بررسی رفتار دینامیکی فولاد twip توسط یک ماشین آزمایش پیچشی با نرخ کرنش بالا

در این رساله، رفتار مکانیکی گروه های نوینی از فولادهای مستحکم پیشرفته موسوم به فولادهای twip و trip مورد مطالعه قرار گرفت. برای این منظور، سه فولاد پر منگنز (بیش از 20 درصد وزنی)، با غلظت های متفاوت کربن (07/0، 16/0 و 49/0 %)، به ترتیب با نامهای متعارف lc، mc و hc ریخته گری شد. ریزساختار فولاد کم کربن (07/0 %) در دمای اتاق، شامل دو فاز آستنیت و مارتنزیت اپسیلون بود. لیکن، دو فولاد دیگر (16/0 و 49/0%)، دارای ریزساختار کاملاً آستنیتی بودند. با توجه به اینکه رفتار ترمومکانیکی فولادهای مذکور، در مرحله تولید از اهمیت بالایی برخوردار است، رفتار تغییر شکل گرم این فولادها، در حالت ریختگی، برای نخستین بار مورد بررسی قرار گرفت. آزمایش های فشار گرم، در دماهای مختلف (900، 1000 و 1100 درجه سانتیگراد) و نرخ کرنش های متفاوت (01/0، 1/0، 1 و 10 بر ثانیه) با استفاده از یک دستگاه شبیه ساز ترمومکانیکی گلیبل انجام شد. نرم شدن فولاد پر کربن (hc)، در کرنش های بسیار کوچک آغاز شد. در برخی از آزمایش ها، نرم شدن فولاد مذکور تا پایان تغییر شکل (کرنش حقیقی 8/0)، ادامه یافت و حالت پایدار مشاهده نشد. مطالعات ریزساختاری، نشان دهنده وقوع تبلور مجدد دینامیکی در تمام آزمایش های فشاری انجام شده بر روی این فولاد بود. در مقابل، تغییر شکل گرم فولاد کم کربن (lc)، به ندرت با نرم شدن همراه بود. ریزساختار نمونه های تغییر شکل یافته این فولاد، نشان داد که در دانه های تبلور مجدد یافته بسیار کوچک، تشکیل فاز مارتنزیت، متوقف گردید. به منظور مطالعه رفتار مکانیکی فولاد های مذکور در نرخ کرنش های بالا، یک ماشین آزمایش پیچشی با نرخ کرنش بالا، برای نخستین بار در کشور طراحی و ساخته شد. مبنای عملکرد دستگاه، بر پایه تکنیک میله های هاپکینسون استوار است. مقادیر تنش – کرنش اعمال شده به نمونه آزمایش، با اندازه گیری پالس های کرنش الاستیک در میله های موسوم به ورودی و خروجی محاسبه می گردد. نگهدارنده های دستگاه، به گونه ای طراحی شد که امواج پیچشی در زمانی بسیار کوتاه (حدود 50 میکروثانیه) تولید شده و انتشار آنها در میله های دستگاه، نیز قابل کنترل باشد. دستگاه مذکور، قابلیت آزمایش مواد در محدوده نرخ کرنش چند صد تا چند هزار بر ثانیه را داراست. هر سه فولاد، با استفاده از دستگاه ساخته شده، در محدوده نرخ کرنش حدود 500 تا 1800 بر ثانیه، مورد آزمایش تغییر شکل دینامیکی قرار گرفتند. مطابق انتظار، با افزایش نرخ کرنش از شرایط شبه استاتیک تا نرخ کرنش حدود 500 بر ثانیه، مقادیر تنش سیلان هر سه فولاد افزایش یافت. در محدوده نرخ کرنش های بیش از 500 بر ثانیه، با افزایش نرخ کرنش، تنش سیلان فولادهای mc و hc، کماکان سیر صعودی داشت. لیکن، با افزایش نرخ کرنش در این محدوده، ، تنش های سیلان فولاد lc، اندکی کاهش یافت. همچنین، تأثیر تغییر شکل شبه استاتیک اعمال شده به فولادها، بر روی رفتار تغییر شکل دینامیکی بعدی آنها نیز مورد مطالعه قرار گرفت. مشاهده شد که تنش سیلان فولاد های مورد مطالعه در آزمایش های نرخ کرنش بالا، به مثبت یا منفی بودن کرنش شبه استاتیک قبلی نیز وابسته است. رفتار تغییر شکل دینامیکی فولادها، به روش المان محدود نیز مطالعه شد. تحلیل های میدان کوپله (مکانیکی – حرارتی) به وسیله نرم افزار انسیس انجام گردید. با استفاده از تحلیل های مذکور، تأثیر هندسه نمونه آزمایش بر توزیع کرنش و افزایش دمای بی دررو در نمونه های پیچشی، برای نخستین بار مورد بررسی قرار گرفت. بر این مبنا، تأثیر افزایش دمای بی دررو بر انرژی نقص چیده شدن و مکانیزم غالب تغییر شکل پلاستیک در فولادهای مورد مطالعه، بررسی گردید. مشخص شد که به دلیل افزایش دمای بی دررو در حین تغییر شکل دینامیکی، مکانیزم غالب تغییر شکل پلاستیک فولادهای hc و lc تغییر می یابد. اما، در مورد فولاد متوسط کربن (mc)، مکانیزم غالب تغییر شکل پلاستیک در کل محدوده نرخ کرنش آزمایش شده، تشکیل دوقلویی های مکانیکی بود. رفتار مکانیکی این فولاد در نرخ کرنش های مختلف، بر یک مدل پدیده شناختی با مبنای فیزیکی منطبق گردید. مدل مذکور، قابلیت پیش بینی تنش های سیلان و کارسختی بالای فولاد در محدوده نرخ کرنش آزمایش شده را دارا بود.