بررسی اثر عملیات حرارتی همدمای دما پایین بر خواص مکانیکی و چقرمگی شکست ورق فولاد فوق مستحکم AISI 4340

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مهندسی مواد و متالورژی، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.

2 استادیار، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.

چکیده

امروزه استفاده از فولادهای فوق مستحکم به دلیل استحکام ویژه‌ی بالا (نسبت استحکام به وزن) در صنایع حساس و استراتژیک کشور مانند صنایع دفاعی، هسته‌ای، هوافضا و خودروسازی کاربرد فراوانی پیدا کرده است. از میان فولادهای فوق مستحکم، کاربرد فولادهای فوق مستحکم کم آلیاژ کربن متوسط که در سازه‌های حساس نظیر مخازن تحت فشار، پوسته‌ی موتور موشک سوخت جامد، برخی از اجزای پمپ‌ها، ارابه‌ی فرود هواپیما، چرخ‌دنده‌ها و اتصالات استفاده می‌شوند، به دلیل دارا بودن مزایایی مانند جوش‌پذیری و شکل‌پذیری مناسب، هزینه‌ی تولید نسبتاً کم و قابلیت دسترسی آسان، در حال گسترش می‌باشد. مهمترین محدودیت کاربردی این فولادها، درصد ازدیاد طول، انرژی ضربه و چقرمگی شکست پایین در مقادیر استحکام تسلیم بالاتر از MPa1300 می‌باشد. ریزساختارهای دو فازی بینیت پایینی/مارتنزیت، قابلیت ترکیب همزمان استحکام و درصد ازدیاد طول بالا را در این فولادها دارند. لذا در تحقیق حاضر، تحولات ریزساختاری ناشی از عملیات حرارتی آستمپرینگ دما پایین بر خواص مکانیکی کششی و انرژی ضربه‌ی ورق فولاد پرکاربرد AISI 4340 پرداخته شده است. پس از ارزیابی تحولات ریزساختاری، خواص مکانیکی کششی و انرژی ضربه‌ی نمونه‌های آستمپرینگ شده و تحلیل داده‌های بدست آمده، نمونه‌ی 4 دقیقه آستمپرینگ شده با مقادیر استحکام تسلیم، استحکام کششی نهایی، درصد ازدیاد طول، انرژی ضربه و چقرمگی شکست محاسبه شده به ترتیب MPa1403، MPa1523، 11.85 درصد، 52 ژول و MPa√m102 به عنوان نمونه‌ی بهینه از نظر خواص مکانیکی کششی و چقرمگی شکست انتخاب گردید.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluation of the effect of low temperature low temperature isothermal heat treatment on mechanical properties and fracture toughness of AISI 4340 ultra high strength steels sheet

نویسندگان [English]

  • soroush bakhshi 1
  • alireza mirak 2
1 PhD student of material and metallurgy engineering, Malek ashtar university of technology, Faculty of material & manufacturing technologies, Tehran, Iran.
2 Assistant professor, Malek ashtar university of technology, Faculty of material & manufacturing technologies, Tehran, Iran.
چکیده [English]

Abstract
Nowadays, the use of ultra high strength steels has been used extensively in the country’s sensitive and strategic industries such as defense, nuclear, aerospace and automotive industries due to it’s high special strength (strength to weight ratio). Among the ultra high strength steels, the use of ultra high medium carbon low alloy steels in sensitive structures such as pressure vessels, solid fuel rocket motor shell, some component of pumps, landing gear, gears and fittings are expanding because of their advantages such as weldability and proper formability, relatively low production costs and easy accessibility. The most important limitations of these steels are elongation, impact energy and low fracture toughness in yield strength higher than 1300MPa. Lower bainite/martensite two phase microstructures have the ability to simultaneously combine strength and high elongation in these steels. Therefore, in the present study, the microstructural evolution of low temperature austempering heat treatment on tensile mechanical properties and impact energy of AISI 4340 steel sheet has been investigated. After evaluation and analysis parameters such as microstructural evolutions, tensile mechanical properties and impact energy of heat treated samples, the sample with 30 minutes transformation time, due to the mixed structure of martensite and lower bainite and having the yield strength, ultimate tensile strength, elongation, impact energy and calculated fracture toughness, 1380MPa, 1490MPa, 12.5%, 52J and 118MPa√m respectively, was selected as the optimum sample in terms of mechanical properties and fracture toughness.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ultra high strength steel
  • Austempering
  • tensile mechanical properties
  • AISI 4340
  • Microstructural evolution
 [1] Handbook A. Properties and selection: irons, steels, and high performance alloys. ASM international 1990;1:140-94.

[2] Saeidi N, Ekrami A. Comparison of mechanical properties of martensite/ferrite and bainite/ferrite dual phase 4340 steels. Materials Science and Engineering: A 2009;523:125-9.

[3] Salemi A, Abdollah-Zadeh A. The effect of tempering temperature on the mechanical properties and fracture morphology of a NiCrMoV steel. Materials Characterization 2008;59:484-7.

