4.1 Evidențierea formării reversibile a martensitei induse prin tensiune la probele 40_MA

4.1.1. 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. Setul de probe 40_MA, laminate, au avut configurațiile conform Fig.4.1.

Fig.4.1 Set de probe 40_MA, laminate, cu grosimi de 0,9 mm: (a) diverse probe opm; (b) seturi de probe OPM și D; (c) probe laminate, înainte de debitarea prin electroeroziune; (d) rezerva de probe 40_MA

După laminare, s-a procedat la debitarea probelor prin electroeroziune, cu ajutorul unei mașini cu fir de Cu. Configurațiile corespunzătoare din cele trei tipuri de probe au fost incluse în Fig.4.1.

4.1.2. 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 40_MA_700, 40_MA_800; 40_MA_900, 40_MA_1000 și respectiv 40_MA_1100.

Fig.4.2 Identificarea martensitei induse termic prin XRD și OM la: (a) 40_MA_700; (b) 40_MA_800; (c) 40_MA_900; (d) 40_MA_1000 și (e) 40_MA_1100

4.1.3. 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.4.3 prezintă curbele de rupere caracteristice de rupere la tracțiune ale epruvetelor tratamente termic.

4.1.4. 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 %, 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). Prima serie exemplificatoare, de curbe de pretensionare, obținute la alungirea totală de 2% a probelor OPM, sunt date în Fig.4.4.

Fig.4.4 Curbe de pretensionare cu 2 % a probelor 40_MA de tip OPM

Se observă toate cele cinci probe au rezistat pre-tensionării până la alungirea maximă relativă de 2 %. În plus, creșterea temperaturii de tratament termic a produs scăderea tensiunii maxime atinsă la o alungire de 2 %. Exceptând proba tratată la 800⁰C, care s-a rupt, creșterea temperaturii de tratament termic a cauzat și creșterea alungirii remanente. Rezultă că, pentru alungirea maximă de 2 %, creșterea temperaturii de tratament termic a produs accentuarea comportamentului plastic.

Pentru a ilustra comportamentul la pretensionare prin tracțiune, până la alungirea maximă de 3 %, se prezintă în Fig.4.5 curbele tensiune-deformație exemplificatoare ale probelor cu configurația OPM.

Fig.4.5 Curbe de pretensionare până la alungirea maximă de 3 % a probelor OPM

În acest caz, cu excepția probelor tratate la 700 și la 1000⁰C, celelalte s-au rupt în timpul pretensionării, înainte de atingerea unei alungiri relative de 3 %. Din cauza fragilității excesive a probelor 40_MA tip OPM, pretensionările nu au mai continuat peste valoarea de 3 %.

4.1.5. Identificarea martensitei induse prin tensiune (MIT)

Pentru identificarea martensitei induse prin tensiune (MIT) la probele pre-tensionate, s-au utilizat: difracția de raze X (XRD), microscopia optică (OM) și microscopia 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, austenita γ-cfc și martensitele ε-hc și α’-cvc, pentru identificarea cărora s-au folosit datele din Tab.2.2, etapa a-II-a. Detaliile experimentale au fost prezentate în secțiunea 4.1.2.

Prima serie de difractograme, ilustrată în Fig. 4.6, se referă la probele tratate termic, nepretensionate.

Fig.4.6 Difractograme de raze X ale probelor 40_MA tip OPM călite prin punere în soluție, în stare inițială

În continuare sunt prezentate micrografiile optice ale probelor 40_MA, tratate termic, la cele cinci temperaturi sus-menționate, exemplificându-se efectele pretensionării a supra microstructurii observate. 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 aspecte generale, tipice pentru structura aliajelor analizate și detalii ale structurilor respective, pe care sunt identificate plăcile care pot fi atribuite martensitei α’ (cvc).

