ο σημαντικότερος για την χώρα μας και ιδιαίτερα τη συγκεκριμένη χρονική στιγμή, διότι η παραγωγή χάλυβα ΤRIP εργαστηριακά παρόμοιων ιδιοτήτων με τον ΑR, βοηθά στην εισαγωγή τεχνογνωσίας στη χώρα και επομένως στην ανάπτυξη της βαριάς βιομηχανίας που ίσως μελλοντικά λόγω ανταγωνισμού (π.χ. Τουρκία, Κίνα) να στρέψει το ενδιαφέρον της και στην παραγωγή πιο προηγμένων τύπων χαλύβων. 74

82 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Πειραματική Διαδικασία 5.1 Χαρακτηριστικά Υλικού Για την πραγματοποίηση της μελέτης επιλέχθηκε χάλυβας της κατηγορίας TRIP800. Ο χάλυβας που εξετάστηκε ήταν της κατηγορία CMnSi. Η χημική σύσταση του χάλύβα που χρησιμοποιήθηκαν παρουσιάζεται αναλυτικά στον πίνακα 5-1 που ακολουθεί. Τα δοκίμια είχαν παραχθεί εργοστασιακά και ήταν σχεδιασμένα να παρουσιάζουν αντοχές περίπου 800 MPa. Πίνακας 5-1: Σύσταση χάλυβα TRIP (%κ.β.) C Si Mn Al P Nb Ni Cr Ti TRIP Προετοιμασία Δοκιμίων Ψυχρή έλαση Τα δοκίμια παρελήφθησαν σε μορφή χαλυβδόφυλλου (έλασμα) ορθογώνιου σχήματος, διαστάσεων περίπου 190mm x 40mm και πάχους περίπου στο 1,6mm. Οι ονομασίες των ελασμάτων ήταν TRIP 800I και TRIP 800J. Πριν την έλαση τα δοκίμια ανοπτήθηκαν σε φούρνο αδρανούς ατμόσφαιρας και ακολούθησε ελεγχόμενη απόψυξη για την παραγωγή φερριτικής-περλιτικής δομής. Στη συνέχεια υπέστησαν ψυχρή έλαση για μείωση της διατομής κατά 50%. Οι αρχικές και τελικές διστάσεις των ελασμάτων δίνονται αναλυτικά στον πίνακα 5-2. H έλαση πραγματοποιήθηκε σε έλαστρο με δυο κυλίνδρους, τύπου Laminoir/Mod. M. 100/55 και έγινε αποκλειστικά προς μια κατεύθυνση. Το δοκίμιο σε κάθε πάσο περιστρέφονταν κατά 180 ο ώστε να αποφευχθούν οι δημιουργούμενες στρεβλώσεις. Η έλαση πραγματοποιήθηκε διότι τα ισχυρά ελασμένα δοκίμια αναμένεται να εμφανίσουν αυξημένη κινητικότητα αντιδράσεων κατά την ενδοκρίσιμη ανόπτηση εξαιτίας της υψηλής πυκνότητας διαταραχών εντός του όγκου τους. Επίσης πραγματοποιήθηκε ώστε να δημιουργηθεί κρυσταλλογραφικός ιστός και στην συνέχεια να μελετήσουμε αρχικώς εάν αυτός 75

83 διατηρείται μετά από τις θερμικές κατεργασίες, καθώς και το κατά πόσο επηρεάζει τις τελικές μηχανικές ιδιότητες. Πίνακας 5-2: Διαστάσεις ελασμάτων πριν και μετά την έλαση Αρχ. Τελ. Αρχ. Τελ. Αρχ. Τελ. Μήκος Μήκος Πλάτος Πλάτος Πάχος Πάχος (mm.) (mm.) (mm.) (mm.) (mm.) (mm.) TRIP 800I ,63 0,81 TRIP 800J ,64 0, Κοπή δοκιμίων Τα ελάσματα κόπηκαν σε μικρότερες διαστάσεις παράλληλα στη διεύθυνση της ψυχρής έλασης ώστε να μπορούν να πραγματοποιηθούν οι θερμικές κατεργασίες. Οι τελικές διαστάσεις των δοκιμίων που προέκυψαν ήταν περίπου 15mm x 17mm ορθογώνιου σχήματος. Επιλέχθηκε ορθογώνιο σχήμα ώστε η μεγαλύτερη πλευρά να δηλώνει παραλληλία προς τη διεύθυνση της έλασης. Οι κοπές πραγματοποιήθηκαν με χρήση δισκοτόμου, τύπου Struers Discotom. Κατά την κοπή για αποφυγή θέρμανσης του υλικού σε θερμοκρασίες ικανές ώστε να δημιουργήσουν μεταβολές στην μικροδομή έρεε ειδικό γαλάκτωμα Θερμικές κατεργασίες Σύμφωνα με την βιβλιογραφία [38] για χάλυβα ΤRIP CMnSi με σύσταση παρόμοια με του εξεταζόμενου οι θερμοκρασίες Αc 1 και Αc 3 υπολογίστηκαν στους 748 ο C και 897 ο C βαθμούς αντίστοιχα. Οι τιμές Β S και Μ S υπολογίστηκαν βάση των σχέσων 2-2 και 2-3 που αναπτύχθηκαν στις παραγράφους και 2.2 αντίστοιχα. Σύμφωνα λοιπόν με αυτές οι τιμές προσδιορίσθηκαν σε Β S = 661 ο C και Μ S = 386 ο C. Το διάγραμμα φάσεων δίνεται στην εικόνα 5-1[88] ενώ στην εικόνα 5-2 δίνεται το διάγραμμα CCT για χάλυβα με παρόμοια σύσταση (0.11C 1.67Mn 1.19Si 0.038Al 0.013P) [187]. Όπως προκύπτει και από τα διαγράμματα οι τιμές Β S και Μ S που υπολογίστηκαν είναι πολύ κοντά στις τιμές που εξήχθησαν από πειραματικά αποτελέσματα. Για την μελέτη της επίδρασης της ενδοκρίσιμης ανόπτησης στο κλάσμα όγκου του ωστενίτη στην τελική μικροδομή επιλέχθηκαν τρείς θερμοκρασίες 76

84 ανοπτήσεως. Οι θερμοκρασίες ήταν οι 750 ο C, 775 ο C και 800 ο C για χρόνο 15min. Ο χρόνος παρέμεινε σταθερός ώστε να μελετήσουμε την επίδραση της θερμοκρασίας και να μην έχουμε και δέυτερη μεταβλητή παράμετρο στο πείραμα. Την ενδοκρίσιμη Εικόνα 5-1: Διάγραμμα φάσεων χάλυβα TRIP CMnSi [88] Εικόνα 5-2: CCT Διάγραμμα για χάλυβα παρόμοιας σύστασης [187] ανόπτηση ακολούθησε ισοθερμοκρασιακή μπαινιτική βαφή. Για την επιλογή των θερμοκρασίων λάβαμε υπόψη το διάγραμμα CCT στο οποίο φαίνεται ότι με την αύξηση του χρόνου πέφτει σημαντικά το σημείο Μ S (κάτω από τους 300 ο C). Για το λόγο λοιπόν αυτό και επειδή διατηρήσαμε σταθερό τον ρυθμό απόψυξης επιλέξαμε 77

85 να πραγματοποιήσουμε βαφές σε λουτρό μολύβδου-κασσιτέρου σε θερμοκρασίες 300 ο C, 350 ο C και 400 ο C. Η επιλογή του τήγματος Pb-Sn έγινε για να πετύχουμε άμεση μεταφορά θερμότητας και παραμονή στη θερμοκρασία αυτή. Ο μόλυβδος (Pb) τήκεται στους 327 ο C και παρουσιάζει πολύ καλές ρεολογικές ιδιότητες. Επειδή όμως πραγματοποιήθηκαν και ισοθερμοκρασιακές μπαινιτικές βαφές στην θερμοκρασία των 300 ο C ο μόλυβδος δεν επαρκούσε γιατί στη θερμοκρασία αυτή δεν θα είχε τηχθεί και επομένως έγινε προσθήκη κασσιτέρου(sn) ο οποίος έχει χαμηλότερο σημείο τήξης (180 ο C) ώστε να δημιουργηθεί χαμηλό σημείο τήξης και να μπορέσουν να πραγματοποιηθούν οι μπαινιτικές βαφές. Παρόλα αυτά έπρεπε να ληφθεί ιδιαίτερη προσοχή διότι ο κασσίτερος αντιδρά με τον χάλυβα και μπορούσε να προκαλέσει αντίδραση με το χάλυβα. Αυτό αποτράπηκε από την δημιουργία λεπτού στρώματος οξειδίου στην επιφάνεια του δοκιμίου κατά την διάρκεια της ενδοκρίσιμης ανόπτησης το οποίο προστατεύει ο δοκίμιο ώστε να μην παρουσιαστούν τέτοια φαινόμενα. Ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα που έπρεπε να προσέξουμε ήταν το φαινόμενο της απανθράκωσης που δημιουργεί ο κασσίτερος στην επιφάνεια κάτι που προσπαθήσαμε να αποτρέψουμε με την προσθήκη σκόνης γραφίτη στο τήγμα ώστε να έχουμε περίσσεια σε C. Δυστυχώς κάτι τέτοιο δεν καταφέραμε να το αποφύγουμε σε όλη την επιφάνεια του δοκιμίου και παρατηρήθηκε το φαινόμενο της απανθράκωσης στα άκρα του δοκιμίου. Αυτό επιβεβαιώθηκε και με την παρατήρηση στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο αλλά και από τις δοκιμές σκληρότητας στις οποίες εμφανίσθηκε διαφοροποίηση στην τιμές στο κέντρο του δοκιμίου από ότι στα άκρα. Για το λόγο αυτό όλα τα δοκίμια τέμνονταν παράλληλα στον άξονα της έλασης περίπου στον μέσον του πλάτους τους και η εξέταση γινόταν στην εσωτερική πλευρά του δοκιμίου. Στη συνέχεια τα δοκίμια παρέμειναν στην θερμοκρασία μπαινιτικού μετασχηματισμού για χρόνους από 1min έως 180min. Πραγματοποιήθηκαν και βαφές όπως αναφέραμε στους 300 ο C για χρονικό διάστημα όμως μόνο 30min. Τελικώς τα δοκίμια βάφτηκαν σε νερό θερμοκρασίας δωματίου. Στην εικόνα 5-3 δίνεται η σχηματική απεικόνιση των θερμικών κατεργασιών που ακολουθήθηκαν. 78

86 300C Εικόνα 5-3: Γενικό σχεδιάγραμμα των θερμικών κατεργασιών που επιλέχθηκαν Ονομασία δοκιμίων Μετά τις θερμικές κατεργασίες τα δοκίμια χωρίσθηκαν σε ομάδες με βάση τη θερμοκρασία της ενδοκρίσιμης ανόπτησης που υπέστησαν. Έτσι στην ομάδα Α συμπεριλήφθηκαν τα δοκίμια τα οποία ανοπτήθηκαν στους 750 ο C, στη Β στους 775 ο C και στη C στους 800 ο C. Η χρονική διάρκεια παραμονής των δοκιμίων στη θερμοκρασία της ενδοκρίσιμης ανόπτησης ήταν 15min για όλα τα δοκίμια. Έπειτα τα δοκίμια αριθμήθηκαν με βάση τη θερμοκρασία και το χρόνο παραμονής στην μπαινιτική περιοχή όπως ακριβώς παρουσιάζεται στον παρακάτω πίνακα 5-3. Η επιλογή των χρόνων παραμονής έγινε με βάση δύο βασικούς παράγοντες. Οι μικροί χρόνοι παραμονής (1,3min) επιλέχθηκαν με βάση την οικονομικότητα της θερμικής κατεργασίας (σε μια μελλοντική παραγωγική διαδικασία) ενώ οι μεγαλύτεροι για να μελετηθεί πλήρως η κινητική της αντιδράσεως για ερευνητικούς λόγους. 79

87 TR800 (CMnSi) Πίνακας 5-3: Πίνακας στον οποίο εμφανίζεται το σύνολο των θερμικών κατεργασιών που πραγματοποιήθηκαν για τον χάλυβα TRIP 800 Oνομασία δοκ. Θερμοκρασία Ωστ/σης ( C) (για 15min) Θερμοκρασία μπαινιτικής βαφής ( C ) Χρόνος παραμονής στην μπ/κή περιοχή (min) Μέσο Βαφής A νερό Α νερό Α νερό Α νερό Α νερό Α νερό Α νερό Α νερό Α νερό Α νερό Α νερό Β νερό Β νερό Β νερό Β νερό Β νερό Β νερό Β νερό Β νερό Β νερό Β νερό Β νερό C νερό C νερό C νερό C νερό C νερό C νερό C νερό C νερό C νερό C νερό C νερό 80

88 5.3 Μεταλλογραφία Για την μελέτη των μικροδομών που έχουν παραχθεί ακολουθήθηκαν διάφορές τεχνικές. Αρχικώς έγινε εξέταση με την τεχνική περίθλασης ακτίνων Χ, ακολούθησε παρατήρηση στο οπτικό μικροσκόπιο και στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης και τέλος τα δοκίμια εξετάστηκαν με την τεχνική EBSD. Η επιφάνεια παρατήρησης του δοκιμίου για την κάθε τεχνική δεν παρέμεινε η ίδια αλλά άλλαζε ανάλογα με τις διαστάσεις δοκιμίου που απαιτούσε το κάθε όργανο. Έτσι για την εξέταση στο ΧRD το δοκίμιο η επιφάνεια παρατήρησης επιλέχθηκε να είναι η παράλληλη πλευρά (LT1) ενώ για τις υπόλοιπες τεχνικές επιλέχθηκε η κάθετη (LT2) όπως φαίνεται αναλυτικά στην εικόνα 5-4. XRD 0,5-0,8 mm 15mm LT2 LT1 17 CR Διεύθυνση έλασης ΕBSD, οπτική μικροσκοπία και μικροσκοπία SEM Εικόνα 5-4: Επιφάνειες παρατήρησης του δοκιμίου ανάλογα με την τεχνική που ακολουθήθηκε Περίθλαση Ακτίνων Χ (ΧRD) Τα δοκίμια πριν εξεταστούν με ακτίνες Χ λειάνθηκαν χρησιμοποιώντας χαρτιά λείανσης με αριθμό κόκκων ανά τετραγωνική ίντσα 220, 400, 800, 1200 και Έπειτα καθαρίστηκε η επιφάνεια με αιθανόλη και στεγνώθηκε με εμφύσηση ρεύματος κρύου αέρα ώστε να μην υπάρχουν κατάλοιπα αιθανόλης κατά την παρατήρηση. Για την εξέταση χρησιμοποιήθηκε περιθλασίμετρο ακτίνων Χ τύπου Bruker D8 Focus της Σχολής Μηχ. Μεταλλείων Μεταλλουργών. Το 81

89 όργανο έφερε λάμπα χαλκού (CuKα 1 ) με ακτινοβολία α (alpha) μήκους κύματος 1,5405Å ( 0,154 nm), δυναμικού 40kV και ένταση ρεύματος 40mA. Η περίθλαση έγινε μεταξύ των γωνιών ο με βήμα 0,003 ο /sec. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της έρευνας του Emadoddin [160] ο οποίος μέτρησε το κλάσμα όγκου του υπολειπόμενου ωστενίτη σε χάλυβες TRIP που εμφάνιζαν κρυσταλλογραφικό ιστό, με τη χρήση τόσο λάμπας Cu όσο και λάμπας Co, κατέληξε ότι τα αποτελέσματα εμφανίστηκαν διαφορετικά για αυτούς τους δύο τύπους ακτινοβολίας Χ. Το αποτέλεσμα αυτό το απέδωσε στην υψηλότερο φθορισμό της ακτινοβολίας Cu σε σύγκριση με του Co κατά την περίθλαση των ακτινών Χ. Συγκεκριμένα στα αποτελέσματά του μέτρησε μικρότερο κλάσμα όγκου υπολειπόμενου ωστενίτη με την λάμπα του Cu [160]. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιείται μονοχρωματικός detector Ni ο οποίος μειώνει την επίδραση του φθορισμού της λάμπας Cu-Kα στον χάλυβα. Η χρησιμοποίηση της τεχνικής έγινε για δύο λόγους. Αρχικά για να γίνει μια πρώτη ανίχνευση των διαφορετικών φάσεων που εμπεριέχονται μέσα στο πολυφασικό υλικό μας και δεύτερον για να εξαχθούν κάποια αποτελέσματα σχετικά με το κλάσμα όγκου του υπολειπόμενου ωστενίτη μιας και η περίθλαση των ακτινών Χ είναι η πιο διαδεδομένη μέθοδος υπολογισμού του υπολειπόμενου ωστενίτη [145,152,153,154,160]. Για τον υπολογισμό του κλάσματος όγκου του ωστενίτη χρησιμοποιήθηκε η γνωστή από τη βιβλιογραφία direct comparison method [152]. Το πλεονέκτημα της μεθόδου είναι ότι εφαρμόζεται απευθείας στα πολυκρυσταλλικά υλικά χωρίς να απαιτείται δοκίμιο αναφοράς που να περιέχει τέλειο ωστενίτη ή καθορισμένο ποσοστό ωστενίτη κάτι που άλλωστε είναι αρκετά δύσκολο αφού θα πρέπει να εξεταστεί ωστενίτης με την ίδια χημική σύσταση με το εξεταζόμενο υλικό. Με αυτή τη μέθοδο το κλάσμα όγκου υπολογίζεται με γραμμή αναφοράς την άλλη φάση στο δείγμα [152]. Από την ανακάλυψη της μεθόδου από τους Averbach και Cohen μέχρι σήμερα έχει βρει ευρεία εφαρμογή στη μέτρηση του κλάσματος όγκου του ωστενίτη στους χάλυβες αν και θεωρείται μια αρκετά γενική μέθοδος [152]. Σύμφωνα λοιπόν με την μέθοδο αυτή δεχόμαστε την παραδοχή ότι μόνο οι φάσεις του φερρίτη και του ωστενίτη εμφανίζονται στο υλικό μας. Χρησιμοποιώντας λοιπόν την λόγο των φάσεων c α /c γ μπορούμε να εξάγουμε αποτέλεσμα για το απόλυτο ποσοστό των δύο φάσεων στο υλικό αφού c α +c γ =1. Η παραδοχή αύτη γίνεται 82

90 αποδεκτή διότι καρβίδια στους χάλυβες TRIP εμφανίζονται σε αμελητέα ποσοστά και επομένως η παρουσία τους δεν θα επηρεάσει τις μετρήσεις. Για τον υπολογισμό του κλάσματος όγκου του υπολειπόμενου ωστενίτη V γ χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος που προτείνεται από τον De Meyer [18] σχέση (1.1). (5.1) Όπου V γ το κλάσμα όγκου του υπολειπόμενου ωστενίτη, Ι α το ολοκλήρωμα της έντασης (integrated intensity) της περιοχής που καλύπτει η κορυφή 211 α του φερρίτη και Ι γ το μέσο ολοκλήρωμα (εμβαδό κάτω από την κορυφή) των περιοχών που καλύπτουν οι κορυφές 220 γ και 311 γ του ωστενίτη [154]. Είναι σημαντικό να μετρηθούν τα ολοκληρώματα και όχι η μέγιστη τιμή της έντασης. Κι αυτό γιατί μπορούν να προκληθούν μεγάλες αποκλίσεις στο σχήμα της κορυφής εξαιτίας των μικροτάσεων και του μεγέθους του κόκκου. Αυτές οι αποκλίσεις δεν επηρεάζουν τις τιμές των ολοκληρωμάτων, ενώ αντιθέτως επηρεάζουν το μέγιστο της κορυφής της έντασης σε σημείο που οι μετρήσεις να θεωρούνται αναξιόπιστες [152]. Με τον όρο integrated intensities εννοούμε τις τιμές ολόκληρων των επιφανειών που βρίσκονται κάτω από τις κορυφές πλην τον θόρυβο (background) σύμφωνα με την ASTM [153]. Για τον υπολογισμό του C στον υπολειπόμενο ωστενίτη, η παράμετρος πλέγματος α 0 μετρήθηκε από την κορυφή (220) του ωστενίτη χρησιμοποιώντας τη σχέση (1.2) [162]. α 0 (Å) = wt%C [162] (5.2) Οι παραπάνω σχέσεις ισχύουν για δοκίμια που παρουσιάζουν τυχαίο ή ασθενή ιστό. Με αποτέλεσμα να μην είναι τόσο ακριβής όταν στα δοκίμια εμφανίζεται ισχυρός κρυσταλλογραφικός ιστός. Για να αποφευχθεί το πρόβλημα αυτό πολύ ερευνητές χρησιμοποιούν συνδυασμό των κορυφών [160,28] του φερρίτη και του ωστενίτη και εξάγουν τον μέσο όρο των αποτελεσμάτων. Στην έρευνά μας δοκιμάσαμε και τους 83

91 δύο τρόπους ώστε να καλύψουμε όλες τις παραμέτρους και συγκρίναμε τα αποτελέσματα. Οι κορυφές που προέκυψαν από τις μετρήσεις δεν μπόρεσαν να μας βοηθήσουν στην ανάλυση του αποτελέσματος. Βέβαια σύμφωνα και με μελέτες [154],[155] σε χάλυβες TRIP όταν ο φερρίτης και μπαινίτης αποκτούν ασθενή ιστό τότε ο υπολειπόμενος ωστενίτης προσανατολίζεται σε πολύ μεγαλύτερο βαθμό στη διεύθυνση της έλασης. Το συμπέρασμα αυτό επιβεβαιώθηκε και στη συγκεκριμένη μελέτη και από τις μετρήσεις από το EBSD. Επομένως η ύπαρξη μικροϊστού ίσως να επηρεάζει σημαντικά το κλάσμα όγκου του ωστενίτη. Από τα παραπάνω καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι η τεχνική XRD δεν αποτελεί την πιο αξιόπιστη τεχνική στη μέτρηση του κλάσματος όγκου του ωστενίτη σε υλικά που έχουν υποστεί ψυχρή έλαση ή σε υλικά που εμφανίζουν συγκεκριμένο κρυσταλλογραφικό ιστό ή ακόμα και σε υλικά που έχουν υποστεί μηχανικές δοκιμές όπως π.χ. εφελκυσμό. Παρόλα αυτά αποτελεί μια τεχνική που μπορεί αναγνωρίσει την ύπαρξη του ωστενίτη, αρκεί το μέγεθος κόκκου να είναι πάνω από 100nm και το κλάσμα όγκου να είναι σημαντικό Οπτική μικροσκοπία (LOM) Όλα τα δοκίμια έπειτα από μεταλλογραφική προετοιμασία και προσβολή των επιφανειών με διάφορα διαλύματα εξετάστηκαν σε οπτικό μικροσκόπιο τύπου Olympus BX41M σε μια προσπάθεια αποκάλυψης της μικροδομής και μέτρησης του ποσοστού των διαφόρων φάσεων που εμφανίζονται με έμφαση σε αυτή του ωστενίτη. H μεταλλογραφική προετοιμασία περιελάμβανε λείανση και στίλβωση μέχρι 1μm. Διάφορες τεχνικές και αντιδραστήρια έχουν αναπτυχθεί και αναφέρονται στην βιβλιογραφία που σαν σκοπό είχαν τον διαχωρισμό όσο το δυνατόν ευκρινέστερα των διαφορετικών φάσεων που εμπεριέχονται σε ένα πολυφασικό χάλυβα [142,143,144,145]. Στη μελέτη μας αρχικώς η προσβολή έγινε με το πιο κοινά διαδεδομένο αντιδραστήριο που χρησιμοποιείται στους χάλυβες το 2% Nital. Η πρσοβολή με Nital δεν κατάφερε να μας δώσει ικανοποιητικά αποτελέσματα διότι το χημικό αντιδραστήριο αυτό αποκαλύπτει τους φερριτικούς κόκκους καθώς και τα όρια των κόκκων δημιουργώντας ανάγλυφο στην επιφάνεια του δοκιμίου. Δεν αποκαλύπτει των ωστενίτη κάτι πολύ βασικό για την έρευνά μας. Γι αυτό το 84

92 λόγο καταφύγαμε σε μια πιο εξελιγμένη τεχνική (προτιμητέα προσβολή των φάσεων με χρωματική αντίθεση-colour, tint etchant) [142,143,144,146,147,148,149]. Από τη βιβλιογραφία επιλέχθηκαν δύο τεχνικές για να εξεταστούν τα δοκίμια : 1) Τεχνική Le Pera 2) Τεχνική Μετασουλφιδίου του Νατρίου (Sodium metabisulfite) Οι δύο αυτές τεχνικές δεν προσβάλουν ακριβώς την επιφάνεια με την κυριολεκτική σημασία της λέξης δηλαδή με τη δημιουργία ανάγλυφου όπως για παράδειγμα κάνει το Nital ή άλλα αντιδραστήρια που περιέχουν οξέα, αλλά ενεργεί δημιουργώντας ένα λεπτό επιφανειακό στρώμα το οποίο χρωματίζει με διαφορετικές αποχρώσεις τις υπάρχουσες φάσεις [144]. Η παρουσία των ιόντων του μετασουλφιδίου (S 2 O 2-5 ) είναι αυτή, που ενεργοποιεί τα συστατικά κατά την προσβολή [144]. Στον πίνακα 5-4 που ακολουθεί παρουσιάζονται αναλυτικά οι τεχνικές που επιλέχθηκαν. Πίνακας 5-4: Τεχνικές προτιμητέας προσβολής φάσεων με χρωματική αντίθεση (colour etching) Τεχνική Αντιδραστήριο Εμφάνιση φάσεων Αναφορές Le Pera Διάλυμα 1 ο (50ml): 2% Na 2 S 2 O 5 σε νερό Διάλυμα 2 ο (50ml): 4% πικρικό οξύ σε αιθυλική αλκοόλη Φερίτης: καφέ Μπαινίτης: μαύρος Μαρτενσίτης: λευκός 142, 143 Αρχικώς προσβολή με Φερίτης: κίτρινο ή καφέ 144, 146, Sodium 2% Nital Μπαινίτης: μαύρο 147, Metabislulfite και μετά προσβολή με Ωστενίτης: λευκός 148, % Na 2 S 2 O 5 Λόγο του σχηματισμού του λεπτού αυτού στρώματος η προσβολή πρέπει να πραγματοποιείται με συγκεκριμένο τρόπο και αρκετά προσεκτικά ώστε να επιτευχθεί το τελικό αποτέλεσμα. Έτσι το δοκίμιο δεν πρέπει να μετακινείται κατά την διάρκεια της προσβολής όπως επίσης μετά την έξοδο του από το διάλυμα ο καθαρισμός πρέπει να γίνεται με βύθιση του δοκιμίου σε κύπελο με απιονισμένο νερό και όχι με ξέπλυμα σε τρεχούμενο νερό το οποίο ενδέχεται να καταστρέψει το λεπτό αυτό στρώμα. 85

