بخشی از مقاله
بررسی مکانیزم جوانه زنی و رشد ترك خستگی در فولاد مرتبه اي آستنیت-مارتنزیت-آستنیت تولید شده توسط فرآیند ذوب دوباره سرباره اي
چکیده
در روش ذوب دوباره سرباره اي الکترودهاي اولیه شامل فولاد زنگ نزن آستنیتی و فولاد ساده کربنی می باشند که با چیدمان و ترتیب گوناگون به یکدیگر جوش داده می شوند و در نهایت این الکترود مرکب در طی فرآیند دوباره سرباره اي ذوب می شود. در این روش ، فولاد مرتبه اي توسط نفوذ و جابجایی عناصر آلیاژي (نیکل و کروم) و کربن تولید می شود. در واقع عناصر آلیاژي و کربن با درصد بیشتر به منطقه اي که درصد کمتري دارد و یا یک شیب غلظتی وجود دارد ، نفوذ کرده و سبب تغییر ساختار می شود. بنابراین ، این امکان وجود دارد که یک کامپوزیت فولادي با ترکیبات مختلفی از جمله فریت ، پرلیت ، آستنیت ، بینیت و مارتنزیت بدست آید. در این تحقیق آزمون خستگی خمشی-دورانی بر روي نمونه هاي ساخته شده از فولاد مرتبه اي انجام شده و در نهایت سطح شکست خستگی مورد بررسی قرار گرفته است. تصاویر میکروسکوپ الکترونی از سطح شکست خستگی نشان می دهند که جوانه زنی ترك از سطح نمونه (فاز آستنیت) شروع شده و با رسیدن به مرز مشترك فاز آستنیت-مارتنزیت ترك شروع به شاخه شاخه شدن می کند. این روند رشد ترك باعث افزایش عمر خستگی شده است. در این مقاله، تحلیل دقیقی از مکانیزم هاي جوانه زنی و رشد ترك در اثر خستگی فولاد مرتبه اي تولید شده صورت گرفته است.
واژه هاي کلیدي: جوانه زنی و رشد ترك خستگی ، فولاد مرتبه اي ، نفوذ ، ذوب دوباره سرباره اي
مقدمه
فلز تحت تنش تکراري یا نوسانی در تنشی به مراتب کمتر از تنش لازم براي شکست در اثر یک مرتبه اعمال بار خواهد شکست. شکست هایی که در شرایط بارگذاري دینامیک رخ می دهند شکست هاي خستگی1 نامیده می شوند. این نامگذاري احتمالا مبتنی بر این دلیل است که به طور کلی مشاهده می شود شکست ها فقط پس از یک دوره کار زیاد رخ می دهند. هیچ گونه تغییر واضحی در ساختار فلزي که به علت خستگی می شکند وجود ندارد تا بتوان به عنوان مدرکی براي شناخت دلایل شکست خستگی از آن استفاده کرد. دلیل عمده خطرناك بودن شکست خستگی این است که بدون آگاهی قبلی و قابل رویت بودن ، رخ می دهد. معمولاسطح شکست در مقیاس ماکروسکوپی بر جهت تنش کششی اصلی عمود است. سطح شکست خستگی از ظاهر سطح شکست تشخیص داده می شود،که از یک ناحیه هموار حاصل از عمل سایش با اشاعه ترك در مقطع و یک ناحیه ناهموار که در هنگام عدم تحمل بار توسط مقطع ، در قطعه به صورت نرم شکسته شده است ، تشکیل می شود. غالبا پیشرفت شکست توسط یک دسته حلقه هم مرکز نشان داده می شود،که از نقطه شروع شکست به طرف داخل پیشرفت می کند. به طور کل شکست خستگی توسط سه مرحله تعریف می شود: جوانه زنی و ایجاد ترك2 ، رشد ترك3 و شکست نهایی.4 سهم نسبی هر مرحله از کل چرخه هاي مسبب شکست ، به شرایط آزمایش و ماده بستگی دارد. هر چه سطح تنش پایین تر باشد تعداد سیکل هاي لازم براي شکست و زمان لازم براي جوانه زنی ترك بیشتر می شود.