 

Fig.4.7 Micrografii optice tipice probelor 40_MA_700, în lumină polarizată: (a) aspect general al probei nedeformate; (b) detaliu cu plăci de martensită α’, la proba pretensionată cu 1,06 %; (c) aspect general al probei pretensionate cu 2,23 %; (d) detaliu al martensitei α’, la proba pretensionată cu 2,58 %; (e) aspect general al probei rupte la 3,2 %

Din analiza micrografiilor optice, din Fig.4.7, s-a determinat grafic o valoare de 20 μm pentru granulația medie. Odată cu creșterea temperaturii de tratament termic, se observă apariția maclelor de recoacere, sub forma unor benzi paralele, de contrast diferit față de matricea austenitică înconjurătoare. Martensita ε (hc), estimată la aprox. 15 %, apare sub formă de plăci foarte subțiri care nu se pot observa, clar, prin OM.

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.4.8 Micrografii SEM caracteristice probelor 40_MA_700: (a) în stare inițială; (b) pretensionată cu 1,06 %; (c) pretensionată cu 2,23 %; (d) pretensionată cu 2,58 %; (e) pretensionată cu 3,2 %

4.1.6. Reversia martensitei induse prin tensiune

Pentru ilustrarea reversiei martensitei induse prin tensiune s-au efectuat experimente repetate, de generare a efectului de memoria formei (EMF) cu revenire liberă, în scopul educării AMF, asociate cu analiza cinematografică a deplasării probei, după aceeași procedură ca în etapa a-III-a. Au fost selectate 2 lamele de aliaj 40_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, probele au fost șlefuite și lustruite. Cu ajutorul unor dispozitive speciale, această probă a fost rulată, treptat, imprimându-i-se o formă „rece” curbată. Ansamblul experimental și forma „rece”, inițială, a probei „needucate” pot fi observate în Fig.4.9.

Fig.4.9 Ansamblul de  40_MA, laminată la cald și netratată, probelor utilizate pentru experimentele cu efect de memoria formei (EMF) 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, conform Fig.4.9. Cu ajutorul unei camere digitale, au fost filmată deplasarea capătului probei, concomitent cu variația temperaturii. 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, pentru a se obține efectul de educare. După cinci cicluri, s-a observat efectul de educare evidențiat prin creșterea vitezei de deplasare și amplificarea deformației recuperate. Filmele înregistrate au fost analizate cadru-cu-cadru, obținându-se imagini ale poziției succesive a probei în timpul încălzirii, la diverse temperaturi. Fig.4.10 prezintă pozițiile inițială și finală, înregistrate în timpul primului ciclu de educare.

Fig.4.10 Imagini din timpul încălzirii în cadrul primului ciclu de educare prin EMF cu revenire liberă a unei probe lamelare din 40_MA laminată la cald: (a) la temperatura de 26⁰C; (b) la temperatura de 254⁰C

Se poate observa că după 14 secunde temperatura a crescut de la 26 la 254⁰C iar capătul liber al probei s-a deplasat de la h₂₆ = 138 mm la h₂₅₄ = 153 mm, cu valoarea Δh₁ = 15 mm, viteza de deplasare fiind de cca. 1,07 mm/s. În Fig.4.11 se prezintă rezultatele semnificative ale celui de-al doilea ciclu de educare.

 

Fig.4.11 Imagini din timpul încălzirii în cadrul celui de-al doilea ciclu de educare prin EMF cu revenire liberă a unei probe lamelare din 40_MA laminată la cald: (a) la temperatura de 24⁰C; (b) la temperatura de 294⁰C

Se poate observa că forma rece, imprimată la începutul celui de-al doilea ciclu, este la fel de încovoiată (deformată) ca forma rece de la începutul primului ciclu. În acest caz, temperatura a crescut de la 24 la 294⁰C în 23 de secunde iar deplasarea totală a fost Δh₂ = h₂₉₄-h₂₄ = 16 mm, cu o viteză de cca. 0,7 mm/s.

Repetarea ciclării a dus, în ciclului al treilea, la pozițiile extreme deplasate spre valori mai mici, după cum se observă din Fig.4.12. În acest caz, forma rece este în mod evident mai deformată, deoarece înălțimea caracteristică acesteia este h₂₈ = 115 mm. După 26 s, temperatura a crescut de la 28 la 163⁰C iar înălțimea capătului liber a atins h₁₆₃ = 134 mm. Deplasarea totală a fost Δh₃ = 19 mm iar viteza de cca. 0,73 mm/s.