93 Από τις δύο τεχνικές που δοκιμάσθηκαν πιο αποτελεσματική αποδείχθηκε η προσβολή με Na 2 S 2 O 5 ιδιαιτέρως εάν έχει προηγηθεί προσβολή με Nital για 5-8sec. Στην προσβολή με Le Pera παρατηρήθηκε ότι η προσβολή δεν ήταν ομοιόμορφη σε όλη την επιφάνεια του δοκιμίου αλλά τοπικά εμφανίσθηκαν περιοχές με πολύ καλή ποιότητα ενώ σε άλλες η προσβολή ήταν μερική. Επίσης η συγκεκριμένη τεχνική θέλει ιδιαίτερη προσοχή κατά το χειρισμό της διότι το λεπτό στρώμα που δημιουργήθηκε ήταν ιδιαιτέρως ευαίσθητα και κάθε επαφή μπορούσε να το αλλοιώσει. Ωστόσο, η τεχνική αυτή έδωσε πολύ καλό αποτέλεσμα στο διαχωρισμό φερρίτη-μπαινίτη. Για να ξεπεραστούν τα παραπάνω προβλήματα επιλέχθηκε η χρησιμοποίηση του διαλύματος Na 2 S 2 O 5 το οποίο αποδείχθηκε πιο αποτελεσματικό σε όλους τους τύπους των δοκιμίων ανεξαρτήτως του ποσοστού του μπαινίτη ή ωστενίτη. Στο σημείο αυτό πρέπει να αναφέρουμε και το γεγονός ότι οι διάρκεια παραμονής των δοκιμίων στο διάλυμα εξαρτόταν και από το ποσοστό των φάσεων που εμφανίζονταν στην μικροδομή. Γενικά, η προσβολή με 10% Na 2 S 2 O 5 αποτελεί τη βέλτιστη επιλογή για την αποκάλυψη των μικροδομών των υλικών αυτού του τύπου. Για περαιτέρω μελέτη τόσο ο Bramfit [144] όσο και ο De [149] παρουσιάζουν μια συνοπτική ανασκόπηση των τεχνικών προσβολής των φάσεων με χρωματική αντίθεση των πολυφασικών χαλύβων Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM) Η εξέταση των δοκιμίων πραγματοποιήθηκε σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο τύπου JEOL JSM 6380-LV της Σχολής Μηχανικών Μεταλλείων-Μεταλλουργών. Τα δοκίμια πριν εξεταστούν λειάνθηκαν και στιλβώθηκαν μέχρι 1μm. ενώ για αποκάλυψη της δομής πραγματοποιήθηκε προσβολή με διάλυμα 2% Nital. Από την παρατήρηση προέκυψε ότι η προσβολή με Nital δεν αποκαλύπτει πλήρως τις υπάρχουσες φάσεις. Συγκεκριμένα με το εν λόγω αντιδραστήριο δημιουργείται ανάγλυφο καθώς οι ωστενίτης, μπαινίτης και μαρτενσίτης δεν προσβάλλονται ενώ ο φερρίτης υποχωρεί υψομετρικά. Οι μετρήσεις του κλάσματος όγκου των φάσεων έγινε χρησιμοποιώντας την μέθοδο των 100 σημείων (100 grid-point counting method) που προτείνεται από την ASTM standard E562 [169]. 86

94 5.3.4 Τεχνική περίθλασης οπισθοσκεδαζόμενων ηλεκτρονίων (EBSD) Τα δοκίμια που χρησιμοποιήθηκαν για την εξέταση στο EBSD λειάνθηκαν, στιλβώθηκαν ακολουθώντας την κλασική διαδικασία και στο τελικό στάδιο της στίλβωσης χρησιμοποιήθηκε διάλυμα κολλοειδούς πυριτίας (0.06μm). Ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στο να μη ασκηθεί ιδιαίτερη πίεση στο δοκίμιο ώστε να μην έχουμε πιθανό μετασχηματισμό ποσοστού υπολειπόμενου ωστενίτη σε μαρτενσίτη. Για το λόγο αυτό η λείανση ξεκίνησε από 400 grid. Για αποκάλυψη της δομής πραγματοποιήθηκε αρχικώς χημική προσβολή με διάλυμα Nital (2%). Η προσβολή με Nital είχε σαν αποτέλεσμα την δημιουργία αναγλύφου στην επιφάνεια του δοκιμίου κάτι που επηρεάζει την ποιότητα του ανιχνεύσιμου φάσματος (pattern) δίνοντας λανθασμένα αποτελέσματα [29]. Για το λόγο αυτό τα εξεταζόμενα δοκίμια δεν προσβάλλονταν χημικώς αλλά μετά από τη στίλβωση οδηγούνταν κατευθείαν για παρατήρηση. Άλλωστε μετά το τελικό στάδιο της στίλβωσης παρατηρήθηκε μια ελαφριά προσβολή της επιφανείας κάτι που έχει επισημανθεί και από άλλους συγγραφείς [151]. Ωστόσο, έγιναν και μετρήσεις σε δοκίμια που προηγουμένως είχαν προσβληθεί ώστε να γίνει η σύγκριση με την εικόνα του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου. Η παρατήρηση πραγματοποιήθηκε στην επιφάνεια LT2 (Εικόνα 5-4) αναφορικά με τη διεύθυνση της έλασης, περίπου στο μέσο της επιφάνειας παρατήρησης του δοκιμίου. Η επιλογή της συγκεκριμένης επιφανείας έγινε διότι λόγο του λεπτού πάχους του ελάσματος δεν ήταν δυνατή η παρατήρηση στην επάνω επιφάνεια επειδή κατά την διαδικασία της λείανσης είχαμε απώλεια υλικού και εκλέπτυνση του δοκιμίου κάτι που θα σήμαινε μη αντιπροσωπευτική εικόνα της δομής. Επίσης πρέπει να αναφερθεί ότι το δοκίμιο πριν εξεταστεί με την Τεχνική EBSD κόπηκε στη μέση παράλληλα προς τη διεύθυνση της έλασης και η παρατήρηση πραγματοποιήθηκε στην εσωτερική επιφάνεια του δοκιμίου ώστε να αποφευχθεί ο κίνδυνος παρατήρησης σημείου στα άκρα που ίσως να είχε υποστεί απανθράκωση κατά τη διάρκεια της μπαινιτικής βαφής. Η τεχνική EBSD (Electron Backscatter Diffraction) ή ACOM (Automatic Crystal Orientation Mapping) ή OIM (Orientation Imaging Microscopy) που εφαρμόζεται στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM), έχει αναπτυχθεί την τελευταία δεκαετία και έχει βρει ευρεία εφαρμογή στην χαρακτηρισμό της μικροδομής των πολυφασικών χαλύβων καθώς και στην αποτίμηση του τοπικού 87

95 κρυσταλλογραφικού ιστού (texture) του υλικού. Έχει τη δυνατότητα διάκρισης ακόμη και κρυσταλλογραφικά ομοίων φάσεων όπως για παράδειγμα του φερρίτη και του μπαινίτη, βασιζόμενη στην ερμηνεία των διαγραμμάτων ποιότητας μικρογραφιών (Image Quality-IQ) καθώς και με τα διαγράμματα αντίθεσης σε ζώνες Kikuchi (Kikuchi Band Contrast) όπως αναφέρουν και στην μελέτη τους οι De Meyer et al. [150] και Roumen Petrov et al. [151]. Ωστόσο μπορεί να διαχωρίσει μόνο κρυσταλλικές δομές με σαφείς διαφορετικές γωνίες αναντιστοιχίας μεταξύ των κρυσταλλογραφικών επιπέδων, για παράδειγμα φάσεις του κυβικού συστήματος που διαφέρουν μόνο ως προς τις πλεγματικές σταθερές δυσκολεύεται να τις διαχωρίσει. Ωστόσο, ο χάρτης απεικόνισης που προκύπτει μπορεί να δώσει επιπρόσθετες πληροφορίες για την μικροδομή όπως για την τοπογραφία της εξεταζόμενης επιφάνειας, την εμφάνιση μικροϊστού καθώς και τoν αποκλείνοντα προσανατολισμό (misorientation) μεταξύ των κόκκων. Σε αυτό το σημείο θα ήταν χρήσιμο να αναφερθούμε σε τρία χαρακτηριστικά μεγέθη της τεχνικής από τα οποία αντλούνται πολλές πληροφορίες. Δείκτης Εμπιστοσύνης - Confidence Index (CI) : ποσοτικοποιεί την αξιοπιστία των ανιχνεύσιμων φασμάτων (pattern) [151]. Δίνει χρήσιμες πληροφορίες ειδικά στην περίπτωση επικαλυπτόμενων (overlapping) φασμάτων (patterns) και στην περίπτωση της ανίχνευσης φάσεων με πολύ κοντινές κρυσταλλογραφικές δομές [30]. Ποιότητα Εικόνας-Μικρογραφίας - Image Quality (IQ) : σχετίζεται με την ποιότητα των ανιχνεύσιμων ζωνών (bands) στο φάσμα (pattern) του EBSD και μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο διαχωρισμό μιας περιοχής τέλειου πλέγματος από μια περιοχή ενός πλέγματος με ατέλειες [30]. Μέση απόκλιση προσανατολισμού Average Misorientation: η τιμή αυτή μας δίνει τη μέση γωνιακή απόκλιση των μεταξύ γειτονικών μετρούμενων σημείων μέσα σε ένα κόκκο, σε σχέση με ένα σημείο αναφοράς που βρίσκεται συνήθως στον πυρήνα περίπου του κόκκου. Επίσης είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη στη μεταβολή της πυκνότητας ατελειών του πλέγματος σε διαφορετικούς κόκκους [30]. 88

96 Οι παραπάνω δείκτες χρησιμοποιούνται κατά κόρον από τους ερευνητές για τον διαχωρισμό των μικρογραφικών συστατικών σε πολυφασικά υλικά. Στην παρούσα μελέτη οι δείκτες αυτοί χρησιμοποιήθηκαν κυρίως για τον διαχωρισμό του φερρίτη από τον μπαινίτη. Ωστόσο, η τεχνική παρά τα σημαντικότατα αποτελέσματα που μπορεί να μας δώσει εμφανίζει και τρείς βασικούς περιορισμούς. Πρώτον η ανάλυση (spatial resolution) δεν μπορεί να υπερβεί τα 50nm, με αποτέλεσμα μικροί κόκκοι ή κατακρημνίσματα (όπως για παράδειγμα λεπτά καρβίδια) δεν μπορούν να ανιχνευθούν. Δεύτερον, η γωνιακή απόκλιση μεταξύ 1-2 είναι αρκετά μικρή ώστε να δοθούν πληροφορίες σχετικά με τον μετασχηματισμό των φάσεων και τρίτον οι διαταραχές δεν μπορούν ή καλύτερα μπορούν εμμέσως να παρατηρηθούν (από την παρουσία αλλαγών στον προσανατολισμό). Όλοι οι παραπάνω περιορισμοί μπορούν να ξεπεραστούν με την χρήση ΤΕΜ [30]. Η μικροδομή ενός χάλυβα TRIP αποτελείται από φερρίτη, ωστενίτη, μπαινίτη και μαρτενσίτη. Ο φερρίτης εμφανίζει χωροκεντρωμένη κυβική κρυσταλλική δομή (bcc). Επιπλέον ο φερρίτης μπορεί να διαχωριστεί σε ενδοκρίσιμο φερρίτη που προϋπάρχει πριν την θερμική κατεργασία και προευτηκτοειδή φερρίτη ο οποίος δημιουργείται κατά τη διάρκεια της θερμικής κατεργασίας. Ο ωστενίτης εμφανίζει κυβική εδροκεντρωμένη κρυσταλλική δομή (fcc) και επομένως διαχωρίζεται εύκολα από τον φερρίτη. Ο μπαινίτης είναι ένα μικρογραφικό συστατικό που αποτελείται στο υλικό μας από φερρίτη και ωστενίτη. Τέλος ο μαρτενσίτης κρυσταλλώνεται στο χωροκεντρωμένο τετραγωνικό σύστημα που διαφέρει ως προς το bcc του φερρίτη μόνο ως προς μια σταθερά πλέγματος κάτι που κάνει αρκετά δύσκολο τον διαχωρισμό του. Στην συνέχεια θα αναφερθούμε επιμέρους στον προσδιορισμό του κάθε μικρογραφικού συστατικού και την μεθοδολογία που ακολουθήθηκε σε σχέση πάντα με την τεχνική EBSD Προσδιορισμός ωστενίτη Ο προσδιορισμός του ωστενίτη χρησιμοποιώντας την τεχνική EBSD αποτελεί μια λεπτομερής και αξιόπιστη μέθοδο εμφανίζοντας όμως το μειονέκτημα ότι εφαρμόζεται σε μια πολύ μικρή τοπική κλίμακα χωρίς αυτό να επιτρέπει την εξαγωγή κάποιου ασφαλούς συμπεράσματος σχετικά με τον προσδιορισμό του 89

97 κλάσματος όγκου της φάσεως στο σύνολο του υλικού. Για να γίνει αυτό θα πρέπει να γίνουν μετρήσεις και σε άλλα μέρη της επιφάνειας του δοκιμίου ώστε να μπορούμε με ακρίβεια να υποστηρίξουμε το συγκεκριμένο αποτέλεσμα. Κάτι τέτοιο βέβαια αποτελεί ιδιαίτερο πρόβλημα αφού τόσο η προετοιμασία του δοκιμίου όσο και η παρατήρηση αποτελούν ιδιαιτέρως χρονοβόρες αλλά και κοστοβόρες διεργασίες. Ωστόσο για τους χάλυβες TRIP ο διαχωρισμός του ωστενίτη από τον φερρίτη γίνεται με ιδιαίτερη ευκολία αφού παρουσιάζουν διαφορές στις κρυσταλλικές τους δομές. Όμως, η μικρή ακρίβεια της μεθόδου (περιορισμένη ανάλυση σε σχέση με το ΤΕΜ) δεν δίνει τη δυνατότητα ανίχνευσης πολύ μικρών νησιδίων ωστενίτη (ανάμεσα στα πλακίδια του μπαινίτη-inter lath austenite) και πολύ μικρών ζωνών μπαινίτη τα οποία θα έπρεπε να λάβουμε υπόψη στην τελική εκτίμηση του κλάσματος όγκου. Παρόμοια παρατήρηση έκανε και ο Petrov [151]. Για πιο αντιπροσωπευτική μέτρηση προτείνεται η επιλογή μικρού βήματος σάρωσης Προσδιορισμός Μπαινίτη (διαχωρισμός από φερρίτη) Για τον προσδιορισμό του κλάσματος όγκου του μπαινίτη έχουν αναπτυχθεί αρκετές τεχνικές από τις διάφορες ερευνητικές ομάδες με κυριότερες δύο που αναπτύχθηκαν από τους Roumen Petrov [151] και S.Zaefferer [29]. Σύμφωνα λοιπόν με την τεχνική του Petrov για τον διαχωρισμό του μπαινίτη από τον φερρίτη χρησιμοποιήθηκαν οι δείκτες ΙQ και CI. Οι δύο αυτοί δείκτες είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη στην παραμόρφωση (distortion) του πλέγματος. Η πυκνότητα των διαταραχών στο μπαινίτη εμφανίζεται υψηλότερη απ ότι στο φερρίτη και αυτή η διαφορά είναι μεγαλύτερη όταν η θερμοκρασία μπαινιτικού μετασχηματισμού είναι μικρότερη. Χαρακτηριστικά ο Bhadeshia [43] αναφέρει ότι ο αλλοτριόμορφος βελονοειδής φερρίτης (allotriomorthic acicular ferrite) εμφανίζει μια πυκνότητα διαταραχών της τάξης των 0.37 x m -2 όταν ο μπαινίτης που έχει σχηματιστεί στους 650, 400 και 300 C εμφανίζει πυκνότητα διαταραχών 1.7 x 10 14, 4.1 x και 6.3 x m -2 αντίστοιχα. Δηλαδή ο μπαινίτης περιέχει περισσότερες διαταραχές από τον αλλοτριόμορφο φερρίτη ακόμη και αν έχουν σχηματιστεί σε παρόμοια θερμοκρασία [43]. Αυτή η παρατήρηση βοηθά στον διαχωρισμό των δύο φάσεων μιας και η αυξημένη 90

98 πυκνότητα των διαταραχών που συναντάμε στις περιοχές του μπαινίτη αντιστοιχεί σε χαμηλές τιμές των δεικτών IQ ή/και CI σε σχέση βέβαια με τις περιοχές του φερρίτη. Σύμφωνα λοιπόν με τον Petrov, ο οποίος εξέτασε χάλυβες παρόμοιας χημικής συστάσεως με τους δικούς μας, θεώρησε ότι όλα τα εικονοστοιχεία (pixel) με IQ μεταξύ και με CI μεταξύ 0.05 και 0.3 ανήκουν στον μπαινίτη. Για τον καθορισμό των τιμών αυτών ο Petrov χρησιμοποίησε το διάγραμμα IQ που απεικονίζει την αριθμό των ανιχνεύσιμων εικονοστοιχείων (pixel) σε σχέση με τον δείκτη IQ. Από το διάγραμμα αυτό διαχώρισε οπτικά δύο κορυφές και έδωσε τα παραπάνω ανώτερες και κατώτερες τιμές στα όρια διαχωρισμού της μπαινιτικής φάσεως. Πριν από αυτό εντόπισε τις τιμές IQ και CI με την βοήθεια ενός χάρτη που συνδύαζε την παράμετρο ΙQ με την χρωματική απεικόνιση των φάσεων. Από αυτό το χάρτη και ελέγχοντας μια γραμμή που διαπερνούσε κόκκους φερρίτη, μπαινίτη και ωστενίτη απεικόνισε την κατανομή της παραμέτρου IQ και του δείκτη CI περνώντας από τους κόκκους αυτούς. Έτσι καθόρισε αρχικώς τις τιμές και έπειτα τις εντόπισε και στο διάγραμμα. Με βάση αυτές τις τιμές προχωρήσαμε και εμείς στον προσδιορισμό του μπαινίτη και το εφαρμόσαμε σε όλα τα δοκίμια που εξετάστηκαν. Ο καθορισμός της οριακής αυτής τιμής δεν είναι ιδιαιτέρως εύκολη διαδικασία διότι όπως παρατήρησαν και οι Zaefferer και Βleck [30] δεν μπορούμε με ακρίβεια να καθορίσουμε την οριακή τιμή (threshold values) των δύο δεικτών (CI, IQ) για τον διαχωρισμό τους διότι οι τιμές αυτές εξαρτώνται από τοπικά μεταβαλλόμενους παράγοντες όπως η προετοιμασία του δοκιμίου, μόλυνση της επιφάνειας, κλίση της επιφάνειας που έχει δημιουργηθεί κατά την προετοιμασία ή ακόμα και συνθήκες εστίασης Προσδιορισμός μαρτενσίτη Σε όλες τις μελέτες που αναφέρονται στους χάλυβες TRIP, οι ερευνητές αναφέρουν ότι στην αρχική μικροδομή εμπεριέχεται σε μικρό ποσοστό η φάση του μαρτενσίτη που δημιουργείται στο τελικό στάδιο της βαφής [30], [29], [43], [8], [158]. Παρόλα αυτά στις μελέτες του υλικού με την τεχνική EBSD δεν έχει προσδιοριστεί από κανέναν το συγκεκριμένο μικρογραφικό συστατικό. 91

99 Μόνο ο Zaefferer [30] αναφέρει στη μελέτη του ότι οι περιοχές που ανιχνεύθηκαν με πολύ χαμηλή ποιότητα φάσματος (pattern quality) και μερικές φορές ανιχνεύονται και σαν πλέγμα (bcc) αντιστοιχούν στον μαρτενσίτη. Επίσης στο εγχειρίδιο οδηγιών της Oxford Instruments [159] προτείνεται οι χαμηλές τιμές σε έναν χάρτη κλίσης ζωνών (band slope) να θεωρηθούν ότι ανήκουν στον μαρτενσίτη. Στη δική μας μελέτη χρησιμοποιώντας τη δυνατότητα του οργάνου να δημιουργήσεις δική σου φάση [159] την οποία μπορεί το όργανο να ανιχνεύσει στην συνέχεια δημιουργήσαμε τη φάση του μαρτενσίτη και την εφαρμόσαμε στον υπό εξέταση χάλυβα. Για την δημιουργία της φάσεως ενεργήσαμε όπως ακριβώς αναφέρει η μεθοδολογία στο εγχειρίδιο λειτουργίας ρυθμίζοντας όλες τις απαραίτητες παραμέτρους. Για να επιβεβαιώσουμε την ανίχνευση του μαρτενσίτη εξετάσαμε δοκίμιο της κατηγορίας DP ο οποίος ως διφασικός χάλυβας περιέχει μαρτενσίτη σε αρκετά μεγάλο ποσοστό, κοντινής χημικής συστάσεως με τη δική μας και τα αποτελέσματα ήταν ιδιαιτέρως ικανοποιητικά. Για επιπλέον επιβεβαίωση της ανίχνευσης ακολουθήθηκε και ένας επιπλέον τρόπος παραγωγής μαρτενσίτη από το ίδιο το υλικό μας. Σύμφωνα με αυτόν παρακάμφθηκε το στάδιο της ισοθερμοκρασιακής μπαινιτικής βαφής και τα δοκίμια αμέσως μετά την ενδοκρίσιμη ανόπτηση βάφτηκαν σε νερό θερμοκρασίας δωματίου με το σκεπτικό όλο το κλάσμα όγκου του ενδοκρίσιμου ωστενίτη ή έστω το μεγαλύτερο ποσοστό να μετατραπεί σε μαρτενσίτη τον οποίο στη συνέχεια θα ανιχνεύσουμε. Ο παραγόμενος μαρτενσίτης είναι ίδιος με τον μαρτενσίτη που προήλθε μετά την μπαινιτική βαφή αφού ο τρόπος δημιουργίας τους είναι σχεδόν ίδιος. Στο επόμενο κεφάλαιο θα αναφερθούμε στα αποτελέσματα που προέκυψαν. Η επιβεβαίωση αυτή αποτελεί απόδειξη της αναγνώρισης της μαρτενσιτικής φάσεως στην αρχική δομή του χάλυβα TRIP κάτι που αποτελεί πρωτοτυπία της συγκεκριμένης διατριβής και έχει παρουσιασθεί στο Συνέδριο EUROMAT 2009 που πραγματοποιήθηκε στην Γλασκώβη της Σκωτίας. Τέλος μια επιπλέον επιβεβαίωση θα αποτελούσε και η παρατήρηση μαρτενσίτη σε δοκίμιο το οποίο μετά από πλαστική παραμόρφωση ή εφελκυσμό θα είχαμε πλήρη μετατροπή του ωστενίτη σε μαρτενσίτη. 92

100 5.4 Μηχανικές Ιδιότητες Σκληρομέτρηση Για την μέτρηση της σκληρότητας χρησιμοποιήθηκε σκληρόμετρο τύπου Vickers. Τα φορτία που χρησιμοποιήθηκαν εξαρτόταν από το μέγεθος του ίχνους που δημιούργησε η πυραμίδα στο υλικό και ήταν 196N για τον TRIP800. Τα δοκίμια που χρησιμοποιήθηκαν ήταν εκείνα που είχαν χρησιμοποιηθεί για την εξέταση στη συσκευή περίθλασης ακτινών Χ, δηλαδή ήταν δοκίμια εγκυβωτισμένα σε ρητίνη τα οποία είχαν λειανθεί μέχρι χαρτί 2000grid ενώ οι επιφάνειες ήταν παράλληλες. Στο κάθε δοκίμιο πραγματοποιήθηκαν δώδεκα (12) μετρήσεις και υπολογίστηκε ο μέσος όρος καθώς και το σχετικό σφάλμα. Παρατηρήθηκε διαφοροποίηση στις τιμές της σκληρότητας στα άκρα (μικρότερη τιμή) από το κέντρο και για αυτό επιλέχθηκε να γίνονται τέσσερις (4) μετρήσεις στα άκρα (δύο στο ένα άκρο και δύο στο άλλο) ενώ οι υπόλοιπες οκτώ (8) πραγματοποιήθηκαν στο κέντρο του δοκιμίου. Ο λόγος που συνέβη αυτό ήταν διότι εξαιτίας των θερμικών κατεργασιών τα δοκίμια ίσως να είχαν υποστεί απανθράκωση και επομένως να αλλοιώθηκαν οι τιμές του. Από τις μετρήσεις της σκληρότητας προέκυψαν τα διαγράμματα σκληρότητας Εφελκυσμός Αρχικώς, επιθυμία τόσο του συγγραφέα όσο και του επιβλέποντα καθηγητή του ήταν να πραγματοποιηθούν δοκιμές εφελκυσμού για την μέτρηση των μηχανικών ιδιοτήτων των υλικών. Όμως λόγο έλλειψης υλικού αλλά και άλλων τεχνικών προβλημάτων δεν καταφέραμε να πραγματοποιηθούν οι εν λόγω μετρήσεις. Για το λόγο αυτό επιλέχθηκε να προβλεφθεί τόσο το όριο θραύσης (ultimate strength) όσο και το όριο διαρροής (yield strength) μέσω μαθηματικών σχέσεων που προτείνονται από την βιβλιογραφία και συσχετίζουν την τιμή της σκληρότητας με τις τιμές των παραπάνω ορίων. Επομένως, για την μέτρηση του ορίου θραύσης επιλέχθηκε η σχέση του Gasko [163] ο οποίος μελέτησε τη σχέση μεταξύ της σκληρότητας και των τιμών των μηχανικών ιδιοτήτων όπως του ορίου διαρροής, του ορίου θραύσης, του λόγου ορίου διαρροής με θραύσης, καθώς και του συντελεστή ενδοτραχύνσεως (strain hardening exponent) με τη σκληρότητα Vickers σε διπλοφασικούς (Dual Phase) χάλυβες υψηλής αντοχής. Από τις παραπάνω σχέσεις κατέληξε ότι μόνο για το όριο θραύσης 93

