در اين اختراع فولاد زنگ نزن آستنيتي فوق ريزدانه AISI201L حاوي 0/08 تا 0/35 درصد وزني نيتروژن با استفاده از كوره القايي تحت دمش گاز نيتروژن و سپس بكارگيري عمليات ترمومكانيكي پيشرفته مارتنزيت شامل نورد سرد به ميزان 90 درصد كاهش در ضخامت و عمليات آنيل بازگشتي در دماي 800 درجه سانتي گراد ساخته شد كه داراي استحكام و تافنس بالا، مقاومت به خوردگي و سايشي مناسب و داراي حداقل مقدار فريت دلتا نسبت به فولادهاي مشابه خود مي باشد. البته بايد اين نكته را در نظر داشت كه با توجه به كاهش انعطاف پذيري هنگام افزودن نيتروژن و همچنين جنبه هاي ريزساختاري، مقدار بهينه نيتروژن در اين فولادها 0/1 تا 0/16 درصد وزني تعيين شد. به دليل دارا بودن ويژگي هاي مذكور مي توان از اين فولاد در هر مكاني كه نياز به استفاده از مواد با استحكام، تافنس، مقاومت به خوردگي و سايش بالا را داشته باشد، استفاده كرد.

مواد جديد همواره در حال توسعه و پيشرفت هستند تا بتوانند خواص مطلوب و برتري نسبت به مواد قبلي داشته باشند. اين كار معمولاً با دستكاري و تغيير ساختار مواد صورت مي‌گيرد. دهه‌هاي گذشته با معرفي فولاد‌هاي پيشرفته با استحكام بالا (AHSS) در صنايع شكل‌دهي ورق‌هاي فلزي همراه بوده است. از اين دسته مي‌توان به فولاد‌هاي دوفازي (DP) اشاره نمود كه نتيجه تلاش جهاني گروه وسيعي از محققان در زمينه توسعه فولادهايي است كه داراي مجموعه‌اي از استحكام و شكل‌پذيري بالا باشند. ميكروساختار فولادهاي دوفازي عمدتاً شامل يك فاز نرم فريت به همراه جزاير مارتنزيتي سخت مي‌باشد. در حالي كه فريت خواص شكل‌پذيري خوبي از خود نشان مي‌دهد، مارتنزيت به عنوان فاز سخت باعث افزايش استحكام ماده مي‌شود. فولاد‌هاي دو فازي را مي‌توان از جمله مهم‌ترين فولادهاي پيشرفته با استحكام بالا دانست كه اخيراً براي صنايع مختلف به خصوص صنعت خودروسازي توسعه يافته‌اند. اين دسته از فولاد‌ها براي سازه‌هاي سبك بسيار مطلوب هستند چرا كه استحكام نهايي بالا به همراه كرنش شكست قابل ملاحظه‌ايي دارند. از ديگر مزيت‌هاي اين نوع فولادها مي‌توان به تنش تسليم پايين، نرخ كارسختي بالا، توزيع كرنش يكنواخت بيشتر و عدم وجود ناپيوستگي در تسليم اشاره كرد. از آن جا كه ورق‌هاي فولاد دوفازي براي شكل‌دهي و كشش عميق بسيار مناسب‌اند، در دو دهه اخير مصرف اين نوع فولادها در بسياري از صنايع مخصوصاً صنعت خودروسازي بسيار افزايش يافته است. برخي از كاربردهاي فولاد دوفازي در خودرو به اجزاي ضربه‌گير خودرو مثل تقويت‌كننده ضربه‌گير جلو، ميله ضربه‌گير درب، چهارچوب شيشه‌ها و ... مربوط مي‌شود. گزارش نهايي پروژه ULSAB-AVC كه در زمينه طراحي بدنه سبك فولادي براي خودروهاي نسل جديد تعريف شده است، نشان مي‌دهد كه 83 درصد بدنه خودرو مي‌تواند از فولاد‌هاي پيشرفته با استحكام بالا باشد كه 75 درصد اين ميزان را فولاد دوفازي به خود اختصاص مي‌دهد. با عنايت به اهميت اين نوع فولادها و به منظور رفع نياز بازار داخل و همچنين توليد و عرضه فولادهاي كيفي به بازار جهاني، فولادي دوفازي با خواص مكانيكي برتري نسبت به فولادهاي تجاري دوفازي موجود در بازار جهاني توليد شد. اين فولاد با اعمال سيكل هاي ترمومكانيكي روي يكي از فولادهاي كم كربن توليد داخل تهيه ‌شد. ساختارهاي دوفازي فوق‌ريزدانه با متوسط اندازه دانه فريت حدود µm 2 و توزيع يكنواخت شبكه زنجيره‌اي جزاير مارتنزيتي، با آنيل كوتاه مدت ساختارهاي دوتايي 80% نورد سرد شده حاصل شد. آزمون‌هاي كشش مشخصه‌هاي متداول فولادهاي دوفازي نظير تسليم پيوسته، نسبت تسليم پايين و انعطاف‌پذيري يكنواخت بالا را براي نمونه‌هاي دوفازي نشان داد. خواص مكانيكي نمونه‌هاي با ساختار دوفازي فوق‌ريزدانه جديد نسبت به نمونه اوليه افزايش چشمگير داشت، به نحوي كه علاوه بر استحكام كششي به مراتب بالاتر (200%~) نمونه آنيل بين‌بحراني شده در دماي C˚830 به مدت 8 دقيقه (MPa 1587) نسبت به نمونه اوليه (MPa 540)، انعطاف‌پذيري يكنواخت مشابه (7%~) حاصل شد. تعادل استحكام- انعطاف‌پذيري قابل ملاحظه‌ (J cm-3 100UTS×UE >) فولادهاي دوفازي توسعه داده شده در مقايسه با كارهاي قبلي و فولادهاي تجاري مورد استفاده در صنايع خودروسازي با استحكام بالا نظير DP600، DP800 و DP980، پتانسيل بالا براي جايگزيني گريدهاي تجاري را نشان داد. ممانعت از گسترش موضعي‌شدن كرنش در مجاورت دانه‌هاي فريت و توزيع يكنواخت كرنش در ميان ريزساختار ناشي از ساختار شبكه‌ زنجيره‌اي جزاير مارتنزيتي ريز و كاهش اندازه دانه فريت، شروع ناپايداري پلاستيك و گلويي شدن ماده را به تأخير انداخته و به انعطاف‌پذيري قابل قبول حتي در سطوح استحكام خيلي بالا انجاميده است.