 

Fig.4.12 Imagini din timpul încălzirii în cadrul celui de-al treilea ciclu de educare prin EMF cu revenire liberă a unei probe lamelare din 40_MA laminată la cald: (a) la temperatura de 28⁰C; (b) la temperatura de 163⁰C

Continuarea ciclării a produs o creștere clară a deformației admise de probă la imprimarea formei reci, ceea ce a dus la creșterea deplasării maxime, de la h₂₉ = 116 mm la h₂₄₈ = 136,5 mm, conform Fig.4.13.

 

Fig.4.13 Imagini din timpul încălzirii în cadrul celui de-al patrulea ciclu de educare prin EMF cu revenire liberă a unei probe lamelare din 40_MA laminată la cald: (a) la temperatura de 29⁰C; (b) la temperatura de 248⁰C

Trebuie remarcat că în acest caz s-a produs o rupere a probei educate însă educarea a continuat, cu o probă scrutată cu cca 10 mm. În aceste condiții se observă clar, prin compararea Fig.4.25(a) cu 4.26(a) că forma rece din ciclul al patrulea este mai deformată decât cea din ciclul al treilea. Deplasarea totală de 20,5 mm s-a produs în 17 s, cu o viteză de peste 1,2 mm/s. Pozițiile caracteristice celui de-al cincilea ciclu de educare sunt ilustrate în Fig.4.14.

 

Fig.4.14 Imagini din timpul încălzirii în cadrul celui de-al cincilea ciclu de educare prin EMF cu revenire liberă a unei probe lamelare din 40_MA laminată la cald: (a) la temperatura de 28⁰C; (b) la temperatura de 236⁰C

Se observă că h₂₈ = 110 mm iar h₂₃₆ = 134 mm, ceea ce dă o cursă totală de 24 mm, care s-a produs în 14 s, cu o viteză de peste 1,71 mm/s.

4.1.7. Corelarea rezultatelor legate de formarea și reversia MIT

Corelarea rezultatelor legate de formarea și reversia martensitei s-a realizat pe baza datelor din Tab.4.4., obținute pe baza difractogramelor de raze X, din Fig.4.6-4.11. Reprezentare cumulată a acestora este prezentată în Fig.4.15.

Fig.4.15 Diagramă cumulativă de variație a cantităților relative ale celor trei faze, conform Tab.4.4

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.4.16, 4.17 și 4.18 prezintă variațiile cantitative ale fazelor α’, ε și respectiv γ în funcție de temperatura de tratament termic și de gradul de pretensionare.

Fig.4.16 Variațiile cantității de martensită α’ în funcție de temperatura de călire de punere în soluție și de alungirea aplicată

Fig.4.17 Variațiile cantității de martensită ε în funcție de temperatura de călire de punere în soluție și de alungirea aplicată

Fig.4.18 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 40 % pulbere aliată mecanic, au prezentat cantități inițiale variind între aproape 56 și peste 78 % pentru martensita α’ și între 15 și 21 % pentru martensită ε (hc), ambele fiind induse termic;
• Creșterea alungirii aplicate a fost însoțită de tendințe globale de creștere ale cantităților de martensită α’ și austenită γ și de scădere a martensitei ε.

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

Analiza mecano-dinamică (DMA) s-a făcut pe probe de tip D (Fig.4.1), cu un termograf DMA 242 E NETZSCH. Probele 40_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, respectiv, 700, 800, …, 1100⁰C.

Fig.4.19 Termograme DMA ale probelor 40_MA_700

În conformitate cu observații efectuate pe probe de AMF tip Fe-Mn-Si care prezentau ambele forme de martensită, α’ (cvc) și ε (hc) și cu rezultatele din etapa 3, 2015, se consideră că cele două maxime ale frecării interne situate la A₅₀^α’ și A₅₀^ε corespund transformărilor α’ (cvc) → γ (cfc) și respectiv ε (hc) → γ (cfc). Cu ΔE’ s-a notat creșterea modulului de înmagazinare asociată cu transformarea antiferomagnetic → paragmagnetic a martensitei ε, care se produce la temperatura Neel.

