3.1 Evidențierea formării reversibile a martensitei induse prin tensiune la probele 30_MA

3.1.1. Obținerea geometriei probelor

Pentru experimente, probele sinterizate au fost laminate la cald, la 1060⁰C. După șase treceri, grosimea probelor a scăzut de la 4 la 0,9 mm (Suru et al., 2014). Setul de probe 10_MA, laminate, au avut configurațiile conform Fig.3.1.

 

Fig.3.1 Set de probe 10_MA, laminate, cu grosimi de 0,9 mm

După laminare, s-a procedat la debitarea probelor prin electroeroziune, cu ajutorul unei mașini cu fir de Cu. Fig.3.2 ilustrează configurațiile corespunzătoare din cele trei tipuri de probe, un set tipic de astfel de probe și modul de depozitare a lor.

Fig.3.2 Detaliile geometriei probelor 30_MA utilizate în cadrul experimentelor: (a) geometriile celor trei tipuri de probe: os de pește” mare (OPM), „os de pește” mic (opm) și dreptunghiular (D); (b) exemplu de set de probe tăiate prin electroeroziune; (c) modul de depozitare a probelor

3.1.2. Obținerea martensitei induse prin temperatură

După debitare, probele au fost grupate în seturi compuse din 6 OPM, 5 opm și 4D, care au fost călite prin punere în soluție la temperaturi de 700, 800, 900, 1000 și respectiv 1100⁰C, cu menținere 5 minute și răcire în apă. Probele călite au fost notate 30_MA_700, 30_MA_800; 30_MA_900, 30_MA_1000 și respectiv 30_MA_1100.

 

Fig.3.3 Identificarea martensitei induse termic prin XRD și OM la: (a) 30_MA_700; (b) 30_MA_800; (c) 30_MA_900; (d) 30_MA_1000 și (e) 30_MA_1100

3.1.3. Încercarea la tracțiune

În vederea încercării la tracțiune s-au utilizat epruvete OPM care au fost curățate prin șlefuire și lustruire, cu ajutorul unor mașini speciale pentru aceste operații, de tip METKON.

Încercarea la tracțiune s-a efectuat până la rupere, pe o mașină de tip INSTRON 3382, conform standardului ISO 6892-1:2009. Viteza de deplasare a traversei mobile a fost de 1 mm/ min. În scopul determinării comportamentului materialului analizat, Fig.3.4 prezintă curbele de rupere caracteristice de rupere la tracțiune ale epruvetelor tratamente termic. Întrucât proba 30_MA_1100 nu s-a rupt până la alungirea maximă de 6 %, s-a renunțat la includerea acestei curbe în prezenta analiză.

Comparând cele patru curbe de rupere, se poate constata că cele corespunzătoare probelor călite la 700, 900 și 1000⁰C au un aspect diferit față de aspectul probei călite la 800⁰C. O variație complet curbă a tensiunii în funcție de alungirea relativă, pe care nu există practic, nici o porțiune liniară, este un efect al plasticității induse prin transformare (TRIP, En. Transformation induced plasticity) (Sawaguchi et al., 2007).

Fig.3.4 Curbe de rupere la tracțiune ale probelor 30_MA tratate termic, la temperaturile (⁰C) indicate de diagramă

Prezența austenitei reziduale, remarcată prin XRD în Fig.3.3, stă la baza fenomenului TRIP. Sub efectul deformației aplicate austenita se transformă continuu în martensită ε(hc), indusă prin tensiune, care, la valori mai mari ale efectului unitar se transformă în martensită α’ (cvc) indusă prin tensiune. Porțiunea curbată a regiunii plastice este caracterizată printr-o valoare mai ridicată a vitezei de ecruisare, ca urmare a creșterii vitezei de coliziune a variantelor de plăci de martensită (Koyama et al., 2007). Pe de altă parte, regiunea plastică a curbe de rupere a probei călite prin punere în soluție de la 800⁰C este mult mai liniară și se produce cu o viteză de ecruisare constantă, fiind caracteristică plasticității induse prin alunecarea dislocațiilor (Tomota et al., 1986).

