Προσομοίωση των μετασχηματισμών φάσης και της εξέλιξης της μικροδομής σε υποευτηκτοειδείς χάλυβες κατά τη διάρκεια ραγδαίων θερμικών κατεργασιών
Authors: Μπουζούνη Μαριάνθη 
Published: November 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά την επίδραση ραγδαίων θερμικών κατεργασιών σε υποευτηκτοειδείς χάλυβες. Εστιάζει στην επίδραση του (ραγδαίου) ρυθμού αναθέρμανσης και της σύντομης παραμονής στην θερμοκρασία ωστενιτοποίησης στον μετασχηματισμό φερρίτη σε ωστενίτη και στην διαλυτοποίηση των καρβιδίων προκειμένου να εξηγηθεί ο μηχανισμός, που οδηγεί στην ύπαρξη μεικτών μικροδομών με συνύπαρξη μαρτενσίτη, μπαινίτη και υπολειπόμενου ωστενίτη (υπό προϋποθέσεις). Γι αυτό τον σκοπό εξετάσθηκαν συμβατικοί ρυθμοί θέρμανσης (10οC/s) σε αντιδιαστολή με τάχιστους ρυθμούς θέρμανσης (100–300oC/s), ενώ οι θερμοκρασίες ωστενιτοποίησης, που χρησιμοποιήθηκαν κυμαίνονταν μεταξύ 900–1080οC. Η παραμονή στην επιλεγμένη θερμοκρασία ωστενιτοποίησης κυμαίνεται μεταξύ 2-300s. Οι τάχιστοι (ραγδαίοι) θερμικοί κύκλοι εφαρμόστηκαν σε εργαστηριακή κλίμακα με χρήση διαστολομετρίας. Για την διερεύνηση χρησιμοποιήθηκαν δύο ευρέως χρησιμοποιούμενοι στην αυτοκινητοβιομηχανία υποευτηκτοειδείς χάλυβες χαμηλής κραμάτωσης, οι CrMo και C45. Οι δύο αυτοί χάλυβες περιέχουν περίπου 0.4% κ.β. C (άνθρακα), ενώ ο ένας εξ αυτών, ο CrMo, διαθέτει στοχευμένη κραμάτωση χρωμίου και μολυβδαινίου, η οποία ευνοεί την αύξηση της αντοχής μέσω της κατακρήμνισης σύνθετων καρβιδίων χρωμίου (Cr) (με παρουσία μολυβδαινίου - Mo). Ο C45 είναι κλασικός ανθρακομαγγανιούχος χάλυβας και έχει επιλεγεί για λόγους σύγκρισης. Η επίδραση του ρυθμού θέρμανσης και της παραμονής στην θερμοκρασία ωστενιτοποίησης στους μετασχηματισμούς φάσης μελετήθηκε ενδελεχώς θεωρητικά με χρήση προσομοίωσης και επιβεβαιώθηκε μέσω των εργαστηριακών αναλύσεων. Με τη βοήθεια θερμοδυναμικής προσομοίωσης μελετήθηκε η κινητική των μετασχηματισμών φάσης κατά τη διάρκεια της αναθέρμανσης και σύντομης ωστενιτοποίησης, ενώ έγινε περαιτέρω και αρχική προσομοίωση του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού με την εφαρμογή μοντέλου «phase – field». H αξιολογηση των αποτελεσμάτων και επικύρωση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης πραγματοποιήθηκε μέσω του χαρακτηρισμού της μικροδομής με τεχνικές οπτικής (ΟΜ) και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας (SEM, EBSD, TEM), ενώ μετρήθηκε προκαταρκτικά και η αντοχή με τη χρήση μικροσκληρομετρήσεων. Τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν ότι η αύξηση του ρυθμού θέρμανσης καθυστερεί τη διαλυτοποίηση των καρβιδίων και τον σχηματισμό ωστενίτη, καθώς ο χρόνος που απαιτείται για τη διάχυση του C είναι μεγαλύτερος σε σχέση με τον διαθέσιμο χρόνο κατά τη διάρκεια αναθέρμανσης με ρυθμό >100οC/s. Παράλληλα, το Cr μειώνει την ταχύτητα μετακίνησης της διεπιφάνειας σεμεντίτη/ ωστενίτη (θ/γ) λόγω του φαινομένου «solute drag». Η αύξηση του Cr, όπως παρατηρήθηκε στο σύστημα Μ7C3/α, επιβραδύνει ακόμα περισσότερο τη διαλυτοποίηση των καρβιδίων και τον σχηματισμό ωστενίτη. Αντίστοιχη συμπεριφορά με το Cr παρουσιάζουν και τα στοιχεία αντικατάστασης νιόβιο (Nb) και Μο. Η μέλετη διαλυτοποίησης χονδρομερών καρβιδίων έδειξε ότι καθυστερεί περισσότερο η διαλυτοποίησή τους, όπως και ο σχηματισμός ωστενίτη, καθώς αυξάνεται η απαιτούμενη για τη διάχυση του C απόσταση, άρα, και ο απαιτούμενος για τη διάχυση χρόνος . Η ύπαρξη αδιάλυτων καρβιδίων εμποδίζει τη μεγέθυνση κόκκων του ωστενίτη και προκαλεί χημική ετερογένεια, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε υπολειπόμενο ωστενίτη στο τέλος της βαφής, όπως προβλέπεται και από την εξίσωση Koistinen – Marburger. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης είναι σε συμφωνία με τα αποτελέσματα της ανάλυσης των μικροδομής όπως προκύπτει και από τις αναλύσεις σε οπτική (ΟΜ) και ηλεκτρονική μικροσκοπία (SEM, EBSD και TEM-EDS).