101 μπορεί να προκύψει μια ασφαλής μαθηματική σχέση πρόβλεψης με ακρίβεια γύρω στο ±10% [163]. Στην εικόνα 5-5 εμφανίζεται το όριο θραύσης σε σχέση με την σκληρότητα Vickers καθώς και η μαθηματική σχέση αυτή που την περιγράφει: Εικόνα 5-5: Όριο θραύσης σε συνάρτηση με την σκληρότητα Vickers [163] UTS = F(HV) y = 2.77x (5.3) Για τις άλλες τιμές δεν κατάφερε να βγάλει ασφαλή συμπεράσματα. Ωστόσο, εάν παρατηρήσει κανείς τα αποτελέσματά του, συμπεραίνει ότι για τιμές μέχρι και 325 HV στη σχέση πρόβλεψης ορίου διαρροής με σκληρότητα η ευθεία που προτείνεται είναι η y = x Το παραπάνω φαίνεται στην εικόνα 5-6 που ακολουθεί. Εικόνα 5-6: Όριο διαρροής σε συνάρτηση με την σκληρότητα Vickers [163] 94

102 Συμπεριλαμβανομένου και του γεγονότος ότι οι τιμές σκληρότητας που μετρήθηκαν στα δοκίμιά μας δεν υπερβαίναν σε καμία περίπτωση τα 325HV καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι η παραπάνω σχέση μπορεί να προβλέψει με μια σχετική ακρίβεια το όριο διαρροής και των χαλύβων της κατηγορίας μας. Επομένως υπολογίστηκε το όριο διαρροής με βάσης τη σχέση: ΥS = F(HV) y = x (5.4) Για επιβεβαίωση των παραπάνω σχέσεων ώστε να μπορέσουν να χρησιμοποιηθούν με μια σχετική ασφάλεια, τις εφαρμόσαμε πάνω στα Αs Received υλικά από τα οποία γνωρίζαμε μέσω του κατασκευαστή τις τιμές των ορίων διαρροής και θραύσης, και επιβεβαιώσαμε ότι οι τιμές που προέκυψαν ήταν πολύ κοντά σε αυτές που δόθηκαν από τον κατασκευαστή. Συγκεκριμένα η τιμή του ορίου διαρροής ήταν 476MPa ενώ το όριο θραύσης 782MPa, ενώ οι τιμές που υπολογίστηκαν μέσω των σχέσεων ήταν 448.3MPa για το όριο διαρροής και 749.2MPa για το όριο θραύσης. Ωστόσο, η επιβεβαίωση των παραπάνω σχέσεων από αντίστοιχα πειράματα εφελκυσμού κρίνενται αναγκαία, ώστε να εξαχθεί μια πιο αντιπροσωπευτική σχέση πρόβλεψης των μηχανικών ιδιοτήτων, διότι η συμπεριφορά των χαλύβων TRIP διαφέρει αρκετά από τους DP. 5.5 Μαγνητικές Μετρήσεις Οι μαγνητικές μέθοδοι, όπως οι μετρήσεις της μαγνήτισης (magnetization measuraments) και οι θερμο-μαγνητικές αναλύσεις (thermo-magnetic) συχνά χρησιμοποιούνται στις μεταλλουργικές μελέτες [164]. Στους χάλυβες TRIP χρησιμοποιούνται για την ακριβή μέτρηση του κλάσματος όγκου του υπολειπόμενου ωστενίτη. Αυτό συμβαίνει διότι ο φερρίτης, ο μαρτενσίτης καθώς και ο σεμεντίτης είναι φερρομαγνητικά υλικά σε θερμοκρασίες κάτω της Curie (για καθαρό φερρίτη Τ C = 770 o C και για σεμεντίτη Τ C = 210 o C) ενώ ο ωστενίτης είναι παραμαγνητικός. Από την μέτρηση της διαφοράς στον μαγνητικό κορεσμό του δοκιμίου χωρίς ωστενίτη με το δοκίμιο που περιέχει ωστενίτη μπορούμε να μετρήσουμε ευθέως το κλάσμα όγκου του υπολειπόμενου ωστενίτη [166]. 95

103 Εικόνα 5-7.: Σχηματική αναπαράσταση της καμπύλης μαγνήτισης [167] Ο μαγνητικός κορεσμός (saturation magnetization) προκύπτει από την καμπύλη μαγνήτισης. Όπως φαίνεται και στην εικόνα 5.7 υπάρχει σχέση μεταξύ της μετρούμενης μαγνήτισης (Μ) και του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου (Η). Από την παρατήρηση της καμπύλης μπορεί κανείς να ξεχωρίσει τρία διαφορετικά τμήματα. Στο πρώτο τμήμα, που περιλαμβάνει τη γραμμή ab, η σχέση μεταξύ M και H είναι σχεδόν γραμμική. Σε αυτή την περιοχή, το μαγνητικό πεδίο μέσα στο δείγμα μειώνεται από τα διάσπαρτα πεδία (stray fields) του μαγνητισμένου δοκιμίου. Το δεύτερο τμήμα της καμπύλης, γραμμή bc στην εικόνα 5.7 είναι η περιοχή μετάβασης που χαρακτηρίζεται από μετακινήσεις τειχών (domain wall movements) και επαναπροσανατολισμό ( reorientation) των spins ακολουθώντας την κίνηση του κυρίως τείχου (domain wall movement). Τα χαρακτηριστικά της μετάβασης εξαρτόνται από τον υπάρχων προτιμητέο προσανατολισμό (preferred orientation). Η γραμμή cd, τελευταίο τμήμα, που αποτελεί την προσέγγιση της τιμής του μαγνητικού κορεσμού χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του κλάσματος όγκου του υπολειπόμενου ωστενίτη. Σε αυτή την περιοχή, μια μεγάλη αύξηση του Η απαιτείται για να δημιουργηθεί μια σχετικά μικρή αύξηση του Μ. Αυτή η συμπεριφορά συνδέεται με την επίδραση της μικροδομής, και εξαρτάται από την περιστροφή (rotation) και τον επαναπροσανατολισμό (reorientation) των spins. Η μαθηματική σχέση υπολογισμού [164] του κορεσμού (saturation) δίνεται παρακάτω: 96

104 Μ = Μ S (1 [164] (5.5) όπου Μ S ο μαγνητικός κορεσμός. Η σταθερά α (σε Α m -1 ) και η b ( σε A 2 m -2 ) θετικές σταθερές. Η σταθερά α προέρχεται από την επίδραση της μικροδομής, τα κενά, σημειακές ατέλειες ενώ η b από την ανισοτροπία του κρυστάλλου. Το κλάσμα όγκου του υπολειπόμενου ωστενίτη f γ υπολογίζεται από την σύγκριση των τιμών M s του δοκιμίου που περιέχει ωστενίτη Μ s (c) και του δοκιμίου που δεν έχει Μ s (f) [164] (5.6) όπου β = Μ s (f)/m a s ο λόγος μεταξύ μαγνητικού κορεσμού του δοκιμίου χωρίς ωστενίτη με αυτού του φερρίτη M a s. Ο συντελεστής β προκύπτει από τις a δημοσιευμένες τιμές του μαγνητικού κορεσμού για τον φερρίτη (Μ s = x 10 6 Am -1 θ για τον καθαρό σίδηρο [164] ) και για τον σεμεντίτη (Μ s = 0.99 x10 6 Am -1 )[35] και από την σχέση β = 1- f θ + f θ [Μ θ s /Μ α s ]. Στην περίπτωση των χαλύβων TRIP το κλάσμα όγκου του σεμεντίτη που κατακρημνίζεται είναι αμελητέο εξαιτίας της προσθήκης των κραματικών στοιχείων, με αποτέλεσμα ο συντελεστής β να ισούται πρακτικά με την μονάδα και επομένως η παραπάνω σχέση γίνεται: f γ = 1- Μ s (c)/ Μ s (f) [164] (5.7) Σαν δοκίμιο που δεν περιέχει καθόλου ωστενίτη θεωρήθηκε το δοκίμιο TRIP800 ARma. Τα δοκίμια που χρησιμοποιήθηκαν για την μέτρηση των μαγνητικών ιδιοτήτων ήταν της κατηγορίας ΤRΙΡ 800 και για να παραχθούν ακολουθήθηκε η εξής διαδικασία. Αρχικώς από λάμα διαστάσεων μήκους: 17cm. πλάτους: 4cm. και πάχους: 1.6cm. πήραμε δύο δοκίμια με μήκος 9cm. και 8.1cm. Το δοκίμιο των 9cm. εφελκύστηκε στην μηχανή εφελκυσμού τύπου INSTRON με δυναμική φόρτιση στη μέγιστη ταχύτητα με στόχο να μετατραπεί το μεγαλύτερο ποσοστό του υπολειπόμενου ωστενίτη σε μαρτενσίτη. Από το δοκίμιο αυτό πήραμε 97

105 δοκίμιο μικρότερων διαστάσεων (4mm x 4mm x 1.4mm), ώστε να μπορούν να γίνουν οι μετρήσεις. Το δοκίμιο κόπηκε από το σημείο του λαιμού του εφελκυσμένου δοκιμίου ώστε να ικανοποιείται η παραπάνω απαίτηση. Το δοκίμιο αυτό ονομάστηκε TRIP800 ARt(tensile) και πριν την μέτρηση λειάνθηκε ώστε να αφαιρεθούν τυχόν παραμαγνητικά οξείδια στην επιφάνεια. Το δεύτερο δοκίμιο που εξετάστηκε ήταν πάλι της κατηγορίας TRIP800, προήλθε από την λάμα των 8.1cm., και αφού ανοπτήθηκε στην θερμοκρασία των 800 o C για 15min. αποψύχθηκε απευθείας στο νερό με στόχο όλο το ποσοστό του ωστενίτη να μετατραπεί σε μαρτενσίτη. Το δοκίμιο αυτό χαρακτηρίστηκε ως δοκίμιο αναφοράς διότι το ποσοστό ωστενίτη που ενδεχομένως να περιέχει είναι πάρα πολύ μικρό κάτω του 1% και επομένως θα έχει και την μέγιστη μαγνήτιση διότι εμπεριέχει μόνο φερρομαγνητικές φάσεις. Και αυτό το δοκίμιο λειάνθηκε για την απομάκρυνση των οξειδίων. Οι τελικές διαστάσεις του ήταν 5.1mm x 5.1mm x 1.63mm. και ονομάστηκε TRIP800 ARma. Τέλος το τρίτο δοκίμιο που μετρήθηκε προήλθε κατευθείαν από το ΑR υλικό (λάμα 8.1cm.) ονομάστηκε TRIP800 AR και είχε διαστάσεις 5.1mm. x 5.2mm. x 1.65mm.. Οι μαγνητικές ιδιότητες των παραπάνω δοκιμίων μετρήθηκαν με μαγνητόμετρο SQUID (Superconducting quantum interference device) στο ερευνητικό κέντρο Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ από τον κ. Πίσσα Μιχαήλ Ερευνητή Α. Στις μαγνητικές μετρήσεις με SQUID, στο δοκίμιο εφαρμόζεται ένα μαγνητικό πεδίο ώστε να εισαχθεί μαγνήτιση. Η μαγνήτιση του δοκιμίου προκαλεί και αυτή με τη σειρά της πεδία, τα οποία ανιχνεύονται με ακρίβεια από τον ανιχνευτή του μαγνητομέτρου SQUID. Κατά τη διάρκεια της μέτρησης η μέγιστη τιμή του μαγνητικού πεδίου που εφαρμόστηκε ήταν 5Τ (Η=3.98x10 6 Αm -1 ) ενώ στη συνέχεια μειώνονταν με σταθερό βήμα μέχρι το μηδέν (από 5 έως 1Τ με βήμα 0.25Τ ενώ από1 έως 0Τ με βήμα 0.1Τ). Τα δοκίμια πριν κοπούν στις τελικές διαστάσεις είχαν εξεταστεί από το ΧRD ώστε να ανιχνευθεί η ύπαρξη ωστενίτη. Από τα τρία δοκίμια που εξετάστηκαν, αυτό με την αμελητέα ποσότητα ωστενίτη (austenite free) ήταν το ΤRIP800 ARma ενώ μικρό ποσοστό ανιχνεύθηκε στο ARt. To δοκίμιο TRIP800 AR, όπως άλλωστε αναμενόταν, εμφάνισε το μεγαλύτερο κλάσμα όγκου υπολειπόμενου ωστενίτη. Τα αποτελέσματα των μαγνητικών επιβεβαίωσαν τις παραπάνω μετρήσεις και θα συζητηθούν στα επόμενα κεφάλαια. 98

106 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 6.1 Αποτελέσματα Μεταλλογραφίας Αποτελέσματα XRD Τα δοκίμια του χάλυβα TRIP800 εξετάστηκαν και με το περιθλασίμετρο XRD. Στην εικόνα 6.1 που ακολουθεί, δίνεται το φάσμα που προέκυψε από την εξέταση για το δοκίμιο του ΑR. Όπως παρατηρούμε εξαιτίας του μεγάλου θορύβου Εικόνα 6.1: Φάσμα περίθλασης ακτίνων Χ από το δοκίμιο αναφοράς (TRIP800 AR) δεν μπορούμε να ανιχνεύσουμε ικανοποιητικά την κορυφή του ωστενίτη. Αυτό οφείλεται τόσο στο μικρό κλάσμα όγκου του ωστενίτη όσο και στην λεπτοκρυσταλλική δομή του υλικού που δεν μας επιτρέπει με το συγκεκριμένο όργανο που διαθέτουμε να εξάγουμε ένα καλύτερο αποτέλεσμα. Το αυξημένο ποσοστό του θορύβου οφείλεται στην λάμπα του Cu που χρησιμοποιούμε διότι η συγκεκριμένη δημιουργεί φθορισμό στα σιδηρούχα υλικά. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούμε μονοχρωμάτορα Νi ο οποίος μειώνει το φθορισμό της λάμπας Cu- Kα στους χάλυβες, αλλά και πάλι όπως φαίνεται και στο φάσμα δεν είχαμε τα 99

107 αναμενόμενα αποτελέσματα. Ωστόσο τόσο από το εύρος των κορυφών όσο και από το ύψος αυτών μπορούν να εξαχθούν κάποια συγκριτικά συμπεράσματα σχετικά με την τάση που δείχνει το υλικό στην εμφάνιση ή όχι της ωστενιτικής φάσεως. Στην εικόνα 6.1 παρατηρούμε ότι οι κορυφές της ωστενιτικής φάσης δεν εμφανίζονται σχεδόν καθόλου. Το μικρό εύρος των κορυφών του φερρίτη δείχνει την λεπτοκρυσταλική δομή του υλικού. Για τον σκοπό της παραγωγής χάλυβα αντίστοιχου τόσο σε δομή όσο και σε ιδιότητες με αυτόν που πήραμε το διάγραμμα της εικόνας 6.1 θεωρήθηκε σαν διάγραμμα αναφοράς. Στην συνέχεια παρατίθενται τα αντίστοιχα συγκριτικά διαγράμματα που προέκυψαν από τις θερμικές που πραγματοποιήθηκαν ανάλογα με το αντικείμενο που θέλαμε να μελετήσουμε. Τα διαγράμματα που προέκυψαν ήταν της μορφής της εικόνας 6.1. ΜΕΛΕΤΗ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΑΝΟΠΤΗΣΕΩΣ TRIP800 Εικόνα 6.2: Συγκριτικό διάγραμμα φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ από το δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 750 C, 775 C και 800 C για 15mins και στη συνέχεια υπέστησαν βαφή στους 350 C για 30mins. Στο διάγραμμα 6.2 εμφανίζονται τα φάσματα που προέκυψαν από την εξέταση με ακτίνες Χ των δοκιμίων που ανοπτήθηκαν σε διάφορες θερμοκρασίες 100

108 (750 C, 775 C, 800 C), ενώ στην συνέχεια παρέμειναν για 30min στους 350 C. Επιλέχθηκαν τα δοκίμια των 30mins διότι σε εκείνα τα φάσματα εμφανίστηκαν οι μεγαλύτερες κορυφές του ωστενίτη. Εξαιτίας του μεγάλου θορύβου όπως προαναφέραμε δεν μπορούμε να κάνουμε ακριβή εκτίμηση του κλάσματος όγκου του ωστενίτη αλλά μπορούμε να ανιχνεύσουμε την τάση της αύξησης του κλάσματος όγκου του ωστενίτη που εμφανίζεται με την αύξηση του εμβαδού της κορυφής. Έτσι στο παραπάνω διάγραμμα παρατηρούμε να εμφανίζονται πιο έντονα οι κορυφές του ωστενίτη στο δοκίμιο των 775 C κάτι που σημαίνει ότι ο ωστενίτης εμφανίζεται σε μεγαλύτερο ποσοστό ή παρουσιάζει μεγαλύτερο μέγεθος κόκκου. Το παραπάνω αποτέλεσμα επαναλαμβάνεται και στα δοκίμια που παρέμειναν πάλι για 30mins στους 400 C (Εικόνα 6.3). Εικόνα 6.3: Συγκριτικό διάγραμμα φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ από το δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 750 C, 775 C και 800 C για 15mins και στη συνέχεια υπέστησαν βαφή στους 400 C για 30mins. Όπως παρατηρούμε και εδώ την πιο καλοσχηματισμένη κορυφή μας την έδωσε το δοκίμιο των 775 C. Σε σύγκριση με το διάγραμμα των 350 C παρατηρούμε ότι οι κορυφές του ωστενίτη εμφανίζονται καλύτερα στους 400 C κάτι που σημαίνει ότι ανιχνεύονται μεγαλύτεροι κόκκοι ή αυξάνεται το κλάσμα όγκου του ωστενίτη. Συνοψίζοντας τα αποτελέσματα καταλήγουμε στα εξής: 101

109 1. Από τις θερμοκρασίες ανόπτησης πιο έντονες κορυφές εμφάνισαν τα δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 775 C 2. Ποιοτικά καλύτερες κορυφές ωστενίτη έδωσαν τα δοκίμια που βάφτηκαν στους 400 C ΜΕΛΕΤΗ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΜΠΑΙΝΙΤΙΚΗΣ ΒΑΦΗΣ TRIP800 Στην παράγραφο αυτή γίνεται μια προσπάθεια κατανόησης της επίδρασης της θερμοκρασίας μπαινιτικής βαφής στην τελική μικροδομή. Για το σκοπό αυτό επιλέχθηκαν τα φάσματα των δοκιμίων που παρέμειναν για 30min στις θερμοκρασίες της βαφής γιατί σε αυτά εμφανίζεται πιο έντονα η κορυφή του ωστενίτη. Από την πα- 30min Εικόνα 6.4: Συγκριτικό διάγραμμα φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ από το δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 750 C για 15mins και στη συνέχεια υπέστησαν βαφή στους 300 C, 350 C και 400 C για 30mins. ρατήρηση των διαγραμμάτων καταλήγουμε στις εξής παρατηρήσης: 1. Καλύτερα σχηματισμένες κορυφές ωστενίτη εμφανίζονται στους 400 C 102

110 2. Εμφανίζεται σταδιακή αύξηση των κορυφών από τους 300 C έως τους 400 C Για τα δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 775 C (Εικόνα 6.5) καταλήγουμε ότι: 1. Καλύτερη ποιότητα κορυφών ωστενίτη εμφάνισαν τα δοκίμια που βάφτηκαν στους 400 C 2. Παρατηρείται και σε αυτή την θερμοκρασία ανοπτήσεως σταδιακή αύξηση της ποιότητας των κορυφών από τους 300 C στους 400 C Εικόνα 6.5: Συγκριτικό διάγραμμα φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ από το δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 775 C για 15mins και στη συνέχεια υπέστησαν βαφή στους 300 C, 350 C και 400 C για 30mins. 103

111 Εικόνα 6.6: Συγκριτικό διάγραμμα φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ από το δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 800 C για 15mins και στη συνέχεια υπέστησαν βαφή στους 300 C, 350 C και 400 C για 30mins Τέλος για τα δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 800 C καταλήγουμε ότι: 1. Επιβεβαιώνεται και σε αυτή τη θερμοκρασία ότι καλύτερα ποιότητα κορυφών εμφάνισαν τα δοκίμια που βάφτηκαν στους 400 C 2. Και εδώ παρατηρείται σταδιακή βελτίωση της κορυφής από τους 300 C στους 400 C 104

112 ΜΕΛΕΤΗ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΧΡΟΝΟΥ ΠΑΡΑΜΟΝΗΣ ΣΤΗΝ ΜΠΑΙΝΙΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ TRIP800 Στην παράγραφο που ακολουθεί παρουσιάζονται τα φάσματα που προέκυψαν από την εξέταση των δοκιμίων με το περιθλασίμετρο ακτινών Χ και παρατίθενται συγκριτικά με βάση τη διάρκεια παραμονής στην μπαινιτική περιοχή. Η έκθεση αυτή γίνεται για να εξεταστεί η επίδραση της διάρκειας παραμονής στην μπαινιτική περιοχή στις κορυφές Bragg του ωστενίτη. 750 C Εικόνα 6.7: Συγκριτικό διάγραμμα φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ από το δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 750 C για 15min και στη συνέχεια υπέστησαν βαφή στους 350 C για 1mins, 3mins, 30mins, 60mins και 180mins Από την εξέταση των διαγραμμάτων των δοκιμίων που ανοπτήθηκαν στους 750 C και βάφτηκαν στους 350 C καταλήγουμε στα εξής: 1. Πιο έντονες κορυφές εμφάνισε το δοκίμιο των 60mins 2. Εμφανίζεται μια σταδιακή αύξηση της κορυφής από το 1min έως και τα 60mins με καλύτερη την τελευταία, ενώ στα 180mins έχουμε πάλι πτώση των κορυφών 105

113 Στην συνέχεια δίνεται το διάγραμμα που προέκυψε από τα δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 750 C αλλά βάφτηκαν στους 400 C. Από την εξέταση του διαγράμματος αυτού καταλήγουμε στα εξής: Εικόνα 6.8: Συγκριτικό διάγραμμα φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ από το δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 750 C για 15min και στη συνέχεια υπέστησαν βαφή στους 400 C για 1min, 3mins, 30mins, 60mins και 180mins 1. Πιο έντονες κορυφές εμφάνισε το δοκίμιο των 30mins 2. Εμφανίζεται μια σταδιακή αύξηση του ύψους των κορυφών από το 1min έως και τα 30mins ενώ στη συνέχεια ακολουθεί μια αντίστοιχη σταδιακή πτώση 3. Φαίνεται ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας μπαινιτικής βαφής από τους 350 C στους 400 C παρουσιάζεται και επιτάχυνση της κινητικής της μπαινιτικής αντίδρασης Στην συνέχεια εμφανίζονται τα συγκριτικά διαγράμματα που προέκυψαν για τα δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 775 C. Από τα μελέτη των δοκιμίων που στην συνέχεια βάφτηκαν στους 350 C καταλήγουμε στις ακόλουθες παρατηρήσεις: 1. Πιο έντονες κορυφές εμφάνισε το δοκίμιο που παρέμεινε για 30mins 2. Εμφανίζεται μια σταδιακή αύξηση του ύψους της κορυφής μέχρι τα 30mins ενώ στην συνέχεια ακολουθεί πτώση 106

114 TR o C(15mins) o C Εικόνα 6.9: Συγκριτικό διάγραμμα φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ από το δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 775 C για 15mins και στη συνέχεια υπέστησαν βαφή στους 350 C για 1min, 3mins, 30mins, 60mins και 180mins TR o C(15mins) o C Εικόνα 6.10: Συγκριτικό διάγραμμα φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ από το δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 775 C για 15mins και στη συνέχεια υπέστησαν βαφή στους 400 C για 1min, 3mins, 30mins, 60mins και 180mins 107

115 Όσον αφορά το διάγραμμα των δοκιμίων που βάφτηκαν στους 400 C (εικόνα 6.10) θα μπορούσαμε να καταλήξουμε στις εξής παρατηρήσεις: 1. Πιο έντονες κορυφές εμφάνισε το δοκίμιο που παρέμεινε για 30mins και σε αυτή τη θερμοκρασία 2. Εμφανίζεται μια σταδιακή αύξηση του ύψους της κορυφής μέχρι τα 30mins ενώ στην συνέχεια ακολουθεί αντίστοιχη πτώση 3. Σε σύγκριση με τους 350 C οι κορυφές εμφανίζονται πιο έντονες στους 400 C Τελειώνοντας παρουσιάζονται τα διαγράμματα των δοκιμίων που ανοπτήθηκαν στους 800 C. Από την εξέταση των δοκιμίων τα οποία βάφτηκαν στους 350 C προκύπτουν τα εξής: 1. Πιο έντονες κορυφές ωστενίτη εμφάνισε το δοκίμιο των 60mins 2. Εμφανίζεται και εδώ μια σταδιακή αύξηση του ύψους των κορυφών που φαίνεται να εξαρτάται από το χρόνο Εικόνα 6-11: Συγκριτικό διάγραμμα φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ από το δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 800 C για 15mins και στη συνέχεια υπέστησαν βαφή στους 350 C για 1min, 3mins, 30mins, 60mins και 180mins Για τα δοκίμια που βάφτηκαν στους 400 C μπορούμε να υποστηρίξουμε ότι: 108

116 1. Πιο έντονες κορυφές εμφάνισε το δοκίμιο των 30mins 2. Φαίνεται και εδώ μια σταδιακή αύξηση του ύψους των κορυφών μέχρι τα 30mins και στην συνέχεια ακολουθεί μείωση 3. Σε σχέση με τους 350 C φαίνεται η αύξηση της θερμοκρασίας στους 400 C να επιταχύνει την αντίδραση αφού στην πρώτη περίπτωση οι πιο έντονες κορυφές εμφανίστηκαν στα 60mins ενώ στη δεύτερη στα 30mins. Εικόνα 6-12: Συγκριτικό διάγραμμα φασμάτων περίθλασης ακτίνων Χ από το δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 800 C για 15min και στη συνέχεια υπέστησαν βαφή στους 400 C για 1min, 3mins, 30mins, 60mins και 180mins Συνοψίζοντας τα αποτελέσματα καταλήγουμε ότι: 1. Στις περισσότερες περιπτώσεις πιο έντονες κορυφές ωστενίτη εμφάνισαν τα δοκίμια που παρέμειναν για 30mins στην μπαινιτική περιοχή 2. Εμφανίζεται σε όλες τις θερμοκρασίες μια σταδιακή αύξηση του ύψους των κορυφών που ανιχνεύθηκαν ενώ στη συνέχεια ακολουθεί μια σταδιακή μείωση 3. Αύξηση στη θερμοκρασία της μπαινιτικής βαφής δείχνει να σημαίνει και επιτάχυνση της κινητικής της αντίδρασης 109