3.1.4. Obținerea martensitei induse prin tensiune (MIT)

Inducerea prin tensiune a martensitei s-a efectuat printr-o încărcare și o descărcare la tracțiune. Știind că nivelul maxim recomandat al deformației este de 4 % (Stanford et al., 2008), s-au utilizat datele din secțiunea precedentă pentru obținerea unor alungiri remanente în jur de maximum 4 % dar din ce în ce mai mari, ceea ce înseamnă că alungirea maximă (totală) a fost mai mare. Prin această limitare s-a căutat să se evite inducerea prin tensiune a unei cantități suplimentare de martensită α’ (cvc) (Bracke et al, 2006). Prima serie de curbe de pretensionare, obținute la alungirea totală de 2% a probelor OPM, sunt date în Fig.3.5

Fig.3.5 Curbe de pretensionare cu 2 % a probelor 30_MA de tip OPM

Se observă toate cele cinci probe au rezistat pre-tensionării până la alungirea maximă relativă de 2 %. Tensiunile maxime atinse la această deformație maximă au fost:

• după punerea în soluție la 700⁰C       → 526 MPa;
• după punerea în soluție la 800⁰C       →555 MPa;
• după punerea în soluție la 900⁰C       → 703 MPa;
• după punerea în soluție la 1000⁰C     → 673 MPa.
• după punerea în soluție la 1100⁰C     → 469 MPa.

Se remarcă o tendință de creștere a rezistenței mecanice odată cu cantitatea de martensită α’ (cvc), întrucât proba călită de la 900⁰C a prezentat cel mai mare maxim de difracție al acestei faze, în Fig.3.3.

Pentru a ilustra comportamentul la pretensionare prin tracțiune, până la alungirea maximă de 3 %, se prezintă în Fig.3.6 curbele tensiune-deformație ale probelor cu configurația OPM.

Fig.3.6 Curbe de pretensionare până la alungirea maximă de 3 % a probelor OPM

În acest caz, probele tratate la 700 și la 900⁰C s-au rupt în timpul pretensionării, motiv pentru care solicitarea a fost reperată. Dar nici a doua probă nu rezistat încercării, ruperile producându-se la alungirile maxime de 1,66 și 2,05 % corespunzătoare unor tensiuni maxime de 721, respectiv 780 MPa, în cazul probei tratate la 700⁰C. În mod analog, proba călită de la 900⁰C au suportat alungiri maxime de 1,15 și 1,54 % corespunzătoare unor tensiuni maxime de 570, respectiv 519 MPa. Pentru celelalte probe, care nu s-au rupt tensiunile maxime, atinse la această deformație maximă, au fost:

• după punerea în soluție la 800⁰C       → cca. 742 MPa;
• după punerea în soluție la 1000⁰C     → cca. 690 MPa;
• după punerea în soluție la 1100⁰C     → cca.650 MPa.

La probele pretensionate se poate constata o tendință de scădere a tensiunii maxime, la creșterea temperaturii de tratament termic. Următoarea serie de teste de pretensionare s-au efectuat până la 4 %, conform Fig.3.7.

Fig.3.7 Curbe de pretensionare până la alungirea maximă de 4 % a probelor OPM

3.1.5. Identificarea martensitei induse prin tensiune (MIT)

Pentru identificarea martensitei induse prin tensiune, s-au utilizat difracția de raze X (XRD), microscopia optică (OM) și electronică cu baleiaj (SEM).

Analiza structurală calitativă și cantitativă prin difracție de raze X s-a efectuat pe porțiunea 2θ = 40 – 100⁰. S-au luat în considerație trei faze metalografice, pentru identificarea cărora s-au folosit datele din Tab.2.2, etapa a-II-a. Detaliile experimentale au fost prezentate în secțiunea 3.1.2.

Prima serie de difractograme, ilustrată în Fig. 3.8, se referă la probele tratate termic, nepretensionate.

