Superplasticità a bassa temperatura e stabilità termica di un basso nanostrutturato

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 18656 (2016) Citare questo articolo

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Descriviamo qui per la prima volta la superplasticità a bassa temperatura dell'acciaio nanostrutturato a basso tenore di carbonio (microlegato con V, N, Mn, Al, Si e Ni). L'acciaio sfuso a grana nanometrica/ultrafine (NG/UFG) a basso tenore di carbonio è stato lavorato utilizzando una combinazione di laminazione a freddo e ricottura della martensite. La complessa microstruttura della ferrite NG/UFG e della cementite da 50–80 nm ha mostrato un'elevata stabilità termica a 500 °C con un allungamento a bassa temperatura superiore al 100% (a meno di 0,5 del punto di fusione assoluto) rispetto alla convenzionale microstruttura a grana fine (FG ) controparte. La superplasticità a bassa temperatura è adeguata per formare componenti complessi. Inoltre, la bassa resistenza durante la lavorazione a caldo è favorevole per diminuire il ritorno elastico e minimizzare la perdita dello stampo.

La superplasticità è caratterizzata come la capacità del materiale di sostenere grandi deformazioni plastiche prima della rottura1,2,3, cosa ben documentata per le leghe di titanio4,5,6. Tra i vari meccanismi di rafforzamento dei metalli, l'affinamento del grano è considerato il metodo appropriato e conveniente per migliorare contemporaneamente sia la resistenza che la tenacità7,8,9,10,11. Gli acciai inossidabili nanostrutturati lavorati tramite una combinazione di grave deformazione a freddo (>65%) seguita da ricottura ad inversione di fase hanno mostrato una combinazione resistenza-duttilità superiore, compreso un elevato rapporto resistenza/peso, resistenza all'usura e anche un'attività cellulare favorevole. In questo approccio, una grave deformazione dell’austenite metastabile a temperatura ambiente porta alla trasformazione indotta dalla deformazione dell’austenite in martensite. Durante la ricottura, questa martensite gravemente deformata indotta da deformazione ritorna ad austenite attraverso un taglio martensitico o un meccanismo di reversione diffusiva. Esiste quindi un forte potenziale per l’utilizzo di acciai inossidabili nanostrutturati al posto della controparte convenzionale a grana grossa. Tuttavia, nella maggior parte dei sistemi di leghe nanostrutturate, la duttilità è limitata a causa della mancanza di capacità di incrudimento3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. Pertanto, il miglioramento della plasticità continua ad essere oggetto di interesse. È stata prestata attenzione anche alla superplasticità alle alte temperature per formare componenti di forma complessa e parti curve attraverso l'ingegneria dei bordi dei grani2,17. Nei materiali a grana ultrafine (UFG), lo scorrimento dei bordi dei grani è considerato il meccanismo più importante della superplasticità. La dimensione dei grani fini è preferita perché il numero di bordi dei grani coinvolti nello scorrimento è elevato e la distanza per l'accomodamento per diffusione e/o scorrimento è piccola18. Esploriamo qui la superplasticità nell'acciaio sfuso microlegato a basso tenore di carbonio a grana nano/ultrafine (NG/UFG) a temperatura elevata, ma significativamente inferiore a 0,5 punto di fusione (Tm).

Non c'è dubbio che il campo di applicazione della formatura superplastica diventerà ancora più diffuso se si potranno abbassare le temperature di deformazione grazie al minor consumo energetico e alla significativa riduzione dell'ossidazione superficiale. La superplasticità del nichel nanocristallino è stata osservata a 470 °C, che corrisponde a 0,36 Tm1. La lega di magnesio AZ91 a grana fine ha mostrato un comportamento superplastico nell'intervallo di basse temperature di 150–250 °C (0,46–0,57 Tm)19. È stato osservato che gli acciai a grana fine (FG) ad alto tenore di carbonio (contenenti 1–2% C in peso%) mostrano superplasticità a 0,5–0,65 Tm e velocità di deformazione di ~10−4–10−3 s20,21. È tuttavia importante che l'acciaio per formatura possieda un'elevata stabilità termica per mantenere la microstruttura fine e fornire proprietà meccaniche eccezionali nel prodotto finale21. Gli studi sulla superplasticità negli acciai a temperature inferiori a 0,5 Tm, specialmente negli acciai a basso tenore di carbonio comunemente usati, non sono stati esplorati al meglio delle nostre conoscenze.

Le micrografie al microscopio elettronico a scansione (SEM) degli acciai sperimentali sottoposti a riscaldamento a 900 ° C seguite da tempra in acqua sono presentate in Fig. 1a. Durante il riscaldamento della microstruttura martensitica temperata in acqua, l'austenite fine si è nucleata ai precedenti bordi dei grani dell'austenite e al listello di martensite. Dopo la seconda fase di tempra, la microstruttura era costituita da sottili piastre di martensite con una larghezza di ~ 300–500 nm. La dimensione del grano dell'austenite precedente era di 3–6 μm e durante il mantenimento a 900 ° C si formavano precipitati VN di 20–30 nm, che erano distribuiti all'interno dei grani di austenite precedenti e delle piastre di martensite (Fig. 1b). L'aggiunta di N agli acciai microlegati V ha diminuito il periodo di incubazione per la precipitazione del carbonitruro V e ha aumentato la frazione volumetrica a causa del prodotto di solubilità più elevato di V e N. Secondo il prodotto di solubilità di VN nell'austenite (equazione 1)22, il La temperatura di dissoluzione completa del VN nell'acciaio sperimentale è 1102 °C. L'effetto di fissaggio del VN ha ridotto il tasso di ingrossamento dei grani di austenite precedenti. Dopo la laminazione a freddo a 1,6 mm, sono state ottenute piastre di martensite non uniformi con larghezza di 100–150 nm e 150–250 nm (Fig. 1c), mentre nella piastra laminata a freddo con spessore di 0,9 mm, le piastre di martensite con larghezza sono stati ottenuti 100-150 nm paralleli alla direzione di laminazione (Fig. 1d). Pertanto, la superplasticità è stata studiata in lamiere laminate a freddo di 0,9 mm di spessore a causa della microstruttura originale fine e omogenea.