117 6.1.2 Αποτελέσματα Οπτικό Μικροσκόπιο Στην παράγραφο αυτή παρουσιάζονται οι μικρογραφίες που προέκυψαν από την παρατήρηση των δοκιμίων μέσω οπτικού μικροσκοπίου. Για την αποκάλυψη της μικροδομής χρησιμοποιήθηκαν τρία διαφορετικά διαλύματα (Νital, Le Pera και 10% Νa 2 S 2 O 5 ). Η μεγέθυνση των φωτογραφιών που χρησιμοποιήθηκε ήταν x500. Όπως παρατηρούμε και από την παρακάτω εικόνα η μικροδομή είναι ιδιαιτέρως λεπτοκρυσταλλική με αποτέλεσμα η συγκεκριμένη μεγέθυνση να μην είναι ικανοποιητική. Από την εξέταση των μικρογραφιών παρατηρούμε ότι στο δοκίμιο που προσβλήθηκε με Nital δεν μπορούμε να διαχωρίσουμε τον ωστενίτη ή τον μπαινίτη. Για τον λόγο αυτό προσφύγαμε σε ποιο εξελιγμένες τεχνικές μεταλλογραφίας, όπως άλλωστε προτείνεται και από τη βιβλιογραφία για τέτοιου είδους χάλυβες (colour etching). Εικόνα 6-13: Μικρογραφία οπτικού μικροσκοπίου (x500) χάλυβα TRIP800 (Α6: 750 C (15mins) C (30mins)) ο οποίος έχει προσβληθεί με διάλυμα Νital 110

118 Στην εικόνα 6-14 εμφανίζεται η μικροδομή του δοκιμίου Α6 μετά από προσβολή με διάλυμα Le Pera. Όπως παρατηρούμε το αποτέλεσμα δεν ήταν ικανοποιητικό διότι εμφανίστηκαν κάποιες μπλέ κηλίδες πάνω στην επιφάνεια. Αυτές οι κηλίδες αποτελούν υπολείμματα οινοπνεύματος που χρησιμοποιήθηκε για να ξεπλυθεί το δοκίμιο μετά την προσβολή. Δυστυχώς παρότι έγιναν διάφορες προσπάθειες για την απομάκρυνσή τους κάτι τέτοιο δεν επετεύχθη. Εικόνα 6-14 : Μικρογραφία οπτικού μικροσκοπίου (x500) χάλυβα TRIP800 (Α6: 750 C (15mins) C (30mins)) ο οποίος έχει προσβληθεί με διάλυμα Le Pera Παρόλα αυτά στην μικρογραφία με σκούρο καφέ χρώμα εμφανίζεται ο φερρίτης ενώ με ανοιχτό καφέ ο μπαινίτης-ωστενίτης. Δυστυχώς και με αυτή την μέθοδο δεν καταφέραμε τον πλήρη διαχωρισμό των φάσεων που εμφανίζονται στην μικροδομή. Το πρόβλημα του διαχωρισμού των φάσεων στο οπτικό μικροσκόπιο ξεπεράστηκε με τη χρήση του διαλύματος 10%Na 2 S 2 O 5. Όπως φαίνεται και στην εικόνα που ακολουθεί μόνο με τη χρήση αυτού του διαλύματος καταφέραμε την πλήρη αποκάλυψη της μικροδομής. Στην μικρογραφία με καφέ εμφανίζεται ο φερρίτης, με άσπρο ο ωστενίτης και με μαύρο ο μπαινίτης. Όπως προαναφέραμε η αρκετά μικρή μεγέθυνση δεν μας δίνει τη δυνατότητα μέτρησης των κλασμάτων όγκου της κάθε φάσεως. Παρόλα αυτά καταλήγουμε, ότι για την αποκάλυψη της 111

119 μικροδομής σε πολυφασικούς χάλυβες συνίσταται η χρησιμοποίηση του διαλύματος 10%Na 2 S 2 O 5. Στην εικόνα 6-15 που ακολουθεί δίνεται το δοκίμιο Α6 που έχει παρα- Εικόνα 6-15 : Μικρογραφία οπτικού μικροσκοπίου (x500) χάλυβα TRIP800 (Α6: 750 C (15mins) C (30mins)) ο οποίος έχει προσβληθεί με διάλυμα 10% κ.ο Na 2 S 2 O 5 μείνει για μικρότερο χρονικό διάστημα στο διάλυμα. Όπως παρατηρούμε ο διαχωρισμός των διαφόρων φάσεων γίνεται πιο εύκολα. (φερρίτης: κίτρινο, ωστενίτης: άσπρο, μπαινίτης: μαύρο). 112

120 Εικόνα 6-16: Μικρογραφία οπτικού μικροσκοπίου (x500) χάλυβα TRIP800 (Α6: 750 C (15mins) C (30mins) ο οποίος έχει προσβληθεί με διάλυμα 10% κ.ο Na 2 S 2 O 5 Εικόνα 6-17 : Μικρογραφία οπτικού μικροσκοπίου (x500) χάλυβα TRIP800 (C3: 800 C(15mins)- 400 C(30mins)) ο οποίος έχει προσβληθεί με διάλυμα 10% κ.ο Na 2 S 2 O 5 113

121 Στην εικόνα 6-17 εμφανίζεται η μικροδομή του δοκιμίου C3 που ανοπτήθηκε και βάφτηκε σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες (800 C (15mins)- 400 C(30mins)) από το Α6 (750 C (15mins) C (30mins)). Όπως παρατηρούμε εάν συγκρίνουμε τις δύο μικρογραφίες είναι εμφανής η αύξηση του μεγέθους του κόκκου τόσο του ωστενίτη όσο και του μπαινίτη. Συνοψίζοντας τα αποτελέσματα θα μπορούσαμε να υποστηρίξουμε ότι καλύτερη συμπεριφορά από άποψη αποκάλυψης της μικροδομής και διαχωρισμού των φάσεων στους πολυφασικούς χάλυβες δίνει η χρήση του διαλύματος 10% Na 2 S 2 O 5. Για την παρατήρηση της μικροδομής απαιτείται η χρήση μεγαλύτερου φακού (x1000) εξαιτίας της λεπτοκρυσταλλικότητας. Πάντως και η χρήση φακού μεγαλύτερης μεγένθυνσης δε σημαίνει ότι θα μας εξασφάλιζε ένα καλύτερο αποτέλεσμα διότι εξαιτίας του μικρού μεγέθους των κόκκων και της μορφής των φάσεων όπως ο μπαινίτης (lamellae bainite) ελοχεύει ο κίνδυνος λανθασμένης διάκρισης των φάσεων που θα οδηγούσε σε ένα λάθος συμπέρασμα. Η μέτρηση του κλάσματος όγκου των φάσεων μπορεί να επιτευχθεί με την χρήση κατάλληλου προγράμματος (Image Pro). 114

122 6.1.3 Αποτελέσματα SEM Στην παράγραφο που ακολουθεί παρουσιάζονται οι μικρογραφίες των εξεταζόμενων δοκιμίων που προέκυψαν από την παρατήρηση στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο (SEM). Αρχικώς δίνεται η μικρογραφία του χάλυβα TRIP800 AR που αντιστοιχεί στο χάλυβα αναφοράς (εργοστασιακός). Στην εικόνα 6-18 φαίνεται η μικρογραφία SEM δευτερογενών ηλεκτρονίων ενώ στην εικόνα 6-19 που ακολουθεί εμφανίζεται η μικρογραφία οπισθοσκεδαζόμενων ηλεκτρονίων. Η διαφορά των δύο μικρογραφιών έγκειται στο γεγονός ότι με την μικρογραφία των α b γ α Εικόνα 6-18: Μικρογραφία χάλυβα TRIP800 AR δευτερογενών ηλεκτρονίων (SEI-secondary) από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης πισωσκεδαζομένων ηλεκτρονίων εμφανίζεται έντονη η αντίθεση λόγω διαφορετικής κρυσταλλογραφίας των διαφόρων φάσεων με αποτέλεσμα να γίνεται καλύτερος διαχωρισμός των φάσεων. Από τις μικρογραφίες έγινε μια προσπάθεια μέτρησης του κλάσματος όγκου της κάθε φάσεως αλλά κάτι τέτοιο δεν κατέστη δυνατό διότι ενώ η φάση του φερρίτη και εν μέρει του μπαινίτη αποκαλύπτεται δεν είναι εύκολος ο διαχωρισμός των άλλων φάσεων όπως του ωστενίτη με τον μαρτενσίτη. Για την μέτρηση του κλάσματος όγκου του φερρίτη χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Ιmage 115

123 Pro το οποίο υπολογίζει το ποσοστό της κάθε φάσεως με βάση τη χρωματική αντίθεση (contrast) που εμφανίζουν. Έτσι επειδή ο μπαινίτης διαφοροποιείται σε σχέση με τον ωστενίτη και τον μαρτενσίτη μόνο μορφολογικά (εναλλασσόμενα πλακίδια) δεν μπορούμε με βάση το πρόγραμμα να τον απομονώσουμε και να τον μετρήσουμε. Για τον λόγο αυτών επιλέχθηκε να μετρηθεί το κλάσμα όγκου του φερρίτη καθώς και των άλλων φάσεων συνολικά ώστε σε συνδυασμό και με τα αποτελέσματα από το EBSD να εξαχθούν πιο ασφαλή συμπεράσματα. Για την μέτρηση του κλάσματος όγκου χρησιμοποιήθηκαν τρείς μικρογραφίες οπισθοσκεδα- α b γ α Εικόνα 6-19: Μικρογραφία χάλυβα TRIP800 AR πισωσκεδαζομένων ηλεκτρονίων (ΒΕS-backscatter) από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης ζόμενων ηλεκτρονίων από κάθε δοκίμιο και εξήχθη ο μέσος όρος αυτών καθώς και η τυπική απόκλιση. Επιλέχθηκαν οι μικρογραφίες των οπισθοσκεδαζόμενων ηλεκτρονίων διότι εμφανίζονταν πιο έντονα η αντίθεση με αποτέλεσμα το πρόγραμμα να ανταποκρίνεται καλύτερα. Στην συνέχεια εμφανίζεται ο πίνακας που προέκυψε από τις παραπάνω μετρήσεις καθώς και τα ποσοστά των φάσεων. Τέλος ακολουθεί παράθεση μικρογραφιών των δοκιμίων ανάλογα με την θερμική κατεργασία που πραγματοποιήθηκε ώστε να εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με το κατά πόσο ο κάθε 116

124 παράγοντας (θερμοκρασία ανοπτήσεως, θερμοκρασία μπαινιτικής βαφής, χρόνος) επηρέασε την τελική μικροδομή. Πίνακας 6-1: Ποσοστά φάσεων που προέκυψαν από την εξέταση των μικρογραφιών με το πρόγραμμα Ιmage Pro Θερμ. Ανοπτήσεως Θερμ. Μπαιν. Βαφής TRIP 800 Διάρκεια Μπαινιτικής Βαφής Φερρίτης SD φερ. Άλλες φάσεις A1 750C 400C 1 42% ±6 58% A2 750C 400C 3 73% ±4 27% A3 750C 400C 30 75% ±3 25% A10 750C 400C 60 74% ±2 26% A11 750C 400C % ±2 23% A4 750C 350C 1 61% ±3 39% A5 750C 350C 3 71% ±4 29% A6 750C 350C 30 78% ±4 22% A7 750C 350C 60 79% ±2 21% A8 750C 350C % ±1 20% A9 750C 300C 30 75% ±3 25% B1 775C 400C 1 65% ±5 35% B2 775C 400C 3 69% ± 4 31% B3 775C 400C 30 71% ±5 29% B10 775C 400C 60 76% ± 2 24% B11 775C 400C % ± 2 24% B4 775C 350C 1 67% ±3 33% B5 775C 350C 3 66% ±2 34% B6 775C 350C 30 66% ±2 34% B7 775C 350C 60 72% ± 1 28% B8 775C 350C % ±2 27% B9 775C 300C 30 66% ± 3 34% C1 800C 400C 1 66% ± 3 34% C2 800C 400C 3 67% ± 2 33% C3 800C 400C 30 70% ± 3 30% C10 800C 400C 60 75% ±1 25% C11 800C 400C % ± 1 22% C4 800C 350C 1 53% ±3 47% C5 800C 350C 3 63% ±2 37% C6 800C 350C 30 61% ± 2 39% C7 800C 350C 60 70% ±1 30% C8 800C 350C % ±2 29% C9 800C 300C 30 67% ±2 33% TR800 AR 76% ± 2 24% 117

125 TR800 META AΠΟ ΑΠΟΤΟΜΗ ΨΥΞΗ [750 C (15min), 800 C (15min)] Περλίτης α α α α Εικόνα 6-20: ΤRIP o C-15mins (A12) Εικόνα 6-21: ΤRIP o C-15mins (C12) Στις παραπάνω μικρογραφίες εμφανίζεται η μικροδομή που προέκυψε μετά από απότομη ψύξη (βαφή σε νερό) κάποιων δοκιμίων, από τη θερμοκρασία ανοπτήσεως στη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Οι παραπάνω θερμικές πραγματοποιήθηκαν ώστε να αποκτήσουμε μια εικόνα της αρχικής μικροδομής και του κλάσματος όγκου του ενδοκρίσιμου ωστενίτη που έχει δημιουργηθεί κατά την διάρκεια της ενδοκρίσιμης ανόπτησης. Το σκεπτικό της συγκεκριμένης ενέργειας ήταν ότι το μεγαλύτερο κλάσμα όγκου του ωστενίτη θα μετατραπεί με απότομη ψύξη σε μαρτενσίτη στη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Μετρώντας έτσι το κλάσμα όγκου της μαρτενσιτικής φάσεως θα μπορούσαμε να προσδιορίσουμε το κλάσμα όγκου του ενδοκρίσιμου ωστενίτη. Από τις μικρογραφίες παρατηρούμε ότι στους 750 C δεν έχουμε πλήρη διαλυτοποίηση του περλίτη με αποτέλεσμα να παραχθεί μικρό κλάσμα όγκου μαρτενσίτη ενώ ένα μέρος του περλίτη παραμένει στη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Παρόμοια παρατήρηση έκανε και ο κ. Χαϊδεμενόπουλος [170] ο οποίος σε TRIP με 0.26C-0.8Mn-1.48Si που είχε υποστεί ενδοκρίσιμη ανόπτηση στους 770 C για 5mins. ανίχνευσε μεταλλογραφικά την παρουσία περλίτη. Αντιθέτως το δοκίμιο που ανοπτήθηκε στους 800 C για 15mins δεν εμφανίζεται καθόλου περλίτης κάτι που σημαίνει ότι στη θερμοκρασία αυτή έχουμε πλήρη διαλυτοποίηση του τελευταίου. Η μικροδομή που προέκυψε αποτελείται από φερρίτη και μαρτενσίτη. Από τις μετρήσεις των μικρογραφικών συστατικών προέκυψε ο πίνακας 6-2. Σύμφωνα με τον πίνακα στους 750 C έχουμε ποσοστό μαρτενσίτη μαζί με περλίτη της τάξης των 12% ενώ στους 800 C 36%. Παρόμοιο αποτέλεσμα παρουσίασε στην 118

126 έρευνα του και ο Katsamas [171] που έγινε σε χάλυβα με 0.176C-1.41Mn-1.45Si o οποίος ανοπτήθηκε τόσο στους 780 C όσο και στους 810 C για 90sec και έδωσε κλάσμα όγκου ενδοκρίσιμου ωστενίτη 40% για την πρώτη περίπτωση και 50% για τη δεύτερη. Πίνακας 6-2: Ποσοστά φάσεων που προέκυψαν από την εξέταση των μικρογραφιών με το πρόγραμμα Ιmage Pro Θερμοκρασία Ανοπτήσεως TRIP 800 Διάρκεια Ανοπτήσεως Φερρίτης SD φερ. Άλλες φάσεις Α C 15min 88% ±2 12% C C 15min 64% ±2 36% Για πιο ασφαλή συμπεράσματα όμως θα πρέπει να συνυπολογιστούν και τα αποτελέσματα των μικρογραφιών των δοκιμίων που παρέμειναν για 1min στην μπαινιτική περιοχή. Επιλέγονται τα δοκίμια αυτά γιατί απεικονίζουν τη μπαινιτική αντίδραση στο αρχικό της στάδιο. 119

127 ΜΕΛΕΤΗ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΑΝΟΠΤΗΣΕΩΣ TRIP800 Στις μικρογραφίες που ακολουθούν εμφανίζονται οι μικροδομές των δοκιμίων μεταβάλλοντας τη θερμοκρασία ανοπτήσεως (750 C, 775 C, 800 C), κρατώντας όμως τις άλλες μεταβλητές (θερμοκρασία μπαινιτικής βαφής, διάρκεια) σταθερές. Εικόνα 6-22: ΤRIP o C- 350 o C-1min (A4) Εικόνα 6-23: ΤRIP o C- 350 o C-1min (B4) Εικόνα 6-24: ΤRIP o C- 350 o C-1min (C4) Επιλέχθηκαν να συγκριθούν τα δοκίμια του 1min διότι με την αύξηση του χρόνου παραμονής λαμβάνουν χώρα και άλλα φαινόμενα όπως ο μπαινιτικός μετασχηματισμός. Για την αποφυγή λοιπόν της επίδρασης των άλλων αντιδράσεων στην τελική μοκροδομή επιλέχθηκε το 1min. Στη συνέχεια παρατίθεται και ο αντίστοιχος πίνακας στον οποίο εμφανίζονται τα αντίστοιχα ποσοστά των φάσεων που μετρήθηκαν με τον τρόπο που έχουμε περιγράψει πιο πάνω. Από την παρατήρηση των αποτελεσμάτων αυτών εξάγουμε το συμπέρασμα ότι για τα δοκίμια που παραμείναν στους 350 C για 1min αύξηση της 120

128 θερμοκρασίας ενδοκρίσιμης ανόπτησης από τους 750 C στους 800 C σημαίνει και μείωση των προϊόντων του ενδοκρίσιμου ωστενίτη αρχικά (775 C) και αύξηση στους 800 C. Αντίθετα στα δοκίμια που παρέμειναν για 1min στους 400 C, αύξηση της θερμοκρασίας ανοπτήσεως σημαίνει και μείωση στο κλάσμα όγκου των φάσεων που προέκυψαν από τον μετασχηματισμό του ενδοκρίσιμου ωστενίτη. Εικόνα 6-25: ΤRIP o C- 400 o C-1min (A1) Εικόνα 6-26: ΤRIP o C- 400 o C-1min (B1) Εικόνα 6-27: ΤRIP o C- 400 o C-1min (C1) 121

129 Πίνακας 6-3: Ποσοστά φάσεων που προέκυψαν από την εξέταση των μικρογραφιών με το πρόγραμμα Ιmage Pro Θερμ. Ανοπτήσεως Θερμ. Μπαιν. Βαφής TRIP 800 Διάρκεια Μπαινιτικής Βαφής Φερρίτης SD φερ. Άλλες φάσεις A4 750 C 350 C 1min 61% ±3 39% B4 775 C 350 C 1min 67% ±3 33% C4 800 C 350 C 1min 53% ±3 47% A1 750 C 400 C 1min 42% ± 6 58% B1 775 C 400 C 1min 65% ±5 35% C1 800 C 400 C 1min 66% ± 3 34% Από τα παραπάνω δεν μπορούμε να καταλήξουμε σε ένα μοναδικό αποτέλεσμα. Παρόλα αυτά θα μπορούσαμε να υποστηρίξουμε ότι εάν εξαιρέσουμε την τιμή του δοκιμίου C4, αύξηση στη θερμοκρασία ανόπτησης σημαίνει μείωση στο κλάσμα όγκου των προϊόντων του ενδοκρίσιμου ωστενίτη με συνακόλουθη αύξηση του κλάσματος όγκου του φερρίτη. Επίσης παρατηρούμε ότι και το μέσο μέγεθος κόκκου των φάσεων-προϊόντων του ενδοκρίσιμου ωστενίτη μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας ανοπτήσεως όπως επίσης και μορφολογικά παρατηρούμε με την αύξηση της θερμοκρασίας να έχουμε σχηματισμούς κόκκων μπαινίτη πιο κοντά σε μορφή που δίνεται στην βιβλιογραφία (εναλλασσόμενα πλακίδια φερρίτη-ωστενίτη). Ο ιστός που δημιουργήθηκε κατά την έλαση φαίνεται να διατηρείται σε όλες τις θερμοκρασίες και επομένως δεν δείχνει να επηρεάζεται από την θερμοκρασία της ενδοκρίσιμης ανόπτησης. ΜΕΛΕΤΗ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΜΠΑΙΝΙΤΙΚΗΣ ΒΑΦΗΣ TRIP800 Για την μελέτη της επίδρασης της θερμοκρασίας στην οποία πραγματοποιήθηκε η μπαινιτική βαφή (300 C, 350 C και 400 C) κρίθηκε σκόπιμο να εκτεθούν οι μικρογραφίες των δοκιμίων που παρέμειναν για 1min, 3mins και 30mins στις 122

130 θερμοκρασίες αυτές διατηρώντας σταθερά πέρα από το χρόνο και τη θερμοκρασία ανόπτησης. Διατηρώντας λοιπόν σταθερή τόσο τη θερμοκρασία ανόπτησης όσο και το χρόνο της βαφής και μεταβάλλοντας μόνο τη θερμοκρασία αυτής, μπορούμε να εξάγουμε συνολικά τη συμπεριφορά του υλικού μας στην εν λόγω μεταβολή. Έτσι για τα δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 750 C και παρέμειναν για 1min στις θερμοκρασίες των 350 C και 400 C θα μπορούσαμε να υποστηρίξουμε ότι αύξηση στη θερμοκρασία βαφής σημαίνει και αύξηση του ποσοστού τόσο των προϊόντων του ενδοκρίσιμου ωστενίτη όσο και του μεγέθους κόκκου αυτών. Ένα επιπλέον χαρακτηριστικό που μπορούμε να παρατηρήσουμε είναι ότι παραμένει και ο ιστός που δημιουργήθηκε κατά την έλαση με πιο έντονη εμφάνιση στους 400 C. Για τα δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 775 C αύξηση της θερμοκρασίας της βαφής συνεπάγεται και μικρή αύξηση των προϊόντων του ενδοκρίσιμου ωστενίτη. Μορφολογικά θα μπορούσαμε να υποστηρίξουμε ότι στη θερμοκρασία των 400 C εμφανίζονται περισσότεροι και πιο καλά σχηματισμένοι κόκκοι μπαινίτη από ότι στους 350 C. Το μέγεθος κόκκου φαίνεται να μειώνεται στους 400 C έστω και ελάχιστα ενώ ο ιστός της έλασης διατηρείται καλύτερα στους 400 C. Τέλος για τα δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 800 C αύξηση στη θερμοκρασία της μπαινιτικής βαφής σημαίνει μείωση του ποσοστού των προϊόντων του ενδοκρίσιμου ωστενίτη (από 47% σε 34%). Όμως όπως παρατηρούμε και στην εικόνα 6-33 στους 400 C έχουμε σχηματισμό μπαινίτη σε μεγάλους κόκκους και επομένους η φαινομενική αυτή μείωση που παρατηρείται ίσως να οφείλεται στο γεγονός ότι στο ποσοστό του φερρίτη στους 400 C συνυπολογίζεται και το ποσοστό του μπαινιτικού φερρίτη καθώς και του επιταξιακού (epitaxial) φερρίτη κάτι που αυξάνει το τελικό κλάσμα όγκου του φερρίτη. Μορφολογικά μπορούμε να υποστηρίξουμε ότι στους 400 C διακρίνονται μεγάλοι και καλοσχηματισμένοι κόκκοι μπαινίτη κάτι που στους 350 C δεν συμβαίνει αλλά φαίνεται να σχηματίζονται σε πρώιμο στάδιο. Όσον αναφορά την παρουσία ιστού έλασης φαίνεται να διατηρείται στους 400 C. Εν κατακλείδι κοινή παρατήρηση από τις μικρογραφίες είναι ότι ο ιστός της έλασης φαίνεται να διατηρείται καλύτερα στους 400 C από τους 350 C. Επίσης οι κόκκοι του μπαινίτη εμφανίζονται πιο καλοσχηματισμένοι στους 400 C ενώ αυξάνοντας τη θερμοκρασία της ανόπτησης αυξάνει και ο αριθμός τους. Τέλος το ποσοστό των προϊόντων του ενδοκρίσιμου ωστενίτη αυξάνει με την αύξηση της θερμοκρασίας της μπαινιτικής βαφής κάτι που σημαίνει ότι σχηματίζεται λιγότερος επιταξιακός φερρίτης στους 400 C. 123

131 1min Εικόνα 6-28: ΤRIP o C- 350 o C-1min (A4) Εικόνα 6-29: ΤRIP o C- 400 o C-1min (A1) Εικόνα 6-30: ΤRIP o C- 350 o C-1min (B4) Εικόνα 6-31: ΤRIP o C- 400 o C-1min (B1) Εικόνα 6-32: ΤRIP o C- 350 o C-1min (C4) Εικόνα 6-33: ΤRIP o C- 400 o C-1min (C1) 124

132 Πίνακας 6-4: Ποσοστά φάσεων που προέκυψαν από την εξέταση των μικρογραφιών με το πρόγραμμα Ιmage Pro Θερμ. Ανοπτήσεως Θερμ. Μπαιν. Βαφής Διάρκεια Μπαινιτικής Βαφής Φερρίτης SD φερ. Άλλες φάσεις A4 750 C 350 C 1min 61% ±3 39% A1 750 C 400 C 1min 42% ±6 58% B4 775 C 350 C 1min 67% ±3 33% B1 775 C 400 C 1min 65% ±5 35% C4 800 C 350 C 1min 53% ±3 47% C1 800 C 400 C 1min 66% ±3 34% Από τα δοκίμια των που παρέμειναν για 3mins στη θερμοκρασία της μπαινιτικής βαφής μπορούμε να πούμε ότι για θερμοκρασία ανόπτησης 750 C, αύξηση στη θερμοκρασία της βαφής σημαίνει και μικρή μείωση του ποσοστού των άλλων φάσεων (πέραν του φερρίτη) από 29% σε 27%. Επίσης με αύξηση της θερμοκρασίας έχουμε μικρή μείωση στο μέγεθος κόκκου καθώς και την εμφάνιση περισσότερων κόκκων μπαινίτη. Οι γραμμές της έλασης έχουν εξασθενίσει αλλά συνεχίζουν να φαίνονται περίπου το ίδιο τόσο στους 350 C όσο και στους 400 C. Για τους 775 C αύξηση στη θερμοκρασία μπαινιτικής βαφής εμφανίζει μικρή μείωση στο ποσοστό των άλλων φάσεων. Αυτή η μείωση είναι ιδιαίτερα μικρή και εμπίπτει στα όρια του σφάλματος. Επομένως θα μπορούσαμε να υποστηρίξουμε ότι τα ποσοστά είναι περίπου ίδια. Μορφολογικά ο μπαινίτης των 400 C είναι και ποσοτικά περισσότερος αλλά και ποιοτικά καλύτερος ενώ ο ιστός φαίνεται να εξασθενεί σημαντικά και στις δύο θερμοκρασίες με τη παρουσία του όμως να είναι εμφανής. Όσον αναφορά τα δοκίμια των 800 C αύξηση στη θερμοκρασία της βαφής συνεπάγεται και μικρή μείωση στο ποσοστό των άλλων φάσεων χωρίς αυτό να μπορεί να υποστηριχτεί με βεβαιότητα μιας και τα δύο ποσοστά είναι πολύ κοντά. Ο μπαινίτης των 400 C φαίνεται και εδώ καλύτερα σχηματισμένος και αυξημένος ποσοτικά. Τέλος η παρουσία του ιστού είναι πιο έντονη στους 350 C από τους 400 C. 125