Fig.3.8 Difractograme de raze X ale probelor 30_MA tip OPM călite prin punere în soluție, în stare inițială

Fig.3.9 Difractograme de raze X ale probelor 30_MA_700 de tip OPM călite prin punere în soluție la 700⁰C

În continuare sunt prezentate micrografiile optice ale probelor 30_MA, tratate termic. După șlefuire și lustruire, s-a efectuat un atac chimic cu o soluție de 1.2% K₂S₂O₅ + 1% NH₄HF₂ in 100 ml apă distilată. Micrografiile optice prezintă câte un aspect general, tipic pentru structura aliajelor respective și câte un detaliu al acestei structuri, pe care sunt identificate plăcile care pot fi atribuite martensitei α’ (cvc).

 

Fig.3.10 Micrografii optice tipice probelor 30_MA_700, în lumină polarizată: (a) aspect general al probei nedeformate; (b) detaliu cu plăci de martensită α’, la proba nedeformată; (c) aspect general al probei pretensionate cu 1,63 %; (d) detaliu al martensitei α’, la proba pretensionată cu 1,63 %; (e) aspect general al probei pretensionate cu 2,04 %; (f) detaliu al probei pretensionate cu 2,04 %; (g) aspect general al probei pretensionate cu 2,14 %; (h) detaliu al probei pretensionate cu 2,14 %.

Creșterea temperaturii de călire de punere în soluție a favorizat inducerea termică a martensitei α’ (cvc) (Saito et al, 2014). Se poate observa că microstructura tuturor probelor analizate conține formațiuni aciculare de culoare albă, puternic profilate, care pot fi atribuite martensitei α’ (cvc), identificate pe fiecare dintre cele cinci figuri. Lățimea plăcilor este de ordinul a 2-4 µm.

Creșterea gradului de pretensionare a favorizat finisarea plăcilor de martensită, știut fiind că, la creșterea tensiunii aplicate, această fază indusă prin tensiune se dezvoltă prin germinarea și creșterea de noi plăci și prin creșterea plăcilor pre-existente (Zao, 1999). Martensita ε(hc), identificată pe difractogramele de raze X în proporții aproximative de 7,5-20,7 %, nu poate fi observată din cauză că este foarte fină și ocupă un volum mult mai mic decât martensita α’.

Deoarece plăcile de martensită ε(hc) sunt relativ greu de observat și devin sesizabile doar la puteri foarte mari de mărire, se prezintă, în continuare, rezultatele obținute prin analiză SEM. Fig.3.11 Prezintă micrografii SEM caracteristice pentru probele 30_MA_700.

Fig.3.11 Micrografii SEM caracteristice probelor 30_MA_700: (a) în stare inițială; (b) pretensionată cu 1.31 %; (c) pretensionată cu 1,63 %; (d) pretensionată cu 2,04 %; (e) pretensionată cu 2,14 %

Micrografia din Fig.3.11(a), corespunzătoare probei nepretensionate, permite vizualizarea plăcilor de martensită α’ (cvc). Este evident relieful acestora și dezvoltarea lor incompletă, în interiorul grăuntelui de austenită, fără să-i atingă limitele. În Fig.3.11(b) este ilustrat un exemplu de morfologie „triunghiulară” a martensitei ε(hc), fiind marcate trei dintre variantele cristalografice de plăci ale acestei faze. Micrografiile din figurile următoare prezintă multiplicarea și finisarea plăcilor de martensită, odată cu creșterea gradului de pretensionare. La un grad de pretensionare de 2,14 %, Fig.3.11(e) prezintă o zonă cu plăci grosolane de martensită α’ (cvc) și mai multe variante cristalografice de plăci de martensită ε(hc), formând morfologia „triunghiulară”. Pentru grupul de plăci din partea dreaptă-jos a micrografiei, distanța medie dintre plăci este de 670 nm iar grosimea lor de 300 nm.

3.1.6. Reversia martensitei induse prin tensiune

Varianta experimentelor de monitorizare a efectului de memoria formei cu revenire liberă, asociată cu analiza cinematografică a deplasării probei, a fost selectată, ca fiind cea mai accesibilă, în cazul de față. În acest scop, au fost selectate 2 lamele de aliaj 30_MA, laminate la cald, care nu au fost tratate termic. Probele au fost ajustate, astfel încât să aibă muchii paralele care în final au fost teșite, pentru a nu genera fisuri. Pentru ușurarea deformării plastice, una dintre probe a fost șlefuită și lustruită până la grosimea de 0,2 mm Cu ajutorul unor dispozitive speciale, această probă a fost rulată, treptat, imprimându-i-se o formă „rece” curbată. Forma „caldă”, obținută prin laminarea la cald, era și ea curbată însă mult mai puțin. Cele două forme pot fi observate în Fig.3.12.