Fig.4.20 Termograme DMA ale probelor 40_MA_800

În Fig.4.20 că, la proba 40_MA_800 transformarea antiferomagnetic → paragmagnetic a martensitei ε este foarte slabă, deoarece nu s-a putut evidenția o creștere sesizabilă a modulului de înmagazinare, E’. Această situație poate fi asociată cu valoarea relativ redusă, de cca. 0,0196, a celui de-al doilea maxim al frecării interne, localizat la A₅₀^ε. Pe de altă parte, în Fig.4.21 și 4.22 se observă că la probele 40_MA_900 și 40_MA_1000 lipsește primul maxim al tan d și nu s-a putut evidenția transformarea α’ (cvc) → γ (cfc).

 

Fig.4.21 Termograme DMA ale probelor 40_MA_900

Fig.4.22 Termograme DMA ale probelor 40_MA_1000

Fig.4.23 Termograme DMA ale probelor 40_MA_1100

4.2. Studiul efectelor alierii mecanice asupra migrației atomice

Pentru a studia efectele alierii mecanice, câte cinci grupuri de probe de tip D, din fiecare dintre cele cinci categorii analizate, 0_MA, 10_MA, …, 40_MA, cu proporții de pulbere aliată mecanic variind între 0 și respectiv 40 %, care au fost fiecare călite prin punere în soluție la câte cinci temperaturi între 700, 800, …, 1100⁰C, au fost supuse investigațiilor efectuate prin DMA, la temperatură constantă, cu variația amplitudinii (baleiere de amplitudine), de la 0,1 μm la valoarea maximă de 200 μm, cu o frecvență de 1 Hz.

În Fig.4.24 sunt prezentate rezultatele baleierii de amplitudine pentru proba 0_MA_700. Cele trei temperaturi de baleiere au fost T₁ = RT, T₂ = 325 și T₃ = 400⁰C. Pe diagrame se prezintă rezultatele primei baleieri (linie continuă) ale celei de-a doua (linie întreruptă) și a treia (linie-punct) precum și media celor trei baleieri (linie două puncte).

 

 Fig.4.24 Termograme DMA ale probelor 0_MA_700, înregistrate la baleierea de amplitudine la: (a) temperatura T₁ = RT; (b) temperatura T₂ = 325⁰C și (c) temperatura T₃ = 400⁰C

Se observă tendința de majorare, atât a frecării interne cât și a modulului de elasticitate, de la o baleiere la alta. În general, rezultatele celei de-a doua baleieri sunt mult diferite față de prima. La cea de-a treia baleiere, diferențele sunt mult mai mici, față e cea de-a doua. Odată cu creșterea amplitudinii de deformare este evidentă tendința de scădere a frecării interne, la toate cele trei temperaturi de baleiere. Pe de altă parte, modulul de elasticitate tinde să crească, la creșterea amplitudinii. Se remarcă prezența unui palier la variația modulului de elasticitate în funcție de amplitudine, în cazul baleierii la temperatura camerei.

Pentru o mai bună evidențiere a efectelor proporției de pulbere aliată mecanic, s-au prezentat variațiile valorii maxime a modulului de elasticitate, E’ și a valorii medii a frecării interne, tand_med, în Fig.4.25.

 

Fig.4.25 Ilustrare grafică a efectului proporției de pulbere aliată mecanic asupra variației valorii maxime a modulului de elasticitate, E’ și a valorii medii a frecării interne, tand_med în funcție de temperatura de tratament termic, obținute prin baleierea de amplitudine, conform Fig.4.39-4.63: (a) 0_MA; (b) 20_MA; (c) 40_MA

 Se remarcă, în general, tendința probelor analizate de a prezenta cele mai mari valori ale modulului maxim și cele mai mici valori ale frecării medii, atunci când sunt măsurate la temperatura camerei (RT).