133 3mins Εικόνα 6-34: ΤRIP o C- 350 o C-3mins (A5) Εικόνα 6-35: ΤRIP o C- 400 o C-3mins (A2) Εικόνα 6-36: ΤRIP o C- 350 o C-3mins (B5) Εικόνα 6-37: ΤRIP o C- 400 o C-3mins (B2) Εικόνα 6-38: ΤRIP o C- 350 o C-3mins (C5) Εικόνα 6-39: ΤRIP o C- 400 o C-3mins (C2) 126

134 Πίνακας 6-5: Ποσοστά φάσεων που προέκυψαν από την εξέταση των μικρογραφιών με το πρόγραμμα Ιmage Pro Θερμ. Ανοπτήσεως Θερμ. Μπαιν. Βαφής TRIP 800 Διάρκεια Μπαινιτικής Βαφής Φερρίτης SD φερ. Άλλες φάσεις A5 750C 350C 3 mins 71% ±4 29% A2 750C 400C 3 mins 73% ±4 27% B5 775C 350C 3 mins 66% ±2 34% B2 775C 400C 3 mins 69% ± 4 31% C5 800C 350C 3 mins 63% ±2 37% C2 800C 400C 3 mins 67% ± 2 33% Από την εξέταση των μικρογραφιών των δοκιμίων που ανοπτήθηκαν στους 750 C και παρέμειναν στην μπαινιτική περιοχή για 30mins προκύπτει ότι το ποσοστό των άλλων φάσεων αρχικώς μειώνεται (από τους 300 C στους 350 C) ενώ στη συνέχεια αυξάνει. Μορφολογικά δεν έχει σχηματιστεί σχεδόν καθόλου μπαινίτης στους 300 C, στους 350 C φαίνεται ευδιάκριτος ενώ και στους 400 C έχει σχηματιστεί αλλά εξαιτίας κακής μεταλλογραφίας δεν φαίνεται καθαρά. Το μέγεθος κόκκου του μπαινίτη και του ωστενίτη φαίνεται μεγαλύτερο στους 400 C. Ο ιστός της έλασης φαίνεται να έχει εξαφανισθεί. 30mins Εικόνα 6-40: ΤRIP o C- 300 o C-30mins(A9) Εικόνα 6-41: ΤRIP o C- 350 o C-30mins(A6) 127

135 Εικόνα 6-42: ΤRIP o C- 400 o C-30mins (A3) Για τα δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 775 C τα ποσοστά των άλλων φάσεων πέρα αυτού του φερρίτη φαίνονται να μην επηρεάζονται από τη θερμοκρασία της βαφής για τους 300 C και τους 350 C ενώ εμφανίζεται μια μικρή πτώση στους 800 C. Ως προς τον σχηματισμό του μπαινίτη φαίνεται να είναι μορφολογικά παρόμοιος τόσο στους 300 C όσο και στους 350 C ενώ στους 400 C φαίνεται να μειώνεται το κλάσμα όγκου του. Ο ενδοκρίσιμος ωστενίτης που παραμένει εμφανίζεται ποσοτικά αυξημένος στους 350 C με αρκετά ευμεγέθης κόκκους κάτι που διατηρείται και στους 400 C. Ως προς την παρουσία ιστού, είναι εμφανής στους 300 C και στους 350 C ενώ στους 400 C φαίνεται να εξαφανίζεται. Εικόνα 6-43: ΤRIP o C- 300 o C-30mins (B9) Εικόνα 6-44: ΤRIP o C- 350 o C-30mins (B6) 128

136 Εικόνα 6-45: ΤRIP o C- 400 o C-30mins (B3) Τα δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 800 C φαίνεται ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας της μπαινιτικής βαφής παρουσιάστηκε και αύξηση των άλλων φάσεων ενώ στην συνέχεια είχαμε πτώση στους 400 C. Εικόνα 6-46: ΤRIP o C-300 o C-30mins (C9) Εικόνα 6-47: ΤRIP o C- 350 o C-30mins (C6) Εικόνα 6-48: ΤRIP o C- 400 o C-30mins (C3) 129

137 Πίνακας 6-6: Ποσοστά φάσεων που προέκυψαν από την εξέταση των μικρογραφιών με το πρόγραμμα Ιmage Pro Θερμ. Ανοπτήσεως Θερμ. Μπαιν. Βαφής TRIP 800 Διάρκεια Μπαινιτικής Βαφής Φερρίτης SD φερ. Άλλες φάσεις A9 750 C 300 C 30 mins 75% ±3 25% A6 750 C 350 C 30 mins 78% ±4 22% A3 750 C 400 C 30 mins 65% ±3 35% B9 775 C 300 C 30 mins 66% ± 3 34% B6 775C 350 C 30 mins 66% ±2 34% B3 775 C 400 C 30 mins 71% ±5 29% C9 800 C 300 C 30 mins 67% ±2 33% C6 800 C 350 C 30 mins 61% ± 2 39% C3 800 C 400 C 30 mins 70% ± 3 30% Από άποψη μορφολογίας ο καλύτερα σχηματισμένος μπαινίτης εμφανίστηκε στους 350 C ενώ μεγαλύτεροι κόκκοι παραμένοντα ωστενίτη εμφανίστηκαν στο δοκίμιο των 400 C. Ο ιστός διατηρείται σε όλες τις θερμοκρασίες ενώ πιο έντονα εμφανίζεται στους 400 C. Συνοψίζοντας τα αποτελέσματα θα μπορούσαμε να καταλήξουμε στα εξής: 1. Αύξηση της θερμοκρασίας της μπαινιτική βαφής σημαίνει και μείωση του κλάσματος όγκου των παραγομένων φάσεων καθώς και μείωση του μέσου μεγέθους κόκκου αυτών για τους μικρούς χρόνους παραμονής (1min και 3mins). Αντιθέτως στους μεγαλύτερους χρόνους παραμονής (30mins) δεν φαίνεται η θερμοκρασία να επηρεάζει το μέγεθος του κόκκου των παραγομένων φάσεων ενώ στους 800 C παρουσιάζεται και μείωση αυτού. 2. Η αύξηση της θερμοκρασίας μπαινιτικής βαφής βοηθά στον καλύτερο σχηματισμό του μπαινίτη. Γενικά όσο αυξάνει η θερμοκρασία αυξάνει και το κλάσμα όγκου του μπαινίτη για μικρούς χρόνους παραμονής στην μπαινιτική περιοχή (1min και 3mins). Αντιθέτως όσο αυξάνει ο χρόνος παραμονής (30mins), φαίνεται στους 350 C να αυξάνει ενός στους 400 C να μειώνεται. 130

138 3. Ο μικροϊστός που δημιουργείται κατά την έλαση στους μικρούς χρόνους φαίνεται να διατηρείται, ενώ στα 30mins η παρουσία του εξαρτάται από τη θερμοκρασία της ενδοκρίσιμης ανόπτητσης και συγκεκριμένα όσο αυξάνει μειώνεται. 131

139 ΜΕΛΕΤΗ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΧΡΟΝΟΥ ΠΑΡΑΜΟΝΗΣ ΣΤΗΝ ΜΠΑΙΝΙΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ TRIP800 Στην παράγραφο που ακολουθεί επιχειρείτε μια προσπάθεια μελέτης της επίδρασης της διάρκειας της μπαινιτικής βαφής στην μικροδομή των δοκιμίων. Για το 750 C Εικόνα 6-49: ΤRIP o C-350 o C-1min (A4) Εικόνα 6-50: ΤRIP o C- 350 o C-3mins (A5) Εικόνα 6-51:ΤRIP o C-350 o C-30mins (A6) Εικόνα 6-52:ΤRIP o C- 350 o C-60mins (A7) Εικόνα 6-53:ΤRIP o C-350 o C-180mins (A8) 132

140 Πίνακας 6-7: Ποσοστά φάσεων που προέκυψαν από την εξέταση των μικρογραφιών με το πρόγραμμα Ιmage Pro Θερμ. Ανοπτήσεως Θερμ. Μπαιν. Βαφής TRIP 800 Διάρκεια Μπαινιτικής Βαφής Φερρίτης SD φερ. Άλλες φάσεις A4 750C 350C 1 mins 61% ±3 39% A5 750C 350C 3 mins 71% ±4 29% A6 750C 350C 30 mins 78% ±4 22% A7 750C 350C 60 mins 79% ±2 21% A8 750C 350C 180 mins 80% ±1 20% σκοπό αυτό παραθέτονται οι μικρογραφίες των δοκιμίων που παρήχθησαν διατηρώντας τις θερμοκρασίες ανόπτησης και μπαινιτικής βαφής σταθερές και μεταβάλλοντας το χρόνο παραμονής στη τελευταία. Από την παρατήρηση των μικρογραφιών των δοκιμίων που ανοπτήθηκαν στους 750 C και βάφτηκαν στους 350 C προκύπτουν οι εξής παρατηρήσεις: 1. Αύξηση της διάρκειας παραμονής στους 350 C σημαίνει μείωση του μεγέθους κόκκου των άλλων φάσεων (εκτός του φερρίτη) καθώς και του κλάσματος όγκου αυτών κάτι που φαίνεται και στα αποτελέσματα του πίνακα ο οποίος παρουσιάζει τα ποσοστά των φάσεων του φερρίτη και των άλλων μετρούμενες με το πρόγραμμα Ιmage Pro 2. Με την αύξηση της διάρκειας παραμονής παρατηρούμε ποσοστιαία αύξηση καθώς και βελτίωση στη μορφολογία των κόκκων του μπαινίτη που στους πρώτους χρόνους (1min και 3mins) είναι σε πρώιμο στάδιο ενώ στη συνέχεια αυξάνονται σταδιακά (30mins και 60mins) και εμφανίζονται ευδιάκριτοι και καλοσχηματισμένοι. Στα 180mins παρατηρούμε μείωση των κόκκων του μπαινίτη ενώ φαίνεται να χειροτερεύει και η εικόνα τους μορφολογικά. 3. Όσον αναφορά τον ιστό της έλασης φαίνεται να διατηρείται σε όλους τους χρόνους με μια βαθμιαία πτώση όσο αυξάνεται η διάρκεια παραμονής. 133

141 Στην συνέχεια παρουσιάζονται οι μικρογραφίες των δοκιμίων που ανοπτήθηκαν στους 750 C για 15mins και στην συνέχεια βάφτηκαν στους 400 C. Εικόνα 6-54:ΤRIP o C- 400 o C-1min (A1) Εικόνα 6-55:ΤRIP o C-400 o C-3mins (A2) Εικόνα 6-56:ΤRIP o C-400 o C-30mins (A3) Εικόνα 6-57: ΤRIP o C-400 o C-60mins (A10) Εικόνα 6-58: ΤRIP o C- 400 o C-180mins (A11) 134

142 Από την παρατήρηση των μικρογραφιών μπορούμε να καταλήξουμε στα εξής: 1. Αύξηση της διάρκειας παραμονής στους 400 C σημαίνει μείωση του μεγέθους κόκκου των άλλων φάσεων (εκτός του φερρίτη) καθώς και του κλάσματος όγκου αυτών εκτός της μικρογραφία των 30mins. Όπως φαίνεται και στον πίνακα 6-8 στα 30mins παρουσιάζεται μια αύξηση αλλά αυτή την αποδίδουμε στην κακής ποιότητας μεταλλογραφία. Επομένως θα θεωρήσουμε ότι η πτώση του κλάσματος όγκου των άλλων φάσεων διατηρείται και στα 30mins. 2. Αύξηση της διάρκειας παραμονής προκαλεί ποσοστιαία αύξηση καθώς και βελτίωση στη μορφολογία των κόκκων του μπαινίτη μέχρι τα 30 mins στη συνέχεια (60mins και 180mins) εμφανίζεται μείωση των κόκκων αυτού. 3. Όσον αναφορά τον ιστό της έλασης φαίνεται να διατηρείται σε όλους τους χρόνους με μια βαθμιαία πτώση όσο αυξάνεται η διάρκεια παραμονής όπως ακριβώς δηλαδή και στους 350 C. Πίνακας 6-8: Ποσοστά φάσεων που προέκυψαν από την εξέταση των μικρογραφιών με το πρόγραμμα Ιmage Pro Θερμ. Ανοπτήσεως Θερμ. Μπαιν. Βαφής TRIP 800 Διάρκεια Μπαινιτικής Βαφής (mins) Φερρίτης SD φερ. Άλλες φάσεις A1 750C 400C 1 42% ± 6 58% A2 750C 400C 3 73% ±4 27% A3 750C 400C 30 75% ±3 35% A10 750C 400C 60 74% ±2 26% A11 750C 400C % ±2 23% Στις μικρογραφίες που ακολουθούν εμφανίζεται η εξέλιξη της μπαινιτικής αντίδρασης των δοκιμίων που ανοπτήθηκαν στους 775 C και στην συνέχεια παρέμειναν στους 350 C για χρόνους από 1 έως 180mins. Από τις μικρογραφίες εξάγονται οι εξής παρατηρήσεις: 1. Αύξηση στη διάρκειας παραμονής στους 350 C σημαίνει μείωση του μεγέθους κόκκου των άλλων φάσεων (εκτός του φερρίτη) καθώς και του 135

143 κλάσματος όγκου αυτών (πίνακας 6-9). Όπως δηλαδή συνέβαινε και στα δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 750 C. 2. Σε σχέση τώρα με την εμφάνιση του μπαινίτη, η συμπεριφορά της αντίδρασης είναι παρόμοια με αυτή των 750 C δηλαδή ο μπαινίτης αρχίζει να σχηματίζεται στα 3mins ενώ στα 180mins αρχίζει μορφολογικά να αλλάζει παρουσιάζοντας μια εκλέπτυνση του κόκκου αυτού 775 C Εικόνα 6-59: ΤRIP o C-350 o C-1min (B4) Εικόνα 6-60: ΤRIP o C- 350 o C-3mins (B5) Εικόνα 6-61:ΤRIP o C-350 o C-30mins (B6) Εικόνα 6-62: ΤRIP o C- 350 o C-60mins (B7) 136

144 Εικόνα 6-63: ΤRIP o C- 350 o C-180mins (B8) 3. Ο μικροϊστός που δημιουργήθηκε κατά την έλαση φαίνεται να διατηρείται σε όλους τους χρόνους με μια βαθμιαία πτώση όσο αυξάνεται η διάρκεια παραμονής όπως ακριβώς δηλαδή και στους 750 C. Πίνακας 6-9: Ποσοστά φάσεων που προέκυψαν από την εξέταση των μικρογραφιών με το πρόγραμμα Ιmage Pro Θερμ. Ανοπτήσεως Θερμ. Μπαιν. Βαφής TRIP 800 Διάρκεια Μπαινιτικής Βαφής (mins) Φερρίτης SD φερ. Άλλες φάσεις B4 775C 350C 1 67% ±3 33% B5 775C 350C 3 66% ±2 34% B6 775C 350C 30 66% ±2 34% B7 775C 350C 60 72% ± 1 28% B8 775C 350C % ±2 27% Παρόμοιες παρατηρήσεις κάνουμε και για τις μικρογραφίες των δοκιμίων που βάφτηκαν στους 400 C. Έτσι θα μπορούσαμε να διαπιστώσουμε και εδώ μια σταδιακή μείωση του κλάσματος όγκου των άλλων φάσεων (πίνακας 6-10). Μορφολογικά ο μπαινίτης παρουσιάζεται παρόμοιος με τους 350 C με τη διαφορά ότι ο σχηματισμός του μπαινίτη αρχίζει από το 1min, ενώ στα 30min αρχίζει να αλλοιώνεται μορφολογικά, κάτι που στους 350 C παρατηρήθηκε στα 180mins. Με λίγα λόγια η αύξηση της θερμοκρασίας της μπαινιτικής βαφής φαίνεται να επιταχύνει την κινητική της μπαινιτικής αντίδρασης. Τέλος ο ιστός της έλασης φαίνεται να 137

145 εξασθενεί σημαντικά μετά τα 3mins ενώ στα 180mins φαίνεται να εξαφανίζεται εντελώς. Εικόνα 6-64:ΤRIP o C- 400 o C-1min (B1) Εικόνα 6-65: ΤRIP o C- 400 o C-3mins (B2) Εικόνα 6-66:ΤRIP o C-400 o C-30mins (B3) Εικόνα 6-67:ΤRIP o C-400 o C-60mins (B10) Εικόνα 6-68:ΤRIP o C-400 o C-180mins (B11) 138

146 Πίνακας 6-10: Ποσοστά φάσεων που προέκυψαν από την εξέταση των μικρογραφιών με το πρόγραμμα Ιmage Pro Θερμ. Ανοπτήσεως Θερμ. Μπαιν. Βαφής TRIP 800 Διάρκεια Μπαινιτικής Βαφής (mins) Φερρίτης SD φερ. Άλλες φάσεις B1 775 C 400 C 1 65% ±5 35% B2 775 C 400 C 3 69% ± 4 31% B3 775 C 400 C 30 71% ±5 29% B C 400 C 60 76% ± 2 24% B C 400 C % ± 2 24% Στην συνέχεια ακολουθεί παράθεση μικρογραφιών των δοκιμίων που ανοπτήθηκαν στους 800 C και παρέμειναν στους 350 C για 1min έως και 180mins. Από την παρατήρηση μπορούμε να καταλήξουμε στις παρακάτω τρεις σημαντικές παρατηρήσεις: 1. To κλάσμα όγκου των φάσεων που δημιουργούνται μετά την ανόπτηση φαίνεται να μειώνεται σταδιακά (πίνακας 6-11) 800 C Εικόνα 6-69:ΤRIP o C- 350 o C-1min (C4) Εικόνα 6-70:ΤRIP o C-350 o C-3mins (C5) 139

147 Εικόνα 6-71:ΤRIP o C-350 o C-30mins (C6) Εικόνα 6-72:ΤRIP o C-350 o C-60mins (C7) Εικόνα 6-73:ΤRIP o C-350 o C-180mins (C8) 2. Ο μπαινίτης αρχίζει να σχηματίζεται στα 3mins ενώ στα 60mins αρχίζει η αλλοίωσή του. 3. Ο ιστός της έλασης διατηρείται εμφανίζοντας μια σταδιακή μείωση με την αύξηση της διάρκειας παραμονής 140

148 Πίνακας 6-11: Ποσοστά φάσεων που προέκυψαν από την εξέταση των μικρογραφιών με το πρόγραμμα Ιmage Pro Θερμ. Ανοπτήσεως Θερμ. Μπαιν. Βαφής TRIP 800 Διάρκεια Μπαινιτικής Βαφής Φερρίτης SD φερ. Άλλες φάσεις C4 800C 350C 1 53% ±3 47% C5 800C 350C 3 63% ±2 37% C6 800C 350C 30 61% ± 2 39% C7 800C 350C 60 70% ±1 30% C8 800C 350C % ±2 29% Τελειώνοντας την εξέταση των μικρογραφιών των δοκιμίων που ανοπτήθηκαν στους 800 C και βάφτηκαν στους 400 C θα μπορούσαμε να υποστηρίξουμε τα εξής: Εικόνα 6-74:ΤRIP o C-400 o C-1min (C1) Εικόνα 6-75: ΤRIP o C- 400 o C-3mins (C2) Εικόνα 6-76:ΤRIP o C-400 o C-30mins (C3) Εικόνα 6-77:ΤRIP o C-400 o C-60mins (C10) 141

149 Εικόνα 6-78: ΤRIP o C- 400 o C-180mins (C11) 1. Αύξηση του χρόνου παραμονής σημαίνει μείωση του κλάσματος όγκου καθώς και του μεγέθους κόκκου των παραγομένων φάσεων (πίνακας 6-12) 2. Ο σχηματισμός του μπαινίτη αρχίζει από το 1min συνεχίζει στα 3mins ενώ μετά τα 30mins αρχίζει η αλλοίωσή του. Κάτι που σημαίνει ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας της μπαινιτικής αντίδρασης από τους 350 C στους 400 C αυξάνει και η κινητική της αντίδρασης. 3. Ως προς την παρουσία του ιστού αρχίζει να χάνεται από τα 3mins ενώ στα 180mins δεν εξαφανίζεται εντελώς. Πίνακας 6-12: Ποσοστά φάσεων που προέκυψαν από την εξέταση των μικρογραφιών με το πρόγραμμα Ιmage Pro Θερμ. Ανοπτήσεως Θερμ. Μπαιν. Βαφής TRIP 800 Διάρκεια Μπαινιτικής Βαφής (mins) Φερρίτης SD φερ. Άλλες φάσεις C4 800C 350C 1 53% ±3 47% C5 800C 350C 3 63% ±2 37% C6 800C 350C 30 61% ± 2 39% C7 800C 350C 60 70% ±1 30% C8 800C 350C % ±2 29% 142

150 6.1.4 Αποτελέσματα τεχνικής EBSD (ΑCOM) Για την καλύτερη κατανόηση της μικροδομής του υλικού μας πραγματοποιήθηκε αρχικώς λεπτομερής χαρακτηρισμός με την τεχνική ΑCOM μιας περιοχής του υλικού σε αρκετά μεγάλη μεγέθυνση ώστε να κατανοήσουμε του μηχανισμούς των μετασχηματισμών. Στην συνέχεια σαρώθηκαν μεγαλύτερες επιφάνειες ώστε να εξάγουμε πιο ασφαλή αποτελέσματα. Στην παράγραφο αυτή παρουσιάζονται οι χάρτες απεικόνισης της μικροδομής που προέκυψαν από την τεχνική EBSD καθώς και κάποια αποτελέσματα όπως το κλάσμα όγκου των φάσεων, TRIP 800AR =20 µm; BC+GB; Step=0,2 µm; Grid320x357 Εικόνα 6-79: (Band Contrast map) Χάρτης απεικόνισης των φάσεων που ανιχνεύθηκαν με την τεχνική EBSD. Mε γκρι εμφανίζεται η φάση του φερρίτη, με λευκό του ωστενίτη και με μαύρο του μπαινίτη. 143

151 το μέσο μέγεθος κόκκου, η μέγιστη και η ελάχιστη τιμή του μεγέθους του κόκκου της κάθε φάσης όπως και ο αριθμός των κόκκων που ανιχνεύθηκαν. Στην εικόνα 6-79 δίνεται ο Band Contrast Map που προέκυψε για τον χάλυβα TRIP800 AR, ενώ στην εικόνα 6-80 εμφανίζεται ο αντίστοιχος χάρτης απεικόνισης των φάσεων όπως αυτός προέκυψε για το ίδιο δοκίμιο. Τα δοκίμια που εξετάστηκαν με την τεχνική αυτή ήταν της σειράς C και συγκεκριμένα παρατίθενται τα δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 800 o C για 15mins και στη συνέχεια βάφτηκαν τους 400 o C για 1min,3mins,30mins,60mins και 180mins. =20 µm; Phases; Step=0,2 µm; Grid320x357 Εικόνα 6-80: Χάρτης απεικόνισης των φάσεων που ανιχνεύθηκαν με την τεχνική EBSD για τον χάλυβα αναφοράς (ΤRIP800 AR). Mε κόκκινο εμφανίζεται η φάση του φερρίτη, με μπλε του ωστενίτη, με πράσινο του μπαινίτη και με κίτρινο του μαρτενσίτη 144

152 Πίνακας 6-13 : Χαρακτηριστικά μεγέθη κόκκων που προέκυψαν από την τεχνική EBSD Φερρίτης Ωστενίτης Μπαινίτης Μαρτενσίτης Κλάσμα όγκου (%) Μέσο Μέγεθος Κόκκου d (μm) Μέσο Μέγεθος Κόκκου Area (μm²) Μin (μm²) Max (μm²) Σύνολο κόκκων (Ν) Στον πίνακα 6-13 εμφανίζονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη των φάσεων του φερρίτη, του ωστενίτη, του μπαινίτη και του μαρτενσίτη όπως αυτά μετρήθηκαν με την τεχνική EBSD για τον χάλυβα TRIP800AR. Στοιχεία για τα χαρακτηριστικά του κόκκου των φάσεων του μπαινίτη καθώς και του μαρτενσίτη δεν μετρήθηκαν διότι το κλάσμα όγκου που ανιχνεύθηκε ήταν αμηλητέο. Για το λόγο αυτό παραθέτονται στοιχεία μόνο για τις φάσεις του φερρίτη και του ωστενίτη. Στην εικόνα 6-81 δίνεται το ιστόγραμμα της διαμέτρου των κόκκων που ανιχνεύθηκαν σε συνάρτηση με το πλήθος αυτών. Εικόνα 6-81: Ιστόγραμμα απεικόνισης της κατανομής της διαμέτρου του κόκκου σε σχέση με το πλήθος των ανιχνεύσιμων κόκκων που προέκυψε από την τεχνική EBSD 145

153 Στην εικόνα 6-82 παρουσιάζεται ο χάρτης που προέκυψε με βάση τις ατέλειες του πλέγματος που εντοπίστηκαν στο κάθε κόκκο. Ενώ στα ιστογράμματα που ακολουθούν δίνεται και η κατανομή των μεγεθών αυτών για τις φάσεις του φερρίτη και του ωστενίτη. =20 µm; Recrystallized Fraction; Step=0,2 µm; Grid320x357 Εικόνα 6-82: Χάρτης απεικόνισης των φάσεων που ανιχνεύθηκαν με την τεχνική EBSD για τον χάλυβα αναφοράς (ΤRIP800 AR). Mε μπλε χρώμα εμφανίζονται οι κόκκοι με τις λιγότερες ατέλειες πλέγματος (lattice defect), με κίτρινο χρώμα οι κόκκοι λίγο περισσότερες, ενώ με κόκκινο εμφανίζονται οι κόκκοι με τις περισσότερες ατέλειες. 146