‏يك روش جديد براي توليد فولادهاي زنگ نزن آستنيتي فوق ريزدانه/ نانوساختار جهت حصول همزمان استحكام و ‏چقرمگي مناسب استفاده از يك فرايند ترمومكانيكي پيشرفته تحت عنوان فرايند مارتنزيت مي باشد. در اين پژوهش ‏توانسته ايم به كمك اين فرايند ورق فولاد زنگ نزن آستنيتي نانو/فوق ريزدانه AISI 201 با استحكام بالا را براي ‏اولين بار در ايران توليد كنيم. در اين پژوهش ابتدا فولاد مزبور توسط ذوب در كوره القايي و ريخته گري در قالب ‏فلزي تهيه شد.پس از آن نمونه هاي فولادي دردمايC ١٢٠٠ ‏همگن شدند. پس از عمليات همگن سازي، عمليات ‏فورج داغ در محدوده دماييc ١٢٠٠ ‏~ ١١۵٠ ‏صورت گرفت. سپس نمونه هاي فورج شده در دماي 1150C به مدت ٢ ‏ساعت آنيل شدند. در اين حالت اندازه دانه ها در حدود ۵۵ ‏ميكرومتر و استحكام تسليم فولاد در حدود Mps٣٠٠ ‏بود. جهت توليد فولاد فوق ريزد‏انه نمونه هاي فولادي در دماي محيط تا 90% كاهش در ضخامت تحت ‏عمليات نورد سرد قرار گرفتند. سپس در دمايي بالاتر از دماي بازگشت آستنيت(Ar)، عمليات آنيل بازگشت انجام شد.آناليز فازي توسط پراش پرتو ايكس و سنجش مغناطيسي صورت گرفت. نتايج نشان داد كمترين اندازه دانه در ‏شرايطي كه بازگشت تقريبا به صورت كامل انجام شده است در حدود ٩٠ ‏نانومتر مي باشد. استحكام تسليم فولاد ‏پس از انجام فرايند در حدود Mpa١٢۵٠ ‏يعني در حدود ۴ ‏برابر استحكام اوليه فولاد بوده و افزايش طول آن نيز در حدود 30% مي باشد. محصول توليد شده به روش فوق به دليل خواص مكانيكي عالي و سهولت انجام فرايند پتانسيل توليد در مقياس صنعتي را داراست.

به منظور توليد فولاد زنگ نزن آستنتي 201 L نانو ساختار با استحكام بالا، نمونه هايي از جنس فولاد مزبور آماده و تحت عمليات نورد سرد و آنيل قرار گرثتند. قبل از اعمال نورد سرد، به منظور همگن شدن ساختار نمونه ها به ميزان 150 دقيقه در درون يك كوره با دماي 1100 درجه سانتيگراد آنيل انحلالي شده و سپس بلافاصله در درون آب سرد شدند. اندازه دانه، سختي و استحكام تسليم نمونه هاي آنيار شده به ترتيب µm ٢٧ ، ٢٣٠ ويكرز و 330 MPa به دست آمد. پس از آماده كردن نمونه هاي آنيل شده و از بين بردن اكسيدهاي سطحي آنها كه در مرحله آنيل انحلالي بر روي سطح نمونه تشكيل شده بود، نمونه ها به ميزان 70% نورد سرد شدند. در مرحله بعد، نمونه هاي نورد شده به مدت ۵ دقيقه در درون يك كوره با دماي ٨٠٠ درجه سانتيگراد قرار گرفته و بلافاصله در آب سرد شدند. سپس نمونه ها مجددا به ميزان 80% نورد سرد شدند. در نهايت به منظور بازگشت مارتنزيت به آستنيت و دستيابي به ساختار نانو، نمونه هاي تغيير فرم داده شده در سيكل دوم به مدت ٣٠ ثانيه در درون يك كوره با دماي 80 درجه سانتيگراد قرار گرفتند. اندازه دانه نهايي، سختي و استحكام تسليم نمونه هاي آنيل شده، در اين شرايط به ترتيب 386.60 nm ويكرز و 1485 MPa به دست آمد.