[4]Tomita Y. Development of fracture toughness of ultrahigh strength, medium carbon, low alloy steels for aerospace applications. International materials reviews 2000;45:27-37.

[5] Zare A, Ekrami A. Influence of Martensite Volume Fraction on Impact Properties of Triple Phase (TP) Steels. Journal of materials engineering and performance 2013;22:823-9.

[6]Safi S, Givi M. A new modified austempering to increase simultaneously strength and ductility for UHS steels. Ein modifiziertes Verfahren der Zwischenstufenvergütung zur simultanen Erhöhung der Festigkeit und Duktilität von UHS Stählen. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 2010;41:356-9.

[7]Saxena A, Prasad S, Goswami S, Subudhi J, Chaudhuri S. Influence of austempering parameters on the microstructure and tensile properties of a medium carbon–manganese steel. Materials Science and Engineering: A 2006;431:53-8.

[8] Sajjadi SA, Zebarjad SM. Isothermal transformation of austenite to bainite in high carbon steels. Journal of materials processing technology 2007;189:107-13.

[9] Bhadeshia HKDH, Christian J. Bainite in steels. Metallurgical Transactions A 1990;21:767-97.

[10] Tomita Y, Okawa T. Effect of microstructure on mechanical properties of isothermally bainite-transformed 300M steel. Materials Science and Engineering: A 1993;172:145-51.

[11] Tomita Y. Improved lower temperature fracture toughness of ultrahigh strength 4340 steel through Modified Heat treatment. Metallurgical Transactions A 1987;18:1495-501.

[12] Tomita Y, Okabayashi K. Improvement in lower temperature mechanical properties of 0.40 pct C-Ni-Cr-Mo ultrahigh strength steel with the second phase lower bainite. Metallurgical Transactions A 1983;14:485-92.

[13] Tomita Y, Okabayashi K. Heat treatment for improvement in lower temperature mechanical properties of 0.40 pct C-Cr-Mo ultrahigh strength steel. Metallurgical Transactions A 1983;14:2387-93.

[14] Tomita Y, Okabayashi K. Modified heat treatment for lower temperature improvement of the mechanical properties of two ultrahigh strength low alloy steels. Metallurgical Transactions A 1985;16:83-91.

[15] Zhang X, Knott J. Cleavage fracture in bainitic and martensitic microstructures. Acta materialia 1999;47:3483-95.

[16] Rao TN, Dikshit S, Malakondaiah G, Rao PR. On mixed upper bainite-martensite in an AISI 4330 steel exhibiting an uncommonly improved strength-toughness combination. Scripta Metallurgica et Materialia 1990;24:1323-8.

[17] Salemi A, Abdollah-Zadeh A, Mirzaei M, Assadi H. A study on fracture properties of multiphase microstructures of a CrMo steel. Materials Science and Engineering: A 2008;492:45-8.

[18] Abdollah-Zadeh A, Salemi A, Assadi H. Mechanical behavior of CrMo steel with tempered martensite and ferrite–bainite–martensite microstructure. Materials Science and Engineering: A 2008;483:325-8.

[19] Tartaglia JM, Lazzari KA, Hui GP, Hayrynen KL. A comparison of mechanical properties and hydrogen embrittlement resistance of austempered vs quenched and tempered 4340 steel. Metallurgical and Materials Transactions A 2008;39:559-76.

[20] Tu M-Y, Hsu C-A, Wang W-H, Hsu Y-F. Comparison of microstructure and mechanical behavior of lower bainite and tempered martensite in JIS SK5 steel. Materials Chemistry and Physics 2008;107:418-25.

[21] گلعذار مع. اصول کاربرد و عملیات حرارتی فولادها. اصفهان: مرکز نشر دانشگاه صنعتی اصفهان; 1387.

[22] Highway AAoS, Officials T, Testing ASf, Materials. E8M-04 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials (Metric) 1: ASTM international; 2004.

[23] BANDOH S, MATSUMURA O, SAKUMA Y. An improved tint etching method for high strength steel sheets with mixed microstructures. Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan 1988;28:569-74.

[24] Girault E, Jacques P, Harlet P, Mols K, Van Humbeeck J, Aernoudt E, et al. Metallographic methods for revealing the multiphase microstructure of TRIP-assisted steels. Materials Characterization 1998;40:111-8.

[25] Zare A, Ekrami A. Influence of martensite volume fraction on tensile properties of triple phase ferrite–bainite–martensite steels. Materials Science and Engineering: A 2011;530:440-5.

[26] Bose-Filho W, Carvalho A, Strangwood M. Effects of alloying elements on the microstructure and inclusion formation in HSLA multipass welds. Materials characterization 2007;58:29-39.

[27] Ruddle G, Baragar D, Crawley A. Design of Hot-Rolling Processes for Thick-Gauge HSLA Plate. Mechanical Working & Steel Processing XXII 1984:183-95.