154 α) β) Εικόνα 6-83: Ιστογράμματα απεικόνισης των κόκκων που ανιχνεύθηκαν χωρίς ατέλειες (recrystallized) με ενδιάμεσο αριθμό ατελειών υποδομή (substructured) και με αρκετές ατέλειες πλέγματος (deformed) για τις φάσεις του φερρίτη (α) και του ωστενίτη (β), που ανιχνεύθηκαν με την τεχνική EBSD για τον χάλυβα αναφοράς. ΔΟΚΙΜΙΟ C1(1min) =20 µm; Phases; Step=0,2 µm; Grid320x

155 Εικόνα 6-84 : Χάρτης απεικόνισης των φάσεων που ανιχνεύθηκαν με την τεχνική EBSD για τον χάλυβα TRIP 800 C1. Mε κόκκινο εμφανίζεται η φάση του φερρίτη, με μπλε του ωστενίτη, με πράσινο του μπαινίτη και με κίτρινο του μαρτενσίτη Πίνακας 6-14 : Χαρακτηριστικά μεγέθη κόκκων που προέκυψαν από την τεχνική EBSD Φερρίτης Ωστενίτης Μπαινίτης Μαρτενσίτης Κλάσμα όγκου (%) Μέσο Μέγεθος Κόκκου d (μm) Μέσο Μέγεθος Κόκκου Area (μm²) Min (μm²) Max (μm²) Σύνολο κόκκων (Ν)

156 ΔΟΚΙΜΙΟ C2(3mins) =20 µm; Phases; Step=0,2 µm; Grid320x325 Εικόνα 6-85: Χάρτης απεικόνισης των φάσεων που ανιχνεύθηκαν με την τεχνική EBSD. Mε κόκκινο εμφανίζεται η φάση του φερρίτη, με μπλε του ωστενίτη, με πράσινο του μπαινίτη και με κίτρινο του μαρτενσίτη Πίνακας 6-15: Χαρακτηριστικά μεγέθη κόκκων που προέκυψαν από την τεχνική EBSD Φερρίτης Ωστενίτης Μπαινίτης Μαρτενσίτης Κλάσμα όγκου (%) Μέσο Μέγεθος Κόκκου d (μm) Μέσο Μέγεθος Κόκκου Area (μm²) Min (μm²) Max (μm²) Σύνολο κόκκων (Ν)

157 ΔΟΚΙΜΙΟ C3(30mins) =20 µm; Phases; Step=0,2 µm; Grid320x325 Εικόνα 6-86 : Χάρτης απεικόνισης των φάσεων που ανιχνεύθηκαν με την τεχνική EBSD. Mε κόκκινο εμφανίζεται η φάση του φερρίτη, με μπλε του ωστενίτη, με πράσινο του μπαινίτη και με κίτρινο του μαρτενσίτη Πίνακας 6-16: Χαρακτηριστικά μεγέθη κόκκων που προέκυψαν από την τεχνική EBSD Φερρίτης Ωστενίτης Μπαινίτης Μαρτενσίτης Κλάσμα όγκου (%) Μέσο Μέγεθος Κόκκου d (μm) Μέσο Μέγεθος Κόκκου Area (μm²) Min (μm²) Max (μm²) Σύνολο κόκκων (Ν)

158 ΔΟΚΙΜΙΟ C10(60mins) =20 µm; Phases; Step=0,2 µm; Grid320x356 Εικόνα 6-87: Χάρτης απεικόνισης των φάσεων που ανιχνεύθηκαν με την τεχνική EBSD. Mε κόκκινο εμφανίζεται η φάση του φερρίτη, με μπλε του ωστενίτη, με πράσινο του μπαινίτη και με κίτρινο του μαρτενσίτη Πίνακας 6-17: Χαρακτηριστικά μεγέθη κόκκων που προέκυψαν από την τεχνική EBSD Φερρίτης Ωστενίτης Μπαινίτης Μαρτενσίτης Κλάσμα όγκου (%) Μέσο Μέγεθος Κόκκου d (μm) Μέσο Μέγεθος Κόκκου Area (μm²) Min (μm²) Max (μm²) Σύνολο κόκκων (Ν)

159 ΔΟΚΙΜΙΟ C11(180mins) =20 µm; Phases; Step=0,2 µm; Grid318x375 Εικόνα 6-88: Χάρτης απεικόνισης των φάσεων που ανιχνεύθηκαν με την τεχνική EBSD. Mε κόκκινο εμφανίζεται η φάση του φερρίτη, με μπλε του ωστενίτη, με πράσινο του μπαινίτη και με κίτρινο του μαρτενσίτη Πίνακας 6-18: Χαρακτηριστικά μεγέθη κόκκων που προέκυψαν από την τεχνική EBSD Φερρίτης Ωστενίτης Μπαινίτης Μαρτενσίτης Κλάσμα όγκου (%) Μέσο Μέγεθος Κόκκου d (μm)

160 Μέσο Μέγεθος Κόκκου Area (μm²) Min (μm²) Max (μm²) Σύνολο κόκκων (Ν) Πίνακας 6-19: Χαρακτηριστικά μεγέθη κόκκων που προέκυψαν από την τεχνική EBSD για του διαφορετικούς χρόνους παραμονής στην μπαινιτική περιοχή Φερρίτης 1min 3mins 30mins 60mins 180mins Κλάσμα όγκου (%) Μέσο Μέγεθος Κόκκου d (μm) Μέσο Μέγεθος Κόκκου Area (μm²) Max (μm²) Σύνολο κόκκων (Ν) Ωστενίτης 1min 3mins 30mins 60mins 180mins Κλάσμα όγκου (%) Μέσο Μέγεθος Κόκκου d (μm) Μέσο Μέγεθος Κόκκου Area (μm²) Max (μm²) Σύνολο κόκκων (Ν) Μπαινίτης 1min 3mins 30mins 60mins 180mins Κλάσμα όγκου (%)

161 Μέσο Μέγεθος Κόκκου d (μm) Μέσο Μέγεθος Κόκκου Area (μm²) Max (μm²) Σύνολο κόκκων (Ν) Αποτελέσματα Μηχανικών Ιδιοτήτων Αποτελέσματα Σκληρομετρήσεων Στους πίνακες που ακολουθούν παρατίθενται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις μετρήσεις της σκληρότητας (μάκρο) με το σκληρόμετρο Vickers. Πραγματοποιήθηκαν 12 μετρήσεις ανά δοκίμιο οι 8 στο κέντρο του δοκιμίου και οι άλλες 4 στα άκρα. Από τις μετρήσεις εξήχθη ο μέσος όρος αυτών καθώς και η τυπική απόκλιση που φαίνονται στους πίνακες 6-20 για τους χάλυβες που εξετάσαμε. 154

162 Πίνακας 6-20: Μέσες τιμές (12 μετρήσεις) σκληρότητας Vickers των θερμικά κατεργασμένων δοκιμίων του χάλυβα TRIP800 καθώς και οι τυπικές αποκλίσεις αυτών. Στην τελευταία γραμμή (TRIP800 AR) εμφανίζεται η μέση σκληρότητα και η τυπική απόκλιση του αρχικού υλικού Θερμοκρασία Ανοπτήσεως TRIP 800 Θερμοκρασία Μπαιν. Βαφής Διάρκεια Μπαινιτικής Βαφής A1 750C 400C ± 9 A2 750C 400C ± 4 A3 750C ± 6 A10 750C 400C ± 5 A11 750C 400C ± 4 A4 750C 350C ± 4 A5 750C 350C ± 6 A6 750C 350C ± 5 A7 750C 350C ± 4 A8 750C 350C ± 7 A9 750C 300C ± 9 HV SD B1 775C 400C ± 9 B2 775C 400C ± 7 B3 775C 400C ± 6 B10 775C 400C ± 6 B11 775C 400C ± 2 B4 775C 350C ± 7 B5 775C 350C ± 4 B6 775C 350C ± 6 B7 775C 350C ±10 B8 775C 350C ±10 B9 775C 300C ±10 C1 800C 400C ± 4 C2 800C 400C ± 8 C3 800C 400C ± 4 C10 800C 400C ± 7 C11 800C 400C ± 5 C4 800C 350C ± 4 C5 800C 350C ± 9 C6 800C 350C ± 3 C7 800C 350C ±10 C8 800C 350C ± 9 C9 800C 300C ±10 TR800 AR 237 ± 7 155

163 Στην συνέχεια ακολουθούν διαγράμματα εξέλιξης της σκληρότητας σε σχέση με παράγοντες που επηρεάζουν την τελική μικροδομή και τις τελικές μηχανικές ιδιότητες. Τα διαγράμματα δημιουργήθηκαν και παρατίθενται με τέτοια σειρά ώστε να βοηθήσουν τον αναγνώστη στην μελέτη τους, με βάση την ικανοποίηση του δεύτερου σκοπού της διδακτορικής διατριβής που αναφέρεται στο Κεφ.4. Από τις φάσεις που υπάρχουν στο υλικό μας, τα χαρακτηριστικά των οποίων έχουν αναπτυχθεί στο Κεφ.3, θα μπορούσαμε να υποστηρίξουμε ότι ο φερρίτης και ο ωστενίτης αποτελούν μαλακές φάσεις ενώ ο μπαινίτης, ο μαρτενσίτης όπως και τα καρβίδια αποτελούν τις πιο σκληρές φάσεις στο υλικό. Επομένως η παρουσία αυξημένου κλάσματος όγκου μαλακών φάσεων ρίχνει την τιμή της σκληρότητας ενώ όσο το ποσοστό μειώνεται, αυξάνεται το κλάσμα όγκου των σκληρότερων φάσεων και επομένως αυξάνει και η σκληρότητα. Βέβαια σημαντικό παράγοντα μεταβολής της σκληρότητας πέρα από το κλάσμα όγκου, αποτελεί τόσο το μέγεθος των δευτερευόντων φάσεων (μαλακών και μη) όσο και η κατανομή τους στο υλικό. Άρα με την μέτρηση της σκληρότητας δεν μπορεί κάποιος να εξάγει ασφαλή συμπεράσματα για τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού, αλλά μπορεί να την χρησιμοποιήσει σε συνδυασμό και με άλλα αποτελέσματα ώστε να επιβεβαιώσει τη μηχανική συμπεριφορά του υλικού. 156

164 ΜΕΛΕΤΗ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΑΝΟΠΤΗΣΗΣ ΣΤΗΝ ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑ TRIP800 Εικόνα 6-89: Συγκριτικό διάγραμμα σκληρότητας-θερμοκρασίας ανόπτησης, χάλυβα TRIP800 που έχει παραμείνει στη θερμοκρασία μπαινιτικού μετασχηματισμού για 1min Από την εξέταση του παραπάνω διαγράμματος που μας δίνει τη σχέση ανάμεσα στη σκληρότητα με τη θερμοκρασία ανόπτησης μπορούν να εξαχθούν τα εξής συμπεράσματα: Αύξηση της θερμοκρασίας ανόπτησης δεν φαίνεται να επηρεάζει την τιμή της σκληρότητας για τον χάλυβα που βάφτηκε στους 400 ο C ενώ για τον χάλυβα που βάφτηκε στους 350 ο C αρχικώς φαίνεται να μην μεταβάλλεται αλλά στους 800 ο C αυξάνεται υπερβολικά η τιμή του. Αύξηση στη θερμοκρασία μπαινιτικής βαφής σημαίνει αύξηση στη σκληρότητα για τις θερμοκρασίες ανόπτησης των 750 ο C και 775 ο C ενώ στους 800 ο C συμβαίνει το αντίθετο 157

165 ΜΕΛΕΤΗ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΜΠΑΙΝΙΤΙΚΗΣ ΒΑΦΗΣ ΣΤΗΝ ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑ TRIP800 Εικόνα 6-90: Διάγραμμα σκληρότητας-θερμοκρασίας μπαινιτικής βαφής για χάλυβα TRIP800 που έχει παραμείνει στη θερμοκρασία αυτή για 1min Από την εξέταση του παραπάνω διαγράμματος που μας δίνει τη σχέση ανάμεσα στη σκληρότητα με τη θερμοκρασία μπαινιτικής βαφής μπορούν να εξαχθούν τα εξής συμπεράσματα: Αύξηση στη θερμοκρασία μπαινιτικής βαφής για διάρκεια παραμονής 1min. σε αυτή, σημαίνει αύξηση στη σκληρότητα για τις θερμοκρασίες ανοπτήσεως των 750 ο C και 775 ο C ενώ στους 800 ο C συμβαίνει το αντίθετο Αύξηση της θερμοκρασίας ανόπτησης σημαίνει και αύξηση στη σκληρότητα για τον χάλυβα που βάφτηκε στους 350 ο C ενώ για τον χάλυβα που βάφτηκε στους 400 ο C δεν φάνηκε να μεταβάλλεται η τιμή. 158

166 Εικόνα 6-91: Διάγραμμα σκληρότητας-θερμοκρασίας μπαινιτικής βαφής για χάλυβα TRIP800 που έχει παραμείνει στη θερμοκρασία αυτή για 3mins Για τα δοκίμια που βάφτηκαν για 3mins. στις θερμοκρασίες των 350 ο C και 400 ο C Αύξηση στη θερμοκρασία μπαινιτικής βαφής για διάρκεια παραμονής 3min. σε αυτή, σημαίνει μείωση στη σκληρότητα για όλες τις θερμοκρασίες ανοπτήσεως Αύξηση της θερμοκρασίας ανόπτησης σημαίνει και αύξηση στη σκληρότητα για όλες τις θερμοκρασίες μπαινιτικής βαφής 159

167 Εικόνα 6-92: Διάγραμμα σκληρότητας-θερμοκρασίας μπαινιτικής βαφής για χάλυβα TRIP800 που έχει παραμείνει στη θερμοκρασία αυτή για 30mins Από την εξέταση του παραπάνω διαγράμματος που μας δίνει τη σχέση ανάμεσα στη σκληρότητα με τη θερμοκρασία μπαινιτικής βαφής για τον χάλυβα TRIP800 μπορούν να εξαχθούν τα εξής συμπεράσματα: Αύξηση στη θερμοκρασία μπαινιτικής βαφής για διάρκεια παραμονής 30min. σε αυτή, σημαίνει μείωση στη σκληρότητα για την θερμοκρασία ανοπτήσεως των 750 ο C, μείωση για την θερμοκρασία των 775 ο C στους 350 ο C και μετά μια μικρή αύξηση που εμπίπτει στα όρια του σφάλματος οπότε μπορούμε να θεωρήσουμε και εδώ πτώση στη σκληρότητα με την αύξηση στη θερμοκρασία μπαινιτικής βαφής, ενώ στους 800 ο C έχουμε αρχικώς μια μικρή αύξηση και στη συνέχεια μια δραματική πτώση. Επομένως και εδώ πρέπει να είμαστε προσεκτικοί με την ερμηνεία του αποτελέσματος. Γενικώς θα μπορούσαμε να υποστηρίξουμε ότι με αύξηση στη θερμοκρασία μπαινιτικής βαφής έχουμε και πτώση στη σκληρότητα Εάν συγκρίνουμε τις δύο καμπύλες των 750 ο C (μπλε χρώμα) καθώς και των 800 ο C (πράσινο χρώμα) θα μπορούσαμε να υποστηρίξουμε ότι με 160

168 αύξηση της θερμοκρασίας ανόπτησης έχουμε και αύξηση στη σκληρότητα. Τώρα για την καμπύλη των 775 ο C δεν μπορούμε να βγάλουμε ασφαλή συμπεράσματα και εξαιτίας του γεγονότος ότι οι τιμές είναι πολύ κοντά με την καμπύλη των 800 ο C θα καταλήξουμε και εδώ ότι με άνοδο της θερμοκρασίας ανόπτησης έχουμε πτώση και στην τιμή της σκληρότητας και για τα 30mins. ΜΕΛΕΤΗ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΧΡΟΝΟΥ ΠΑΡΑΜΟΝΗΣ ΣΤΗΝ ΜΠΑΙΝΙΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ TRIP800 Εικόνα 6-93: Συγκριτικό Διάγραμμα Σκληρότητας - Χρόνου παραμονής στην μπαινιτική περιοχή (400 C) για τον χάλυβα TRIP800 και για τις τρεις θερμοκρασίες ανόπτησης Από την εξέταση του παραπάνω διαγράμματος που δείχνει τη σχέση ανάμεσα στη σκληρότητα και στο χρόνο παραμονής στην μπαινιτική περιοχή (400 o C) μπορούν να εξαχθούν τα εξής συμπεράσματα: 161

169 Αύξηση στο χρόνο παραμονής στην μπαινιτκή περιοχή γενικά συνεπάγεται και πτώση στην τιμή της σκληρότητας με μια σταθεροποίηση στην τιμή και για τις τρείς καμπύλες μετά τα 30mins. Στην μόνη καμπύλη που παρατηρείται μια αύξηση είναι σε αυτή των στα 60mins. Αύξηση στη θερμοκρασία ανόπτησης θα μπορούσαμε να υποστηρίξουμε ότι για το 1min. δεν επηρεάζει την σκληρότητα, για τα 3mins,30mins και 60mins παρουσιάζεται αύξηση στη σκληρότητα, ενώ για τα 180mins παρατηρείται μια πτώση της τιμής των Εικόνα 6-94: Συγκριτικό Διάγραμμα Σκληρότητας - Χρόνου παραμονής στην μπαινιτική περιοχή (350 C) για τον χάλυβα TRIP800 και για τις τρεις θερμοκρασίες ανόπτησης Από την εξέταση του παραπάνω διαγράμματος που δείχνει τη σχέση ανάμεσα στη σκληρότητα και στο χρόνο παραμονής στην μπαινιτική περιοχή (350 o C) μπορούν να εξαχθούν τα εξής συμπεράσματα: Αύξηση στο χρόνο παραμονής στην μπαινιτκή περιοχή γενικά συνεπάγεται και πτώση στην τιμή της σκληρότητας και για τις τρείς 162

170 καμπύλες. Στην μόνη καμπύλη που παρατηρείται μια μικρή αύξηση είναι σε αυτή των στα 3mins. Αύξηση στη θερμοκρασία ανόπτησης θα μπορούσαμε να υποστηρίξουμε ότι για το 1min, 3mins, 30mins και 180mins έχουμε αύξηση στη σκληρότητα, ενώ για τα 60mins δεν φαίνεται η αύξηση της θερμοκρασίας ανόπτησης να επηρεάζει μια πτώση την τιμή της σκληρότητας ενώ ισχύει και εδώ η μικρή αύξηση που παρατηρείται. 163

171 6.2.2 Αποτελέσματα Εφελκυσμών Ο πίνακας που ακολουθεί δίνει τις τιμές των μηχανικών ιδιοτήτων που υπολογίστηκαν μέσω των τιμών των σκληροτήτων που μετρήθηκαν. Πίνακας 6-21: Τιμές μηχανικών ιδιοτήτων που προέκυψαν από τις τιμές των μακροσκληροτήτων TRIP 800 HV YS (MPa) UTS (MPa) A A A A A A A A A A A HV YS (MPa) UTS (MPa) B B B B B B B B B B B HV YS (MPa) UTS (MPa) C C C C C C C C C C C TRIP 800AR TRIP

172 Εικόνα 6-95: Συγκριτικό Διάγραμμα ορίου θραύσης- Χρόνου παραμονής στην μπαινιτική περιοχή (350 C) για τον χάλυβα TRIP800 και για τις τρεις θερμοκρασίες ανόπτησης Από την εξέταση του παραπάνω διαγράμματος που δείχνει τη σχέση ανάμεσα στη σκληρότητα και στο χρόνο παραμονής στην μπαινιτική περιοχή (350 o C) για τον χάλυβα TRIP800 μπορούν να εξαχθούν τα εξής συμπεράσματα: Αύξηση στο χρόνο παραμονής στην μπαινιτκή περιοχή γενικά συνεπάγεται και πτώση στην τιμή του ορίου θραύσης. Στην μόνη καμπύλη που παρατηρείται μια αύξηση είναι σε αυτή των στα 180mins. στα οποία η τιμή αυξάνεται σημαντικά. Την ίδια παρατήρηση είχαμε κάνει και για το δοκίμιο τον χάλυβα ΤRIP600. Αύξηση στη θερμοκρασία ανόπτησης θα μπορούσαμε να υποστηρίξουμε ότι παρουσιάζει και αύξηση στη σκληρότητα για όλους περίπου τους χρόνους παραμονής. 165

173 Εικόνα 6-96: Συγκριτικό Διάγραμμα ορίου θραύσης- Χρόνου παραμονής στην μπαινιτική περιοχή (400 C) για τον χάλυβα TRIP800 και για τις τρεις θερμοκρασίες ανόπτησης Από την εξέταση του παραπάνω διαγράμματος που δείχνει τη σχέση ανάμεσα στη σκληρότητα και στο χρόνο παραμονής στην μπαινιτική περιοχή (400 o C) για τον χάλυβα TRIP800 μπορούν να εξαχθούν τα εξής συμπεράσματα: Αύξηση στο χρόνο παραμονής στην μπαινιτκή περιοχή γενικά συνεπάγεται και πτώση στην τιμή του ορίου θραύσης. Αύξηση στη θερμοκρασία ανόπτησης θα μπορούσαμε να υποστηρίξουμε ότι δεν εμφανίζει καμία μεταβολή στη τιμή της σκληρότητας για τους χρόνους 1min και 3mins, αύξηση στη σκληρότητα για τους χρόνους των 30mins, 60mins και 180mins με την διαφορά η καμπύλη των να παρουσιάζει πτώση μικρή στα 30min και μεγαλύτερη στα 180mins. 166

174 6.3 Αποτελέσματα Μαγνητικών Μετρήσεων Η μαγνήτιση σε συνάρτηση με το μαγνητικό πεδίο που εφαρμόστηκε μετρήθηκε σε τρία δοκίμια του χάλυβα ΤRIP 800. Από τις μετρήσεις προέκυψαν οι καμπύλες μαγνήτισης που φαίνονται στο διάγραμμα που ακολουθεί. Εικόνα 6-97: Διάγραμμα μαγνητικών μετρήσεων χάλυβα TRIP800. ARma: χάλυβας TRIP μετά από βαφή σε νερό, ARt: χάλυβας μετά από εφελκυσμό, AR: χάλυβας αναφοράς που έχει παραχθεί εργοστασιακά Από τις τρείς καμπύλες η ΑRma είναι εκείνη που προέκυψε από το δοκίμιο το οποίο αποψύχθηκε ταχέως σε νερό και αναμέναμε να μην έχει ή να περιέχει πολύ μικρό κλάσμα όγκου ωστενίτη (παραμαγνητική φάση). Αυτό θεωρήθηκε ως δοκίμιο αναφοράς και με βάση αυτό υπολογίστηκαν τα κλάσματα όγκου ωστενίτη των υπόλοιπων δοκιμίων σύμφωνα με την σχέση 5.7. Από τις τιμές προέκυψε ο ακόλουθος πίνακας. 167

175 Πίνακας 6-22: Κλάσμα όγκου ωστενίτη μετρούμενο από μαγνητικές μετρήσεις με μαγνητόμετρο SQUID. Οπου Τ η θερμοκρασία στην οποία πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις, Μ s η μέση τιμή της μαγνητικής διαπερατότητας (magnetization saturation) του τμήματος της καμπύλης c-d και f γ το κλάσμα όγκου του υπολειπόμενου ωστενίτη. TRIP 800 Τ( ο Κ) Μ S f γ (%) ARma (δοκίμιο αναφοράς) Art AR

176 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ 7.1 Ανάπτυξη και βελτίωση των πειραματικών τεχνικών Συζήτηση τεχνικής περίθλασης ακτινών Χ Παρά το γεγονός ότι η μέτρηση του κλάσματος όγκου του ωστενίτη σε χάλυβες με τυχαίο ή σχεδόν τυχαίο κρυσταλλογραφικό ιστό (texture) έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά σε αρκετές έρευνες που συναντάμε στην βιβλιογραφία [172] τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις μετρήσεις μας δεν μπόρεσαν να μας βοηθήσουν. Η παρουσία θορύβου σε αρκετά φάσματα που επικάλυπτε την ίδια την κορυφή του ωστενίτη όπως επίσης και το μικρό κλάσμα όγκου του υπολειπόμενου ωστενίτη σε αρκετά δοκίμια είχε ως συνέπεια σε αρκετές περιπτώσεις να μην μπορεί ούτε καν να ανιχνευθεί. Για το λόγο αυτό από τα αποτελέσματα μπορούμε μόνο να εκμεταλλευτούμε τη τάση που εμφανίζουν τα φάσματα στην αύξηση ή μη της κορυφής του ωστενίτη. Για ακριβή αποτελέσματα μέτρησης του κλάσματος όγκου του ωστενίτη κρίνουμε ότι η μέθοδος είναι ακατάλληλη και δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ειδικά σε δοκίμια με ισχυρό κρυσταλλογραφικό ιστό όπως ήταν και αρκετά από τα δικά μας. Πάντως για βελτίωση των μετρήσεων προτείνεται η χρήση λάμπας Co και μείωση του βήματος σάρωσης. Όσον αναφορά τα αποτελέσματα που προέκυψαν καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο επικουρικά σαν επιβεβαίωση αποτελεσμάτων άλλων τεχνικών Συζήτηση οπτικής μικροσκοπίας Από την εξέταση στο οπτικό μικροσκόπιο καταλήξαμε ότι η πλέον αποτελεσματική μέθοδος αποκάλυψης της μικροδομής των χαλύβων TRIP είναι η προτιμητέα προσβολή των φάσεων με χρωματική αντίθεση (colour οr tint etchant) χρησιμοποιώντας διάλυμα μετασουλφιδίου του νατρίου αφού βέβαια προηγουμένως έχει προσβληθεί με Νital. Με το αντιδραστήριο αυτό καταφέραμε τον πλήρη διαχωρισμό των φάσεων του υλικού με τον ωστενίτη να εμφανίζεται λευκός, το φερρίτη κίτρινο ή καφέ και τον μπαινίτη μαύρο. Ανάλογα με την διάρκεια παραμονής μέσα στο αντιδραστήριο ο φερρίτης χρωματίζεται πιο έντονα ή λιγότερο. 169

