دانلود ترجمه مقاله مهندسی مجدد ترمودینامیک محاسباتی و هدایت سینتیک فولاد ابزار (ساینس دایرکت – الزویر ۲۰۲۳)

مهندسی مجدد ترمودینامیک محاسباتی و هدایت سینتیک فولاد ابزار با کارایی بالا

Computational thermodynamics and kinetics-guided re-engineering of a high-performance tool steel

چکیده
اعلام تعرض منافع
منابع مالی
منابع

چکیده

با هدف به دست آوردن پراکندگی ریز رسوبات در مقیاس نانو برای افزایش مشخصه های مکانیکی فولاد ابزار با کارایی بالا، بازمهندسی ترکیب آلیاژ و عملیات حرارتی توسط ترمودینامیک محاسباتی و سینتیک انجام شد. نمونه ی اولیه ی آلیاژ با استفاده از شیمی و عملیات حرارتی طراحی شده تهیه شد. بعد از آن، مشخصه های ریزساختاری پیشرفته و آزمایش مکانیکی، طراحی موفقیت آمیز را برای رسیدن به تراکم تعداد بالای رسوبات (V, Mo)C با قطر متوسط حدود ۵ نانومتر در شرایط پیک سخت شده، پس از برگشت دادن مارتنزیت در دمای ۶۰۰ درجه سانتیگراد به مدت ۲ ساعت تأیید کردند.

ایجاد فولاد ابزارهایی با عملکرد بالا برای تحمل شرایط سخت سرویس قطعات ماشین آلات حائز اهمیت است. فولاد ابزارهای متداول با مقدار کربن متوسط و زیاد و عناصر تشکیل دهنده ی کاربید از جمله Cr، Mo و V جهت تحریک رسوب کاربیدها و تضمین استحکام و سختی بالا مشخص می شوند. با این حال، محدودیت هایی برای این نوع آلیاژ وجود دارد: i) مقدار کربن بالا به طور قابل توجهی چقرمگی و جوش پذیری فولاد ابزارها را مختل می کند. ii)  کاربیدهای درشت شامل M3C، M6C، M23C6 و غیره در طی عملیات حرارتی نهایی شکل می گیرند [۱،۲] و مشارکت محدودی در استحکام و سختی دارند و حتی چقرمگی فولاد ابزار را بیشتر می کنند. iii) کاربیدهای تشکیل شده دارای سرعت درشت شدن بالا، با مقاومت نرم شدن حرارتی پایین هستند که باعث کاهش استحکام مواد و طول عمر قطعات ماشین در دماهای سرویس بالا می شود. هدف این مقاله بازمهندسی فولاد ابزار با کارایی بالا با استفاده از راهنمایی ترمودینامیک محاسباتی و سینتیک جهت کاهش مشکلاتی است که عملکرد فولاد ابزار را محدود می کند. انتظار می رود که آلیاژ جدید ترکیبی از مشخصه های مهم از جمله چقرمگی، پایداری حرارتی و جوش پذیری را با استفاده از یک مفهوم متالورژی ناب بهبود و تعادل ببخشد، اما همچنان استحکام و سختی قابل ملاجظه ای را به عنوان فولاد ابزار متداول حفظ می کند [۱و۲]. دستیابی به مشخصه های متعادل تر به بهینه سازی موفقیت آمیز رسوبات با پراکندگی های ریز کاربیدهای نانومقیاس بستگی خواهد داشت (به عنوان مثال، MC و M2C با M که عمدتاً V و Mo را نشان می دهد)، در حالی که شکل گیری جمعیت کاربید درشت تر را محدود می کند [۳]. انتظار می رود که پراکندگی ریز کاربیدهای MC یا / و  M2C در مقیاس نانو دارای ماهیت های زیر باشند: i) مشارکت بیشتر در استحکام، سختی و مقاومت در برابر سایش در دمای محیطی و دمای بالا [۴]؛ ii) پایداری بالای مواد در طول سرویس در دمای بالا بنابر رشد کمتر و سرعت درشت شدن رسوبات [۵،۶]. iii) جایگاه های پتانسیل به دام انداختن هیدروژن، افزایش مقاومت تردی هیدروژنی مواد [۷]. برخی از قواعد راهنما برای آلیاژ جدید این است که ذرات کاربید درشت نباید در ریزساختار محصول نهایی وجود داشته باشند. به این معنی که نباید از نظر ترمودینامیکی پایدار باشند، و علاوه بر این، نسبت C/(V+Mo) باید به صورت تقریبا یکپارچه حفظ شود که نه تنها باعث تسهیل رسوب در مقیاس نانو (تقویت آلیاژ) می شود، بلکه مقدار C در محلول جامد در ریزساختار محصول نهایی (افزایش چقرمگی) را نیز کاهش دهد. بنابراین، ابتدا ترمودینامیک و سینتیک محاسباتی برای تعیین پارامترهای آلیاژی و عملیات حرارتی بازمهندسی، با هدف قرار دادن انواع رسوب ریز مطلوب MC یا / و  M2C انجام شد. سپس، نمونه اولیه مواد بر اساس فلسفه طراحی مواد فوق الذکر تهیه شد و مشخصه سازی با استفاده از ابزارهای آزمایشی پیشرفته برای اعتبارسنجی با تمرکز بر رسوب صورت گرفت.

شکل ۱٫ ترمودینامیک و سینتیک محاسباتی برای طراحی رسوب: a) نمودار فاز ایزوترمال در دمای ۵۵۰ درجه سانتیگراد با تغییرات C و V در یک فولاد مرجع که سابقا مطالعه شده با ترکیب شیمیایی ۰٫۳۲C–۱٫۱Si–۰٫۸Mn–۱٫۴Cr–۰٫۸Mo–۰٫۱۴V–۰٫۷Ni b) نمودار فاز همدما در دمای ۶۵۰ درجه سانتیگراد با تغییرات C و V پس از کاهش مقدار Si از ۱٫۱ درصد وزنی به ۰٫۳ درصد وزنی فولاد مرجع. C) نمودار مشخصه های فولاد مرجع، d) نمودار مشخصه های فولاد جدید، e) مدل‌سازی سینتیک رسوب فولاد جدید در دمای ۶۰۰ درجه سانتیگراد به مدت ۲ ساعت، f) مدلسازی سینتیک رسوب فولاد جدید در دمای ۶۰۰ درجه سانتیگراد به مدت ۱۰۰۰ ساعت با مقیاس لگاریتمی محور y.