فولاد هاي زنگ نزن آستنيتي معمولا مقاومت به خوردگي بسيار عالي و چقرمگي خوبي را از خود نشان مي دهند اما داراي استحكام تسليم نسبتا پاييني در حالت آنيل شده مي باشند. از ميان روش هاي استحكام دهي تنها روشي كه منجر به بهبود همزمان استحكام تسليم و چقرمگي مي شود، ريز دانه كردن مي باشد. با توجه به اين كه اين نوع از فولادها در دماهاي آنيل مرسوم دچار دگرگوني فازي نمي شوند دستيابي به اندازه دانه هاي بسيار ريز در اين فولادها با محدوديت روبرو است بهاين علت كه ، فولادهايزنگ نزناستنيتيدر دماهايآنيلمر سومد چاردگرگونيفازيتمي شوند. عمليات ترمومكانيكي ارائه شده در اين اختراع شامل نورد سرد سنگين به منظور تشكيل مارتنزيت ناشي از كرنش و به دنبال آن آنيل در دماهاي و زمانهاي كنترل شده جهت بازگشت آستنيت نانو / فوق ريز دانه از مارتنزيت ناشي از كرنش مي باشد. در اين مسير آزمايشات متعددي صورت گرفت. نتايج اين آزمايشات جهت مدل سازي به كمك شبكه هاي عصبي مصنوعي به كار گرفته شد و از روي آن ها شبكه اي جهت پيش بيني ساختار و خواص مكانيكي فولاد مذكور طراحي گرديد. نمودار حاصله را مي توان به عنوان نقشه راهنمائي جهت تدوين برنامه عمليات حرارتي با توجه اندازه دانه و خواص مكانيكي مورد نياز تلقي كرد.

اختراع حاضر در زمينه متالورژي و نانوفناوري مي‌باشد. دارا بودن سختي و استحكام نسبتاً كم، به ويژه استحكام تسليم از مهمترين محدوديتهاي فولادهاي كم كربن به شمار مي‌آيد. هدف از انجام اين تحقيق بهبود خواص مكانيكي و ريزساختاري فولاد كم كربن به وسيله افزودن عنصر نيوبيم و ريزدانه‌سازي ساختار با بكارگيري يك روش ترمومكانيكي پيشرفته و كاملاً صنعتي مي‌باشد. بدين منظور پس از ريخته‌گري فولاد كم كربن حاوي % 0/04 وزني نيوبيم، %0/14 وزني كربن و %0/63 وزني منگنز، عمليات تغيير‌شكل داغ (فورج داغ) در دماي ℃ 1100 انجام گرفت. در مرحله بعد با انجام آستنيته كردن فولاد در دماي ℃1200 و كوئنچ سريع آن ساختار به مارتنزيت تبديل شد. در ادامه بوسيله بكارگيري عمليات ترمومكانيكي پيشرفته شامل 50% نورد سرد در دماي محيط و متعاقب آن 50% نورد گرم در دماي ℃650 به فولاد فوق ريزدانه كم كربن با خواص ميكروساختاري و مكانيكي مطلوب دست يافته شد. فولاد توليد شده در اين اختراع به دليل دارا بودن خواص مطلوب مي‌تواند در هر مكاني كه نياز به استفاده از فلزات با استحكام و تافنس مناسب و مقاومت سايشي بالا را دارد، مورد استفاده قرار گيرد.

در اين اختراع فولاد ساده كربني فوق ريزدانه حاوي 0/13 درصد وزني كربن و 0/56 درصد وزني منگنز ريخته گري شده و سپس تحت عمليات تغيير شكل داغ (فورج داغ) در دماي 1100 درجه سانتي گراد قرار گرفت. در ادامه بوسيله بكارگيري عمليات ترمومكانيكي نوين شامل 50% نورد سرد در دماي محيط و متعاقب آن 50% نورد گرم در دماي 600 درجه سانتي گراد به فولاد فوق ريزدانه ساده كربني با استحكام و تافنس بالا، مقاومت سايشي مناسب و خواص ميكروساختاري مطلوب دست يافته شد. به دليل دارا بودن ويژگي هاي مذكور مي توان از اين فولاد در هر مكاني كه نياز به استفاده از مواد با استحكام، تافنس و مقاومت به سايش بالا را داشته باشد، استفاده كرد.