177 Από την εξέταση των μικρογραφιών με το πρόγραμμα Image Pro για την μέτρηση του κλάσματος όγκου της κάθε φάσεως προέκυψε ότι ο διαχωρισμός ήταν αρκετά ευδιάκριτος και επομένως εφικτός, αλλά χρειάζεται μεγαλύτερη μεγέθυνση για να εξαχθεί ένα πιο ασφαλές συμπέρασμα. Η χρησιμοποίηση τουλάχιστον φακού με μεγέθυνση x1000 κρίνεται αναγκαία για την εξέταση, διότι εξαιτίας των θερμικών κατεργασιών, όταν το μέγεθος κόκκου του ωστενίτη μειωνόταν αρκετά τότε ο διαχωρισμός του ήταν ιδιαιτέρως δύσκολος με τη χρήση φακού με μεγέθυνση x500. Πάντως η χρήση του οπτικού μικροσκοπίου για μια πρώτη εκτίμηση του κλάσματος όγκου των φάσεων αποτελεί μια πολύ καλή επιλογή διότι και πολύ καλό διαχωρισμό επιτυγχάνει αλλά και αποτελεί μια εύκολη, γρήγορη και οικονομική τεχνική εξέτασης της μικροδομής. Σαν βελτίωση της μεθόδου σε σχέση με αυτά που αναφέρονται στην βιβλιογραφία θα προτείναμε την προσβολή με Νital για χρόνο μεγαλύτερο (15sec) πριν την προσβολή με 10% Νa 2 S 2 O 5 καθώς και την μείωση της συγκέντρωσης του διαλύματος από 10% σε 5% όταν η μικροδομή είναι αρκετά λεπτοκρυσταλλική. Συγκεκριμένα παρατηρήθηκε ότι πολύ μικροί κόκκοι ωστενίτη δεν γινόταν διακριτοί με τη χρήση διαλύματος 10% Νa 2 S 2 O 5 ενώ όταν μειώθηκε η συγκέντρωση τότε κατέστη δυνατή η παρατήρησή τους. Η τεχνική Le Pera δεν έδωσε τα αναμενόμενα αποτελέσματα ενώ και σαν τεχνική ήταν ιδιαιτέρως ευαίσθητη και δύσκολη Συζήτηση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας (SEM) Η εξέταση των μικρογραφιών που προέκυψαν από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο έδειξε ότι αρχικά δεν ήταν δυνατός ο διαχωρισμός όλων των φάσεων. Ο φερρίτης ήταν εύκολα διακριτός ενώ και ο μπαινίτης εξαιτίας της μορφολογίας του ήταν εύκολα διαχωρίσιμος. Προβλήματα συναντήσαμε στο διαχωρισμό του ωστενίτη με τον μαρτενσίτη που εμφάνιζαν σχεδόν την ίδια εικόνα στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Για το λόγο αυτό επιλέχθηκε να εφαρμοστεί η τεχνική που αναπτύχθηκε από τον Girault et al. [178] σύμφωνα με την οποία τα δοκίμια πριν την εξέτασή τους στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο εισάγονται στο φούρνο για 2 ώρες στους 200 o C ώστε να διαχωριστούν μορφολογικά οι δύο φάσεις. Με λίγα λόγια πραγματοποιείται το πρώτα στάδιο της επαναφοράς (tempering) του χάλυβα στο οποίο έχουμε προκατακρήμνιση του καρβιδίου-ε μέσα στη μήτρα του μαρτενσίτη. Η παρουσία αυτή του καρβιδίου διαφοροποιεί τη φάση 170

178 του μαρτενσίτη από αυτή του ωστενίτη χωρίς να επηρεάζει το ποσοστό του ωστενίτη το οποίο παραμένει το ίδιο όπως άλλωστε διαπιστώνει και στη μελέτη του ο Girault [179]. Με την εφαρμογή αυτή της μεθόδου ήταν δυνατή η διάκριση του ωστενίτη από τον μαρτενσίτη. Συγκεκριμένα δημιουργήθηκε ένα ανάγλυφο εσωτερικά στη φάση του μαρτενσίτη κάτι που τον διαχώριζε από τον ωστενίτη. Επομένως με τη χρήση του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου μπορεί κανείς να αποκαλύψει πλήρως τη μικροδομή των χαλύβων TRIP. Ωστόσο για την πλήρη κατανόηση των φαινομένων η χρήση TEM κρίνεται αναγκαία διότι μόνο με αυτό μπορεί κανείς να παρατηρήσει διαταραχές, διδυμίες καθώς και την υποδομή (substructure) του μπαινίτη (πλακίδια μπαινιτικού φερρίτη με υπολειπόμενο ωστενίτη) Συζήτηση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας οπισθοσκεδαζόμενων ηλεκτρονίων (EBSD) Η τεχνική ΕBSD αποτελεί μια αξιόπιστη λύση για την απεικόνιση της μικροδομής. Πέρα από την αναγνώριση των φάσεων μπορεί να δώσει πληροφορίες τόσο για τον προσανατολισμό των κόκκων όσο και για την ύπαρξη ή όχι μικροϊστού. Στους χάλυβες TRIP χρησιμοποιήθηκε για την απεικόνιση της μικροδομής καθώς και για την μέτρηση του κλάσματος όγκου των φάσεων του υλικού. Επίσης δίνει πληροφορίες για το μέγεθος κόκκου των φάσεων ένα ιδιαιτέρως σημαντικό στοιχείο για τους χάλυβες TRIP διότι η μηχανική συμπεριφορά τους εξαρτάται και από το μέγεθος κόκκου του υπολειπόμενου ωστενίτη. Επομένως η μέτρηση του μεγέθους αυτού κρίνεται ιδιαιτέρως σημαντική. Στην εργασία χρησιμοποιήθηκε για την αναγνώριση της φάσης του μπαινίτη χρησιμοποιώντας τη σχέση προσανατολισμού του ωστενίτη με τον μπαινίτη καθώς μπορεί να την αναγνωρίσει. Επίσης από την ποιότητα του σήματος μπορεί κανείς εμμέσως να εξάγει συμπεράσματα για την ύπαρξη ή όχι διαταραχών κάτι που επιβεβαιώθηκε και στην έρευνά μας. Παρότι έγινε σημαντική προσπάθεια για την αναγνώριση της φάσης του μαρτενσίτη από το όργανο, κάτι τέτοιο δεν κατέστη δυνατό. Υπήρξαν κάποια ενθαρρυντικά αποτελέσματα αλλά σε καμία περίπτωση δεν αναγνωρίστηκε πλήρως. Ωστόσο η τεχνική αποτελεί ίσως μαζί με τις μαγνητικές την πιο αξιόπιστη λύση για την μέτρηση του κλάσματος όγκου τόσο του ωστενίτη όσο και των άλλων φάσεων. Αρνητικό της 171

179 μεθόδου αποτελεί η δύσκολη και δαπανηρή προετοιμασία του δοκιμίου η οποία πρέπει να πραγματοποιηθεί με ιδιαίτερη προσοχή διότι η έλλειψη ποιότητας στην επιφάνεια των δοκιμίων επηρεάζει άμεσα και τα αποτελέσματα του οργάνου. Για την μελέτη πολυφασικών χαλύβων η χρήση της μεθόδου συνίσταται ανεπιφύλακτα Συζήτηση μακροσκληρομέτρησης Η μέτρηση της σκληρότητας αποτελεί μια εύκολη διαδικασία από την οποία μπορεί κάποιος να εξάγει συμπεράσματα για τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού. Προβλήματα παρουσιάστηκαν εξαιτίας της απανθράκωσης που υπέστησαν τα δοκίμια κατά τη θερμική κατεργασία με αποτέλεσμα να εμφανίζεται διαφορετική τιμή σκληρότητας στα άκρα των δοκιμίων και άλλη στη μέση. Το φαινόμενο αυτό δεν παρατηρήθηκε σε όλα τα δοκίμια. Αντιμετωπίστηκε παίρνοντας μετρήσεις μόνο από το κέντρο στα δοκίμια αυτά. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στην προετοιμασία των δοκιμίων και ιδιαίτερα κατά την λείανση. Η επιφάνεια που θα γίνει η μέτρηση πρέπει να είναι εντελώς παράλληλη με την επιφάνεια της τράπεζας. Έστω και μικρή γωνία μπορεί να προκαλέσει παραμόρφωση της πυραμίδας και επομένως αλλοίωση στην μέτρηση. Η συσχέτιση της σκληρότητας με μαθηματικό τύπο για την εκτίμηση του ορίου θραύσης και του ορίου διαρροής έδειξε να δίνει αποτελέσματα αρκετά κοντά στις πραγματικές τιμές. Σε καμία περίπτωση όμως δεν μπορεί να αντικαταστήσει τις δοκιμές εφελκυσμού. Η μακροσκληρομέτρηση προτείνεται σε περιπτώσεις που δεν υπάρχει αρκετό υλικό για την πραγματοποίηση εφελκυσμών. Μπορεί όμως να χρησιμοποιηθεί μαζί με τις δοκιμές εφελκυσμού για την εξέταση των μηχανικών ιδιοτήτων Συζήτηση μέτρησης μαγνητικών ιδιοτήτων (SQUID) Η μέτρηση του κλάσματος όγκου του ωστενίτη μέσω των μαγνητικών ιδιοτήτων του χάλυβα TRIP αποτελεί την πιο αξιόπιστη και ακριβή μέθοδο μέτρησης του κλάσματος όγκου. Για τον έλεγχο της αξιοπιστίας των μετρήσεων χρησιμοποιήθηκαν στοιχεία για τα κλάσματα όγκου των φάσεων από την βιβλιογραφία, που εμφανίζονταν μετρήσεις των κλασμάτων όγκου των φάσεων μεταλλογραφικά σε παρόμοιου τύπου χάλυβα. Σύμφωνα λοιπόν με τις μετρήσεις ο 172

180 Φερρίτης προσδιορίστηκε στο 72.4%, ο ωστενίτης στο 13.9%, ο μπαινίτης στο 10.4% και ο μαρτενσίτης στο 3.3%. Από όλες τις μετρήσεις του κλάσματος όγκου του ωστενίτη με τις μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή την διδακτορική διατριβή πιο κοντά στην τιμή αυτή για τον χάλυβα ΑR ήταν η τιμή που υπολογίστηκε με τις μαγνητικές μετρήσεις που ήταν 14.9%. Επομένως επιβεβαιώνεται η παρατήρηση ότι οι μαγνητικές μετρήσεις αποτελούν την πιο αξιόπιστη λύση προσδιορισμού του κλάσματος όγκου του υπολειπόμενου ωστενίτη. Προσοχή θα πρέπει να επιδείξει κάποιος στην ανάλυση του αποτελέσματος διότι στο κλάσμα όγκου που μετράει κανείς προσμετράτε τόσο το κλάσμα όγκου των νησίδων του παραμένοντα ωστενίτη (γ R /inter) όσο και το κλάσμα όγκου του ωστενίτη που αποτελεί συστατικό της μπαινιτικής φάσεως (γ R /intra). Επομένως οι μαγνητικές μετρήσεις μας δίνουν το συνολικό κλάσμα όγκου της ωστενιτικής φάσεως χωρίς να δίνεται η δυνατότητα διαχωρισμού της. Ο διαχωρισμός μπορεί να επιτευχθεί με άλλες μεθόδους. 7.2 Μελέτη της επίδρασης των θερμικών κατεργασιών στην τελική μικροδομή και επίδραση αυτής στις μηχανικές ιδιότητες Επίδραση της θερμοκρασίας ανόπτησης στην τελική μικροδομή και στις μηχανικές ιδιότητες Κατά τη διάρκεια της ενδοκρίσιμης ανόπτησης ο σχηματισμός του ωστενίτη από τη φερριτοπερλιτική μικροδομή πραγματοποιείται σε δύο διακριτά στάδια [176]. Στο πρώτο στάδιο πραγματοποιείται ο πολύ γρήγορος μετασχηματισμός του περλίτη σε ωστενίτη. Στο δεύτερο στάδιο το οποίο είναι αρκετά πιο αργό ο ωστενίτης σχηματίζεται από τον προευτηκτοειδή φερρίτη. Στα πρώτα λοιπόν λεπτά της ανόπτησης από τη διαλυτοποίηση του περλίτη δημιουργούνται οι πρώτοι κόκκοι του ενδοκρίσμου ωστενίτη οι οποίοι με την πάροδο του χρόνου συνεχώς αυξάνουν. Η αύξηση των κόκκων του ενδοκρίσιμου ωστενίτη με ταυτόχρονο εμπλουτισμό του σε C και άλλα κραματικά στοιχεία αυξάνει, με την αύξηση του χρόνου παραμονής στην θερμοκρασία ανόπτησης και πραγματοποιείται με διαχυσιακούς μηχανισμούς. Επομένως, αύξηση στη θερμοκρασία της ανόπτησης αυξάνει την κινητικότητα των ατόμων και επομένως την ταχύτητα των μηχανισμών αυτών και τελικώς και το ποσοστό του ενδικρίσιμου ωστενίτη [30]. Από την εξέταση των μικρογραφιών που 173

181 προέκυψαν από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο (SEM) τόσο για τα δοκίμια που βάφτηκαν στους 350 C όσο και στους 400 C και παρέμειναν για 1min, παρατηρούμε ότι με αύξηση της θερμοκρασίας ανόπτησης από τους 750 C στους 800 C εμφανίζεται μείωση στο κλάσμα όγκου καθώς και στο μέγεθος του κόκκου των φάσεων-προϊόντων μετασχηματισμού του ωστενίτη. Μόνη απόκλιση αποτελεί το δοκίμιο C4 στο οποίο φαίνεται να αυξάνει το ποσοστό των φάσεων αυτών αλλά αυτό μπορεί να αποδοθεί σε σφάλμα κατά τη θερμική κατεργασία και συγκεκριμένα σε εισαγωγή του δοκιμίου στο λουτρό Pb-Sn με ρυθμό μεγαλύτερο από ότι στα άλλα δοκίμια. Άλλωστε και η αυξημένη σκληρότητα που εμφανίζει το συγκεκριμένο δοκίμιο επιβεβαιώνει ότι το υλικό περιέχει στην τελική του μικροδομή αρκετό μαρτενσίτη. Όπως φαίνεται και στο συγκεκριμένο διάγραμμα σκληρότηταςθερμοκρασίας ανόπτησης η τιμή του δοκιμίου C4 φαίνεται να μην αντιστοιχεί στη γενική εικόνα των άλλων δοκιμίων. Καταλήγοντας συμπεραίνουμε ότι αύξηση στη θερμοκρασία ανόπτησης σημαίνει μείωση στο κλάσμα όγκου και στο μέγεθος κόκκου των προϊόντων του ενδοκρίσιμου ωστενίτη με συνακόλουθη αύξηση του κλάσματος όγκου του φερρίτη. Η σκληρότητα ωστόσο φαίνεται να παραμένει σταθερή παρά τη μείωση του κλάσματος όγκου των φάσεων. Το παραπάνω αποτέλεσμα φαίνεται αντιφατικό διότι όπως και βιβλιογραφικά έχει αποδειχτεί [175] με την αύξηση της θερμοκρασίας ανόπτησης για τον ίδιο χρόνο παραμονής αυξάνει και το κλάσμα όγκου του ενδοκρίσιμου ωστενίτη επομένως και τον προϊόντων της αντίδρασης. Το ότι δεν συμβαίνει κάτι τέτοιο οφείλεται στο γεγονός ότι στις μεγαλύτερες θερμοκρασίες ανοπτήσεως ο ωστενίτης εμπλουτίζεται περισσότερο σε C και Μn και επομένως σταθεροποιείται χημικώς [175]. Μάλιστα ο Κatsamas [175] στην έρευνα του έδειξε ότι το Μn απαιτεί μεγαλύτερους χρόνους παραμονής από 90 sec για να για ανακατανεμηθεί στον ωστενίτη. Η αύξηση της θερμοκρασίας επιταχύνει τους διαχυσιακούς μηχανισμούς και επομένως την κινητικότητα των ατόμων. Άρα από τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι το δοκίμιο που ανοπτήθηκε στους 800 C περιέχει μεγαλύτερο κλάσμα όγκου ενδοκρίσιμου ωστενίτη από το δοκίμιο των 750 C. Ο μη εμπλουτισμένος σε κραματικά στοιχεία ενδοκρίσιμος ωστενίτης κατά την μπαιντική βαφή είναι αυτός που με την απόψυξη θα μετατραπεί σε μαρτενσίτη. Αντίθετα ο πιο σταθερός θα παραμείνει ως την τελική μικροδομή. Επομένως οι ευμεγέθεις σχηματισμοί που εμφανίζονται στις εικόνες 6-22 και 6-25 αποδίδονται στη φάση του μαρτενσίτη που δημιουργήθηκε κατά την τελική απόψυξη από κόκκους ωστενίτη που δεν κατάφεραν να παραμείνουν σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Είναι 174

182 μεγαλύτεροι σε μέγεθος από τα δοκίμια των 775 C και 800 C διότι λόγω της μειωμένης κινητικότητας των ατόμων κατά την ενδοκρίσιμη ανόπτηση δεν κατάφεραν να ανακατανεμηθούν με αποτέλεσμα τη χαμηλή περιεκτικότητα σε C του ενδοκρίσιμου ωστενίτη. Κατά την απόψυξη και την παραμονή στην μπαινιτική περιοχή εξαιτίας του μικρής διάρκειας παραμονής δεν καταφέρνει να εμπλουτιστεί ο ωστενίτης σε C και επομένως λόγω χαμηλής χημικής σταθεροποίησης αυτού μετατρέπεται σε μαρτενσίτη κατά την τελική βαφή. Το μέγεθος των κόκκων παραμένει μεγάλο εξαιτίας του μεγάλου μεγέθους των κόκκων του ωστενίτη από τους οποίους προήλθαν. Αντίθετα στις εικόνες 6-25, 6-26 και 6-27 εμφανίζεται ακόμη και στο 1min μπαινίτης καθώς και υπολειπόμενος ωστενίτης. Αυτό συμβαίνει διότι κατά τη διάρκεια της ενδοκρίσιμης ανόπτησης ο C εξαιτίας της αυξημένης κινητικότητας εμπλουτίζει τον ωστενίτη και τον σταθεροποιεί χημικώς. Στη συνέχεια κατά την απόψυξη και μέχρι τη θερμοκρασία του μπαινιτικού μετασχηματισμού οι χημικώς εμπλουτισμένοι σε κραματικά στοιχεία κόκκοι του ωστενίτη δεν μεταβάλλονται ενώ οι πτωχοί μετασχηματίζονται σε επιταξιακό (epitaxial) φερρίτη. Κατά τη διάρκεια τώρα του μπαινιτικού μετασχηματισμού οι ωστενιτικοί κόκκοι με αυξημένη περιεκτικότητα σε C εμπλουτίζονται ακόμη περισσότερο ενώ με τη σειρά τους οι λιγότερο εμπλουτισμένοι αρχίζουν να απορροφούν τον C των γειτονικών περιοχών δίνοντας τη μορφολογία του μπαινίτη που αποτελείται από εναλασσόμενα πλακίδια φερρίτη-ωστενίτη. Εξαιτίας λοιπόν της διάχυσης των στοιχείων η τελική μικροδομή που παράγεται αποτελείται από μπαινίτη (λωρίδες μπαινιτικού φερρίτη-ωστενίτη), παραμένοντα ωστενίτη, επιταξιακό (epitaxial) φερρίτη και φερρίτη που προϋπήρχε πριν από την ανόπτηση. Επομένως η αύξηση του τελικού κλάσματος όγκου του φερρίτη δικαιολογείται απόλυτα. Τελικά, η θερμοκρασία ανόπτησης δείχνει να παίζει ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο στην διαμόρφωση της μικροδομής διότι αποτελεί τη βάση πάνω στην οποία θα στηριχθεί και θα ενεργήσει ο μπαινιτικός μετασχηματισμός. Η σκληρότητα δείχνει να μην επηρεάζεται άμεσα από τη μεταβολή της θερμοκρασίας ανόπτησης παρότι καταγράφει μια μικρή πτώση. Από τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι η αύξηση στη θερμοκρασία ανόπτησης φαίνεται να διευκολύνει το σχηματισμό του μπαινίτη. Τέλος ο ιστός που δημιουργήθηκε κατά την έλαση φαίνεται να διατηρείται σε όλες τις θερμοκρασίες και επομένως δεν δείχνει να επηρεάζεται από την θερμοκρασία της ενδοκρίσιμης ανόπτησης. 175

183 7.2.2 Επίδραση της θερμοκρασίας μπαινιτικής βαφής στη τελική μικροδομή και στις μηχανικές ιδιότητες Από τη εξέταση των διαγραμμάτων περίθλασης ακτινών Χ καταλήξαμε ότι με αύξηση της θερμοκρασίας μπαινιτικής βαφής (για χρόνο παραμονής 30mins) από τους 300 C στους 400 C εμφανίζεται μια σταδιακή βελτίωση στην ποιότητα και στο ύψος των κορυφών του ωστενίτη. Επιλέξαμε τις κορυφές των δοκιμίων που παρέμειναν για 30mins διότι σε αυτά τα διαγράμματα εμφανίστηκαν ποιοτικά καλύτερες και πιο ευμεγέθεις. Από το συγκεκριμένο αποτέλεσμα μπορούμε να εξάγουμε τα εξής συμπεράσματα. Ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας μπαινιτικής βαφής ή το ποσοστό της φάσης του ωστενίτη εμφανίζεται αυξημένο ή το μέγεθος κόκκου αυτής είναι μεγαλύτερο ή συμβαίνουν και τα δύο. Για τους λόγους που προαναφέραμε σε προηγούμενη παράγραφο δεν μπορούμε να καταλήξουμε σε τι ακριβώς συμβαίνει. Για να καταλήξουμε σε ένα τελικό συμπέρασμα θα χρησιμοποιήσουμε τις μικρογραφίες που προέκυψαν από την εξέταση στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Σύμφωνα λοιπόν με αυτές αύξηση στη θερμοκρασία της μπαινιτικής βαφής σημαίνει και μείωση του κλάσματος όγκου των παραγομένων φάσεων για μικρούς χρόνους παραμονής ενώ για μεγαλύτερους δεν φαίνεται να επηρεάζει ιδιαίτερα το μέγεθος του κόκκου. Σημαντικό αποτέλεσμα είναι επίσης ότι με αύξηση της θερμοκρασίας, αυξάνει και η εμφάνιση κόκκων που αποδίδονται στον μπαινίτη. Αυτό συμβαίνει για του μικρούς χρόνους παραμονής (1min και 3mins). Αντίθετα για τους μεγαλύτερους (30mins) εμφανίζεται και μια μικρή μείωση των κόκκων στους 400 C. Από τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι με αύξηση στη θερμοκρασία μπαινιτικής βαφής έχουμε επιτάχυνση του μετασχηματισμού του ενδοκρίσιμου ωστενίτη αλλά και της ταχύτητας της μπαινιτικής αντίδρασης. Στο ίδιο συμπέρασμα κατέληξε και ο Vasilakos [177,178] ο οποίος υποστήριξε ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας του μπαινιτικού μετασχηματισμού έχουμε αύξηση στην κινητική της μπαιντικής αντίδρασης. Συγκεκριμένα σε χάλυβα με 0.106C-1.42Mn- 1.5Si [178] αφού τον ανόπτησε στους 827 C για 3min στην συνέχεια τον έβαψε στους 350 C, 400 C και 450 C για χρόνους 200sec, 400sec και 600sec κατέληξε ότι τα δοκίμια που ανοπτήθηκαν σε χαμηλές θερμοκρασίες (350 C και 400 C) εμφάνισαν μεγαλύτερο κλάσμα όγκου υπολειπόμενου ωστενίτη καθώς και καλύτερη ολκιμότητα από τους 450 C. Κατέληξε ότι ο συνδυασμός υψηλών θερμοκρασιών με μικρούς χρόνους παραμονής καθώς και χαμηλών θερμοκρασιών με ενδιάμεσους 176

184 χρόνους παραμονής είναι απαραίτητος ώστε να επιτευχθούν οι επιθυμητές ιδιότητες. Ο ίδιος συγγραφέας σε προηγούμενη έρευνα του [177] σε χάλυβα με 0.174C-1.45Mn- 1.10Si και για δοκίμια που ανόπτησε για 3min στους 780 C και στη συνέχεια έβαψε στους 375 C, 400 C και 480 C για χρόνους από 200sec έως 600sec, παρατήρησε ότι οι χαμηλότερες θερμοκρασίες ( 375 C και 400 C) είναι εκείνες που δίνουν υψηλότερα κλάσματα όγκου υπολειπόμενου ωστενίτη (9.5 έως 12.5%). Αντίθετα η υψηλή θερμοκρασία μπαινιτικού μετασχηματισμού (480 C) περιόρισε αρκετά το κλάσμα όγκου του ωστενίτη (0-3.3%). Στην ίδια έρευνα έδειξε ότι το δοκίμιο που βάφτηκε στους 400 C εμφάνισε και υψηλότερη χημική σταθεροποίηση του ωστενίτη από το δοκίμιο των 375 C. Από όλα τα παραπάνω λοιπόν καταλήγουμε στο αρχικό συμπέρασμα που επιβεβαιώνεται και από τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής ότι η αύξηση της θερμοκρασίας του μπαινιτικού μετασχηματισμού επιταχύνει την κινητική της μπαινιτικής αντίδρασης. Επομένως με την αύξηση της θερμοκρασίας εμφανίζονται μεγαλύτεροι κόκκοι τόσο ωστενίτη όσο και μπαινίτη. Σε συνδυασμό και με τα αποτελέσματα του ΧRD καταλήγουμε ότι με αύξηση της θερμοκρασίας έχουμε τη δημιουργία μεγαλύτερων κόκκων ωστενίτη. Η εμφάνιση του μικροϊστού στους μικρούς χρόνους σημαίνει ότι ο μπαιντικός μετασχηματισμός τουλάχιστον στην αρχή του πραγματοποιείται με διατμησιακό μηχανισμό. Αντίθετα μετά τα 30min αρχίζει ίσως να αποκτά και διαχυσιακό χαρακτήρα αφού ο ιστός αρχίζει σιγά-σιγά να εξαφανίζεται. Στο παραπάνω συμπέρασμα συνηγορούν και τα αποτελέσματα των σκληρομετρήσεων. Σύμφωνα λοιπόν με αυτά αύξηση στη θερμοκρασία μπαινιτκής βαφής σημαίνει και πτώση της σκληρότητας κάτι που σημαίνει έναρξη της μπαινιτικής αντίδρασης πιο γρήγορα οι οποία δίνει πιο μαλακούς σχηματισμούς. Και αυτό γιατί οι σχηματισμοί που εμφανίζονται στο 1min αποδίδονται σε κόκκους μαρτενσίτη και γι αυτό η σκληρότητα εμφανίζεται και αυξημένη. Επομένως από όλα τα παραπάνω καταλήγουμε ότι αυξάνοντας τη θερμοκρασία μπαινιτικής βαφής έχουμε επιτάχυνση της μπαινιτκής αντίδρασης. 177