Fig.3.12 Macrografii cu profilele probelor utilizate pentru experimentele cu efect de memoria formei cu revenire liberă

După imprimarea formei reci, proba a fost fixată într-un dispozitiv și încălzită cu un arzător mobil, cu flacără. Prin EMF cu revenire liberă, proba și-a recuperat parțial forma caldă, mai apropiată de cea rectilinie. Temperatura probei a fost măsurată cu un multimetru digital, dotat cu termocuplu, care a fost fixat pe suprafața inferioară a probei, neexpusă la flacăra arzătorului. Cu ajutorul unei camere digitale, au fost filmată deplasarea capătului probei, concomitent cu variația temperaturii. Această metodă a mai fost utilizată și în cadrul altor experimente (Bujoreanu et al., 2008). După atingerea unei temperaturi de cca. 400⁰C, s-a considerat că reversia martensitei este completă. S-a îndepărtat flacără și s-a aplicat răcire cu apă. Apoi proba a fost deformată din nou și experimentul a fost repetat. După cinci-zece cicluri, s-a observat efectul de educare (Murakami et al., 1987) evidențiat prin creșterea vitezei de deplasare și amplificarea deformației recuperate. Filmul înregistrat a fost analizat cadru-cu-cadru, obținându-se imagini ale poziției succesive a probei în timpul încălzirii. Fig.3.13 prezintă trei astfel de exemple, înregistrate în ultimul ciclu de educare.

Fig.3.13 Imagini din timpul încălzirii în cadrul experimentelor de educare prin EMF cu revenire liberă: (a) la temperatura camerei; (b) la 161⁰C; (c) la 398⁰C

3.1.7. Corelarea rezultatelor legate de formarea și reversia MIT

Corelarea rezultatelor legate de formarea și reversia martensitei s-a realizat pe baza datelor obținute pe baza difractogramelor de raze X. Reprezentare cumulată a acestora este prezentată în Fig.3.14.

Fig.3.14 Diagramă cumulativă de variație a cantităților relative ale celor trei faze, conform Tab.3.4

Se poate remarca diferența clară între cantitatea de fază α’ (cvc) și cantitățile de fază ε (hc) și γ (cfc). Prin intermediul unor diagrame 3-D, care ilustrează variațiile cantităților procentuale ale celor trei faze, α’, ε și γ în funcție de temperatura călirii de punere în soluție, s-a realizat corelarea rezultatelor legate de formarea și reversia martensitei induse prin tensiune. Fig.3.15, 3.16 și 3.17 prezintă variațiile cantitative ale fazelor α’, ε și respectiv γ în funcție de temperatura de tratament termic și de gradul de pretensionare.

Fig.3.15 Variațiile cantității de martensită α’ în funcție de temperatura de călire de punere în soluție și de alungirea aplicată

Fig.3.16 Variațiile cantității de martensită ε în funcție de temperatura de călire de punere în soluție și de alungirea aplicată

Fig.3.17 Variațiile cantității de austenită γ în funcție de temperatura de călire de punere în soluție și de alungirea aplicată

Concluziile acestui studiu corelativ sunt următoarele:

• Probele de Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni (% m) obținute prin metalurgia pulberilor și conținând 30 % pulbere aliată mecanic, au prezentat cantități inițiale variind între aproape 65 și peste 86 % pentru martensita α’ și între 13 și 19 % pentru martensită ε (hc), ambele fiind induse termic;
• Creșterea alungirii aplicate a fost însoțită de tendință globală de creștere ale cantităților de martensită ε și austenită γ și de scădere a martensitei α’.