185 7.2.3 Επίδραση της διάρκειας παραμονής στην μπαινιτική περιοχή στην τελική μικροδομή και στις μηχανικές ιδιότητες Από τα αποτελέσματα των διαγραμμάτων του XRD καταλήξαμε ότι με αύξηση του χρόνου παραμονής στην μπαινιτική περιοχή εμφανίζεται και αύξηση στο ύψος των κορυφών του ωστενίτη. Αυτό συμβαίνει περίπου μέχρι τα 30mins σχεδόν για όλες τις θερμοκρασίες μπαινιτικού μετασχηματισμού ενώ στη συνέχεια εμφανίζεται μια πτώση στη κορυφή του ωστενίτη. Επομένως καταλήγουμε ότι με την παραμονή στην μπαινιτκή περιοχή αυξάνεται το κλάσμα όγκου του ωστενίτη και το μέγεθος κόκκου αυτού μέχρι τα 30min, ενώ στη συνέχεια εμφανίζεται μείωση που σημαίνει ότι αρχίζει η διαλυτοποίηση του μπαινίτη και του παραμένοντα ωστενίτη. Στο παραπάνω συνηγορούν και οι παρατηρήσεις από τις μικρογραφίες του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου. Παρατηρούμε σχεδόν σε όλες τις θερμοκρασίες (εικόνες 6-49 έως 6-78) ότι αρχικώς έχουμε μεγάλους και ευμεγέθης σχηματισμού που με την πάροδο του χρόνου μειώνονται σε μέγεθος και ποσοστό ενώ μετά τα 3mins αρχίζουν να εμφανίζονται πιο έντονα σχηματισμοί που παραπέμπουν στον μπαινίτη. Αυτό συμβαίνει μέχρι τα 30mins έως και 60mins (ανάλογα με τη θερμοκρασία μπαινιτικής βαφής) και στη συνέχεια έχουμε διαλυτοποίηση των κόκκων αυτών καθώς και μείωση στο μέγεθος των κόκκων που αποδίδονται στον παραμένοντα ωστενίτη (στρογγυλοί ισαξονικοί κόκκοι μέσα στη φερριτική μήτρα). Δηλαδή σε όλες τις θερμοκρασίες παρατηρείται αρχικά μια αύξηση της φάσης του μπαινίτη μέχρι ένα συγκεκριμένο χρονικό σημείο ενώ στη συνέχεια ακολουθεί μείωση της φάσης τόσο ποσοτικά όσο και σαν μέγεθος κόκκου. Επίσης εμφανίζεται και μορφολογική αλλοίωση των σχηματισμών. Ο χρόνος στον οποίο αρχίζει αρχικά ο σχηματισμός του μπαινίτη και μετά η αλλοίωσή του εξαρτάται από τη θερμοκρασία του μπαινιτκού μετασχηματισμού. Αυτό φαίνεται καθαρά εάν συγκρίνει κανείς την σειρά των μικρογραφιών από 6-69 έως 6-73 και από 6-74 έως Όπως παρατηρούμε και στις δύο σειρές φαίνεται η εξέλιξη της μικροδομής με το χρόνο. Τα δοκίμια των 350 C εμφανίζουν καλοσχηματισμένους μπαινιτικούς κόκκους στα 3mins ενώ η αντίδραση φαίνεται να προχωρά μέχρι και στα 30mins. Αλλοίωση των μπαινιτικών κόκκων αρχίζει να δημιουργείται στα 60mins και συνεχίζει στα 180mins. Αντίστοιχα στους 400 C μπαινιτικοί κόκκοι έχουν ήδη αρχίσει να εμφανίζονται ακόμη και στο 1min αυξάνουν σε μέγεθος και αριθμό μέχρι τα 3mins ενώ στα 30mins φαίνονται να έχει 178

186 αρχίσει η αλλοίωσή τους κάτι που συνεχίζει μέχρι τα 180mins. Παρόμοια συμπεριφορά παρατηρούμε και για τις άλλες θερμοκρασίες ανόπτησης και επομένως επιβεβαιώνεται και πάλι η παρατήρηση που κάναμε στην προηγούμενη παράγραφο ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας μπαινιτικού μετασχηματισμού αυξάνεται η ταχύτητα της αντίδρασης. Πιο ασφαλή συμπεράσματα όμως για την πορεία της αντίδρασης μπορούμε να εξάγουμε από τα αποτελέσματα που προέκυψαν από το EBSD. Επιλέχθηκαν να εξεταστούν τα δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 800 C και βάφτηκαν στους 400 C διότι από τα αποτελέσματα που συζητήθηκαν στις παραπάνω παραγράφους καταλήξαμε ότι αυτές οι θερμοκρασίες είναι οι βέλτιστες για τη δημιουργία χαλύβων με τα χαρακτηριστικά που αναζητούσαμε. Όπως φαίνεται και στο διάγραμμα που ακολουθεί που μας δίνει τη μεταβολή της μικροδομής σε σχέση με τον χρόνο παραμονής στην μπαινιτική περιοχή για τα δοκίμια που ανοπτήθηκαν στους 800 C και υπέστησαν μπαινιτικό μετασχηματισμό στους 400 C, με την αύξηση του χρόνου παραμονής στην μπαινιτική περιοχή παρατηρείται και αύξηση στο κλάσμα όγκου του ωστενίτη. Συγκεκριμένα το κλάσμα όγκου του ωστενίτη αυξάνει μέχρι τα 60min ενώ στη συνέχεια (180mins) μειώνεται. Την αύξηση του κλάσματος όγκου του ωστενίτη μπορεί να τη διαπιστώσει κανείς και από τις μικρογραφίες (εικόνες 6-74, 6-76) στις οποίες εμφανίζονται μεγάλοι ισαξονικοί κόκκοι που αποδίδονται στον ωστενίτη. Αντίστοιχα το κλάσμα όγκου του μπαινίτη δείχνει να μειώνεται με την αύξηση του χρόνου παραμονής. Από τις μικρογραφίες προκύπτει ότι από τα 30min και μετά οι μπαινιτικοί κόκκοι αρχίζουν να χάνουν το σχήμα τους κάτι που αντικατροπτίζεται και στη μέτρηση του κλάσματος όγκου από το EBSD. Αυτό σημαίνει ότι η μπαινιτική αντίδραση έχει ολοκληρωθεί σε χρονικό διάστημα μικρότερο από τα 3mins. Την ολοκλήρωση της μπαινιτικής αντίδρασης σε μικρό χρονικό διάστημα παρατήρησαν και άλλοι ερευνητές. Για παράδειγμα ο Girault [180] υπολόγισε την ολοκλήρωση της μπαινιτικής αντίδρασης μετά από sec στους 416 C. Το κλάσμα όγκου του φερρίτη δεν φαίνεται να μεταβάλλεται σημαντικά. Από την παρατήρηση αυτή εξά- 179

187 Σχέση μικροδομής- χρόνου παραμονής στη μπαινιτική περιοχή Εικόνα 7-1: Ιστόγραμμα του κλάσματος όγκου των φάσεων που ανιχνεύθηκαν με την τεχνική EBSD σε σχέση με τη διάρκεια παραμονής στην μπαινιτική περιοχή γουμε το συμπέρασμα ότι κατά τη διάρκεια παραμονής στην μπαινιτκή περιοχή δε παρατηρείτε αύξηση στο κλάσμα όγκου του φερρίτη που δημιουργήθηκε μέχρι τη στιγμή εκείνη. Βέβαια δεν πρέπει να ξεχνάμε το ποσοστό του μπαιντικού φερρίτη που υπολογίζεται στην μπαινιτική φάση. Τη συμπεριφορά αυτή του ωστενίτη που αρχικά αυξάνει το κλάσμα όγκου του ενώ στη συνέχεια το μειώνει έχουν παρατηρήσει και άλλοι συγγραφείς με τη διαφορά ότι το παρατήρησαν σε πολύ μικρότερα χρονικά διαστήματα. Για παράδειγμα ο Haidemenopoulos [179] σε δοκίμια που παρέμειναν στους 400 C από 1min έως 10mins, παρατήρησε ότι το κλάσμα όγκου του υπολειπόμενου ωστενίτη αρχικά αυξάνει (4.5% στα 2mins) ενώ στη συνέχεια μειώθηκε (3.2% στα 5mins). Σε άλλη έρευνα ο Vasilakos [177] έδειξε ότι με αύξηση της διάρκειας παραμονής εμφανίζεται μείωση του κλάσματος όγκου του ωστενίτη τόσο στους 400 C όσο και στους 375 C. Μείωση στο κλάσμα όγκου του ωστενίτη για μεγάλους χρόνους παρατήρησε και ο Zaefferer [30] και το απέδωσε στο φαινόμενο της υπεργήρανσης. Παρόμοια παρατήρηση έκανε και ο Sakuma [181] ο όποιος υποστήριξε ότι η μείωση στο κλάσμα όγκου του ωστενίτη οφείλεται στην 180

188 κατακρήμνιση σεμεντίτη. Στην δική μας έρευνα κάτι τέτοιο φαίνεται να συμβαίνει σε αρκετά μεγάλους χρόνους (180mins). Επομένως καταλήγουμε ότι ενώ αρχικά σχηματίζεται αρκετά γρήγορα μπαινίτης στη συνέχεια ο ωστενίτης αυξάνει το κλάσμα όγκου του εις βάρος του μπαινίτη. Ο μπαινίτης με την πάροδο του χρόνο διαλυτοποιείται, εμπλουτίζει τον υπάρχον ωστενίτη σε C και δίνει μεγαλύτερους κόκκους ωστενίτη. Δηλαδή από τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι η χημική σταθεροποίηση του υπολειπόμενου ωστενίτη πραγματοποιείται με τη συνεχή μείωση του μπαινίτη. Ο υπολειπόμενος ωστενίτης φαίνεται να εμπλουτίζεται καθ όλη τη διάρκεια της μπαινιτκής βαφής με C και να αυξάνει συνεχώς το μέγεθος κόκκου του μέχρι τα 60min. Επίσης όπως παρατηρούμε έχουμε και αύξηση και στο πλήθος των κόκκων που αποδίδονται στον ωστενίτη. Από το αποτέλεσμα αυτό συμπεραίνουμε ότι ο μπαινιτικός μετασχηματισμός δεν πραγματοποιείται μόνο με διατμησιακό μηχανισμό όπως υποστηρίζουν πολλοί ερευνητές αλλά ίσως έχει και διαχυσιακό χαρακτήρα σε μεγάλους χρόνους. Από την εξέταση της σκληρότητας καταλήξαμε ότι με την αύξηση της διάρκειας παραμονής έχουμε μια συνεχή μείωση στη τιμή της ενώ μετά τα 30mins φαίνεται να σταθεροποιείται. Βέβαια η μακροσκληρότητα του υλικού μας αποτελείται από την άθροιση των μκροσκληροτήτων της κάθε φάσεως και εξαρτάται άμεσα από το κλάσμα όγκου στη τελική μικροδομή. Σε μια προσπάθεια να τη συνδέσουμε με τη μικροδομή χρησιμοποίησαμε τον παρακάτω μαθηματικό τύπο: HV = f α HVΦερ. + f γ HV Ωστ. + f b HV Μπ. + f α HV Μαρ. [186] όπου ΗV η συνολική σκληρότητα του υλικού που μετρήθηκε, HV Φερ. η μικροσκληρότητα του φερρίτη, HV Ωστ. η μικροσκληρότητα του ωστενίτη, HV Μπ. HV Μαρ η μικροσκληρότητα του μαρτενσίτη και f x το κλάσμα όγκου της κάθε φάσης που μετρήθηκε με το EBSD. Από την έρευνα των Sverdlin και Ness [173] που έγινε σε χάλυβα TRIP με Mn περίπου στο 1.8% κ.ο. η μικροσκληρότητα του φερρίτη εκτιμήθηκε στα 160VHN. Αντίστοιχα ο Bhadesia [43] σε TRIP με 0.69% C ο οποίος δημιουργήθηκε σε θερμοκρασία 416 C, μέτρησε την μικροσκληρότητα του μπαινίτη στα 350VHN. Η μικροσκληρότητα του υπολειπόμενου ωστενίτη δεν έχει μετρηθεί. Ωστόσο, ο Furnemont [174] δημοσίευσε την νανοσκληρότητα (nanohardness) των φάσεων χάλυβα TRIP. Από τα αποτελέσματά του υπολόγισε ότι 181

189 η νανοσκληρότητα του υπολειπόμενου ωστενίτη είναι περίπου 1.25 φορές αυτή του μπαινίτη. Επομένως, για την τιμή του μπαινίτη 350VHN που δεχθήκαμε η τιμή του ωστενίτη υπολογίζεται στα 438VHN. Η τιμή αυτή εμφανίζεται αρκετά υψηλή και ίσως η χρησιμοποίησή της να εγκυμονεί μεγάλο κίνδυνο. Ωστόσο τη δεχθήκαμε διότι έχει χρησιμοποιηθεί στη βιβλιογραφία ώστε να έχουμε ένα συγκρίσιμο αποτέλεσμα. Για τον μαρτενσίτη στους TRIP δεν έχουμε κάποια τιμή. Αλλά στο υλικό μας ο μαρτενσίτης ανιχνεύθηκε σε πολύ μικρό ποσοστό και άρα δεν τον λαμβάνουμε υπόψη. Συνοπτικά οι τιμές που χρησιμοποιήθηκαν παρουσιάζονται στον ακόλουθο πίνακα Πίνακας 7-1: Τιμές μικροσκληροτήτων των φάσεων του χάλυβα TRIP που χρησιμοποιήθηκαν στην εξίσωση Φερρίτης Ωστενίτης Μπαινίτης Σκληρότητα (VHN) Αναφορές Για την επαλήθευση του τύπου χρησιμοποιήθηκαν οι τιμές των μετρήσεων της σκληρότητας. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν έδειξαν να συμβαδίζουν αρκετά με τις τιμές της σκληρότητας που υπολογίστηκε από τον παραπάνω μαθηματικό τύπο. Συνοψίζοντας τα αποτελέσματα αυτής της παραγράφου καταλήγουμε ότι η παραμονή στην μπαινιτική περιοχή σταθεροποιεί χημικώς τον ωστενίτη και αυξάνει το κλάσμα όγκου αυτού μέχρι ένα χρονικό σημείο. Ο παραμένων ωστενίτης αναπτύσσεται εις βάρος της μπαινιτικής φάσεως. Στη συνέχεια έχουμε αποσταθεροποίηση αρχικώς του μπαινίτη και στη συνέχεια και του ωστενίτη προς τη δημιουργία καρβιδίων. Όλα τα παραπάνω επιβεβαιώνονται και από την πτώση της σκληρότητας. 182

190 7.2.4 Επίδραση του κλάσματος όγκου και του μεγέθους κόκκου του υπολειπόμενου ωστενίτη στις μηχανικές ιδιότητες Σύμφωνα με τους Brandt και Olson [182] για τη σταθεροποίηση του ωστενίτη πέρα από τον εμπλουτισμό του σε C εξίσου σημαντικό ρόλο παίζει και το μέγεθος του κόκκου. Συγκεκριμένα όσο πιο μικρό μέγεθος έχει τόσο μεγαλύτερη σταθερότητα εμφανίζει ο ωστενίτης. Σε μεγάλους χρόνους βρήκε ότι το μέγεθος του κόκκου του ωστενίτη μειώνεται κάτι που το απέδωσε στη μείωση της περιεκτικότητάς του σε C εξαιτίας της κατακρήμνισης καρβιδίων. Ο Haidemenopoulos [179] από την άλλη, που παρατήρησε με την πάροδο του χρόνου στην μπαινιτική περιοχή αρχικά την αύξηση του κλάσματος όγκου του ωστενίτη μέχρι ένα σημείο (μέγιστο) και στη συνέχεια τη μείωση, απέδωσε τη εμφάνιση αυτής της μέγιστης τιμής στο συνδυασμό της επίδρασης της χημικής σταθεροποίησης με τη σταθεροποίηση που επιτυγχάνεται μέσω σχήματος. Επίσης προχώρησε ένα βήμα παρακάτω και έδειξε ότι η μεγίστη τιμή του κλάσματος όγκου συνδέεται και με την μέγιστη επιμήκυνση που εμφάνισαν τα δοκίμια κατά τις δοκιμές εφελκυσμού. Κατέληξε ότι η παρουσία του ωστενίτη είναι αυτή που επηρεάζει άμεσα τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού. Για να κατανοήσουμε την επίδραση τόσο του κλάσματος όγκου του υπολειπόμενου ωστενίτη όσο και του μεγέθους κόκκου αυτού συγκρίναμε τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις μετρήσεις με το EBSD με τις αντίστοιχες τιμές σκληρότητας. Σύμφωνα λοιπόν με αυτά, το κλάσμα όγκου του ωστενίτη αρχικά εμφανίζεται αρκετά μικρό (2.18%) αυξάνει μέχρι τα 60mins φθάνει το 8.69%, ενώ στα 180mins μειώνεται στο 5.49%. Αντίστοιχα το μέγεθος κόκκου του ωστενίτη αρχικά μετριέται στα 0.46μm, αυξάνει μέχρι τα 0.75μm(60mins) και στη συνέχεια μειώνεται στα 0.54μm (180mins). Στο σημείο αυτό θα πρέπει να σημειώσουμε ότι λέγοντας ωστενίτη στις μετρήσεις του EBSD εννοούμε τον ενδοκρίσιμο ωστενίτη που έχει παραμείνει με την μορφή νησίδων ωστενίτη και όχι τον ωστενίτη που υπάρχει στην μπαινιτική φάση. Σε κάθε περίπτωση όμως και από την εξέταση των μικρογραφιών που προέκυψαν από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο η διαλυτοποίηση του μπαινίτη είναι εμφανής στα 30mins. Σχετικά τώρα με το κλάσμα όγκου του μπαινίτη που επίσης επιδρά στην τελική τιμής της σκληρότητας παρατηρείτε μια συνεχής μείωση από 8.12% μέχρι το 1.29%. Οι τιμές της σκληρότητας δεν εμφανίζουν την ίδια συμπεριφορά. Αρχικά έχουμε υψηλή τιμή (287HV) που μειώνεται μέχρι τα 183

191 30mins (224HV). Στα 60mins έχουμε μια σημαντική αύξηση (247HV) ενώ στη συνέχεια μειώνεται και πάλι και παίρνει την κατώτερη τιμή της (208HV). Σε μια προσπάθεια εξήγησης της συμπεριφοράς αυτής πιστεύουμε ότι στους μικρούς χρόνους μπαινιτικού μετασχηματισμού ο ωστενίτης δεν προλαβαίνει να σταθεροποιηθεί εξαιτίας του χαμηλού εμπλουτισμού του με C με αποτέλεσμα κατά την απόψυξη να μετατραπεί σε μαρτενσίτη. Αυτό έχει σαν συνέπεια τις αυξημένες τιμές σκληρότητας που εμφανίζουν τα δοκίμια του 1min και 3mins. Στην συνέχεια ο ωστενίτης εμπλουτίζεται σε C σταθεροποιείται χημικά ενώ και μηχανικά ισχυροποιείται εξαιτίας της εξομάλυνσης των τάσεων των γειτονικών φάσεων. Άρα τα αυξημένα ποσοστά που εμφανίζει σε συνδυασμό με την αύξηση του μεγέθους του κόκκου του σημαίνει ότι επωφελείται της διαλυτοποίησης του μπαινίτη δίνοντας μεγαλύτερους κόκκους σχεδόν διπλάσιους σε μέγεθος από ότι στους αρχικούς χρόνους. Από την μελέτη των μικρογραφιών παρατηρούμε σχετικά με την εξέλιξη των κόκκων του μπαινίτη ότι δεν διαλυτοποιούνται με κατακρήμνιση καρβιδίων όπως αρκετοί συγγραφείς υποστηρίζουν αλλά εμπλουτίζουν τον υπολειπόμενο ωστενίτη αυξάνοντας το μέγεθος του κόκκου. Χαρακτηριστικά στις μικρογραφίες που έχουμε πάρει σε μεγαλύτερη μεγέθυνση εμφανίζεται η εξέλιξη του μπαινιτικού κόκκου σε σχέση με το χρόνο. Αρχικά (1min και 3mins) ο μπαινίτης σχηματίζεται με την μορφολογία των εναλλασσόμενων λωρίδων όπως αναφέρεται στη βιβλιογραφία. Στα 30mins χάνει την αρχική του μορφή δίνοντας μεγαλύτερους κόκκους υπολειπόμενου ωστενίτη κάτι που ανιχνεύθηκε και από το ΕBSD. Συνεχίζει η διαλυτοποίηση του προς σχηματισμό ωστενίτη κάτι που φαίνεται χαρακτηριστικά στην μικρογραφία των 60mins. Συγκεκριμένα εμφανίζεται στο πάνω δεξιά κομμάτι της μικρογραφίας κόκκος μπαινιίτη του οποίο οι λωρίδες ωστενίτη ενώνονται προς τη δημιουργία μεγαλύτερου κόκκου υπολειπόμενου ωστενίτη. Τέλος στα 180mins έχουμε την πλήρη εξαφάνιση του μπαινίτη με την παρουσία μεγάλων κόκκων ωστενίτη. 184

192 α b α b α b γ α b γ Εικόνα 7-2: Μικρογραφία δοκιμίου C1 (1min) Εικόνα 7-3:Μικρογραφία δοκιμίου C2 (3mins) Εικόνα 7-4:Μικρογραφία δοκιμίου C3 (30mins) Εικόνα 7-5:Μικρογραφία δοκιμίου C10 (60mins) γ Εικόνα 7-6:Μικρογραφία δοκιμίου C11 (180mins) Όλα τα παραπάνω επιβεβαιώθηκαν και από τις μετρήσεις με το EBSD. Συνεπώς η αύξηση της σκληρότητας στα 60mins ίσως να οφείλεται στην αύξηση του κλάσματος όγκου του ωστενίτη που κατά τη δοκιμή μετατράπηκε σε μαρτενσίτη. Τέλος η πτώση που εμφανίζεται στα 180mins οφείλεται από την αύξηση του 185

193 κλάσματος όγκου του φερρίτη και από την πλήρη διαλυτοποίηση του μπαινίτη προς ωστενίτη. Από όλα τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι στα πρώτα στάδια του μπαινιτικού μετασχηματισμού δημιουργείται μπαινίτης ενώ μικρό κλάσμα όγκου ωστενίτη σταθεροποιείται χημικώς και παραμένει στην τελική μικροδομή. Έπειτα σε μεγαλύτερους χρόνους παραμονής ο μπαινίτης αρχίζει να αλλοιώνεται μικρογραφικά με ταυτόχρονη αύξηση του ωστενίτη σε μέγεθος και κλάσμα όγκου. Τέλος σε πολύ μεγάλους χρόνους αρχίζει να γίνεται αντιληπτή η εμφάνιση καρβιδίων. 7.3 Παραγωγή παρόμοιου τύπου χάλυβα Ένας από τους σημαντικότερους σκοπούς της διδακτορικής διατριβής ήταν και η παραγωγή πανομοιότυπου χάλυβα με αυτό που λάβαμε από το εργοστάσιο. Από το εργοστάσιο παραγωγής των δοκιμίων δεν είχαμε κανένα στοιχείο ούτε για τις θερμοκρασίες των θερμικών κατεργασιών αλλά ούτε και για τους χρόνους αυτών. Για να προσδιορίσουμε τα βήματα παραγωγής αρχικά συγκρίναμε τις μικρογραφίες που προέκυψαν από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Από όλα τα δοκίμια καταλήξαμε σε δύο των οποίων οι μικρογραφίες ήταν κοντά στην μικρογραφία του ΑR υλικού. Αυτά τα δοκίμια ήταν το B2 (775 C-400(3mins)) και το C3(800 C-400(30mins)) όπως φαίνεται και στις παρακάτω εικόνες. 186

194 Εικόνα 7-7: Μικρογραφία χάλυβα TRIP 800 ΑR Εικόνα 7-8:Μικ/φία δοκιμίου C3(30mins) Εικόνα 7-9:Μικρογραφία δοκιμίου B2(3mins) Από τα δύο μορφολογικά πιο κοντά ήταν το δοκίμιο Β2, αλλά για τον πιο ακριβή προσδιορισμό του, συγκρίναμε και άλλα μεγέθη των δοκιμίων. Οι τιμές των μεγεθών που συγκρίθηκαν παρουσιάζονται αναλυτικά στον πίνακα 7-2. Πίνακας 7-2: Χαρακτηριστικά μεγέθη του χάλυβα ΑR και των δοκιμίων που επιλέχθηκαν ως παρεμφερή AR B2 C3 Κλάσμα όγκου φερρίτη (SEM) 76 % 69 % 70 % Κλάσμα όγκου άλλων φάσεων 24 % 31 % 30 % (SEM) Κλάσμα όγκου φερρίτη (EBSD) 93 % 90.6 % 88.9 % Κλάσμα όγκου ωστενίτη (EBSD) 5.81 % 4.04 % 7.16 % Κλάσμα όγκου μπαινίτη (EBSD) 1.22 % 4.8 % 3.93 % Μέσο Μέγεθος

195 Κόκκου Ωστενίτη (EBSD) d(μm) Max μέγεθος κόκκου Φερρίτη (EBSD) d(μm) Μέσο Μέγεθος Κόκκου Ωστενίτη (EBSD) Area(μm 2 ) Max μέγεθος κόκκου Φερρίτη (EBSD) Area(μm 2 ) Σκληρότητα HV 237 ± ± ± 4 Όριο Θραύσης Όριο διαρροής Όπως παρατηρούμε από τον παραπάνω πίνακα πιο κοντά σε όλες τις τιμές βρίσκεται το δοκίμιο Β2. Βέβαια ούτε η εικόνα της μικρογραφίας είναι απολύτως ίδια αλλά ούτε και οι τιμές συμπίπτουν ακριβώς. Όπως παρατηρούμε και στις παρακάτω μικρογραφίες που προέκυψαν από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο και είναι μικρογραφίες πισωσκευαζόμενων ηλεκτρονίων στις οποίες εμφανίζεται πιο έντονα το ανάγλυφο των επιφανειών το δοκίμιο Β2 εμφανίζεται με μεγαλύτερους κόκκους από το AR δοκίμιο. Παρόλα αυτά η μορφολογία του μπαινίτη είναι παρόμοια με του AR δοκίμιο καθώς και το κλάσμα όγκου του ωστενίτη είναι πολύ κοντά. Η σκληρότητα εμφανίζεται μεγαλύτερη αλλά η αυξημένη τιμή της ίσως να οφείλεται στους μεγαλύτερους σχηματισμούς που εμφανίζονται στο δοκίμιο Β2. Η παραμονή του δο- Εικόνα 7-10:Μικρογραφία χάλυβα TRIP800ΑR Εικόνα7-11:Μικρογραφία δοκιμίου B2(775 C-400(3mins) 188