3.1.8. Analiza mecano-dinamică (DMA) la scanare termică

Analiza mecano-dinamică (DMA) s-a făcut pe probe de tip D (Fig.3.2), cu un termograf DMA 242 E NETZSCH. Probele 30_MA au fost analizate la frecvența de 1 Hz și amplitudinea de 20 µm, cu dispozitivul de încovoiere în trei puncte, fiind încălzite sub atmosferă protectoare până la 400⁰C. Termogramele DMA au înregistrat variațiile modulului de înmagazinare (E’) și ale frecării interne (tan d) în funcție de temperatură (T), pentru probele tratate termic la 700, 800, …, 1100⁰C.

Fig.3.18 Termograme DMA ale probelor 30_MA_700

 3.2 Concluzii

• Atât prin difracție de raze X, cât și prin microscopie optică, s-a confirmat formarea martensitelor α’ (cvc) și ε(hc) în urma călirii de punere în soluție a probelor 30_MA.
• Încercarea de rupere la tracțiune a evidențiat o tendință clară de scădere a modulului de elasticitate și o tendință generală de reducere a rezistenței mecanice, odată cu creșterea temperaturii de călire de punere în soluție.
• Probele au prezentat o fragilitate deosebită asociată cu prezența unei cantități mari de martensită α’ (cvc) indusă termic și cu gradul de porozitate de 4,79 % al probelor, singura care a putut fi pretensionată până la 4 % fiind proba călită de la 1100⁰C
• Pretensionarea a produs o tendință globală de creștere a cantităților de martensită α’ (cvc) și ε (hc) și finisarea dimensiunilor lor.
• Difracția de raze X a permis observare unei cantități de martensită α’ (cvc), variind de la 57,81, la proba tratată la 1100⁰C și pretensionată cu 2,26 % și până la 86,41 %, la proba tratată la 700⁰C, în stare inițială, nepretensionată, ceea ce confirmă prezența majoritară a acestei faze în structura probelor 30_MA.
• Martensită ε (hc) a variat între 7,49 %, la proba călită de la 1000⁰C, pretensionată cu 1,1 % și o valoare maximă de 20,71 %, la proba călit de 900⁰C, pretensionată cu 1,02 %.
• Creșterea temperaturii de călire, a produs trei modificări distincte ale structurii probelor 30_MA: (i) lățimile plăcilor de martensită α’ (cvc) au scăzut de la cca 4 la aprox. 2 µm; (ii) granulația medie a crescut de la 18 la 21 µm și (iii) a crescut densitatea maclelor de recoacere.
• Observațiile prin SEM au permis studierea plăcilor de martensită ε (hc), care au grosimi de ordinul a 300 nm și spațieri de ordinul a 600 nm, prezentând o tendință de dezvoltare după o direcție cristalografică unică, în cadrul aceluiași grăunte austenitic.
• Martensita ε (hc) poate prezenta morfologii de tip „triunghiular” sub forma a trei variante cristalografice de tip {111}_γ.
• Plăcile de martensită α’ (cvc) au un relief pronunțat, sunt mai scurte și mai grosolane decât plăcile de ε, având tendința de a se curba iar în cazuri limitate, pot traversa limitele grăunților de austenită.
• Maclele de recoacere sunt favorizate de creșterea temperaturii de călire de punere în soluție, se dezvoltă pe tot diametrul grăuntelui austenitic și fragmentează plăcile de martensită ε.
• Reversia, în austenită, a martensitei induse prin tensiune s-a produs la încălzire și fost însoțită de efect de memoria formei cu revenire liberă, la încovoiere, asociat cu o deplasare a capătului liber de 22,5 mm, care aluat sfârșit la temperatura critică A_f = 342,4⁰C.
• Reversia celor două tipuri de martensită, α’ (cvc) și ε (hc), a fost confirmată prin două maxime ale frecării interne, care s-au observat prin DMA, la încălzire.
• Temperaturile ambelor transformări martensitice inverse manifestă o tendință generală de creștere, odată cu temperatura de tratament termic.
• La temperatura Néel, a tranziției antiferomagnetic-paramagnetic, s-au produs creșteri ale modulului de înmagazinare de cca. 2,1 – 4, 1GPa.
• Creșterea maximă, de aprox. 4,1 GPa s-a observat la proba călită de la 900⁰C, care a manifestat cea mai mare fragilitate, în timpul pretensionării.