ترکیب چند ماده به صورت یک جزء ، در بسیاري از موارد ، بهبود بسیاري در کارایی آن ایجاد می کند. مواد مرتبه اي5 مواد مفیدي هستند که از ترکیب چند ماده به دست آمده و ترکیب و خواص آنها به تدریج در کل یا قسمتی از ماده تغییر می کند.[1]دسته اي از مواد مرتبه اي ، متغیري از لایه هاي مواد مختلف همگن و فصل مشترك دو ماده هستند.[2] اغلب سطوح مشترك در کامپوزیت ها دربرگیرندهي نواقص (حاصل از پیوند ناقص یا تنشهاي باقیمانده و ...) میباشند. حتّی، در غیر اینصورت، عدم تطابقِ خواص در سراسر سطوح مشترك، منجر به تمرکز تنش و در نتیجه یک مکان مستعد براي تركخوردن، گسست پیوند و پارگی در حین سیکلهاي عملیاتی معمولی میشود. براي بهبود استحکام پیوند در دو طرف سطوحمشترك و اتّخاذ مزیت کاملتر از تکنولوژي کامپوزیت، یک راهحل ممکن، مواد مرتبهاي میباشند. عبارت مواد مرتبه اي در سال 1972 در ژاپن به هنگام توسعه صنایع هوافضا به کار رفت.[3] بیش از 15 سال طول کشید تا اینکه در سال 1987 تحقیقات اصولی بر روي فرایندهاي تولید مواد مرتبهاي در چارچوب یک برنامه تحقیقاتی ملی در ژاپن شروع به فعالیت نمود و تا مارس سال 1991 ادامه پیدا کرد.
محرکه اصلی جهت توسعه مواد مرتبه اي ایجاد تغییر جزئی در ترکیب و خواص اتصال دو ماده مختلف است تا تنش در محل اتصال آنها نسبت به فصل مشترك دو ماده و همچنین استحکام فصل مشترك و احتمال جدا شدن آنها کمتر شود. به طور کلی، مواد مرتبهاي، موادمرکّب غیرهمگنی
هستند که از ترکیب چند ماده مختلف تشکیل شده و ترکیب یا درصد حجمی اجزاي تشکیلدهنده آن به طور پیوسته و تابع موقعیت در امتداد یک یا دو بعد خاص متغیر است (شکل .(1 درنتیجه، خواص و ساختار آنها به طور پیوسته در امتداد همان ابعاد تغییر خواهد کرد.
ذرات فاز 2 در زمینه
فاز 1
ناحیه انتقال
ذرات فاز 1 در زمینه فاز 2
شکل 1 تصویر یک ماده مرتبهاي با فازهاي مرتبهاي تشکیل دهنده در جهت عمودي [1]
اختلاف ضریب انبساط حرارتی بین الیاف و ماتریس در مواد کامپوزیتی، مشکلات دیگري به دلیل وجود تنشهاي پسماند به وجود میآورد. در مواد مرتبهاي، به دلیل تغییر تدریجی در کسر حجمیموادتشکیلدهنده (بجاي تغییر ناگهانی آنها)، این مشکلات کاهش پیدا میکند. روشهاي تولید مواد مرتبهاي، شامل نشست شیمیایی و فیزیکی از فاز بخار، فرایندهاي پودري، روشهاي نفوذي، فرایند انتخابی و ریختهگري رانشی میباشد .[4] آقازاده و شاهحسینی [5] بـا اسـتفاده از روش ذوب دوبارهي سربارهاي الکتریکـی6، فولادهاي مرتبـهاي تولید کردند که انجام استحالههـاي متـالورژیکی در آنها، سبب ایجاد فازهاي جدیدي میشود. این مواد، علاوه بر اینکه خــود داراي خــواص مکــانیکی متفــاوتی نــسبت بــه اجــزاي سازندهي اولیه میباشد، باعث تغییرتدریجیِخـواص در مـواد اولیه نیز میشود. شیب موجود در این گونه کامپوزیتها از نوع ترکیب شیمیایی بوده که موجب تغییر در ریزساختار میگردد و به جاي داشتن یک ترکیبِ مشخص در فصل مشترك، یک تغییر شیب آهسته از یک جزء به جزء دیگر وجود خواهد داشت.
در طی فرایند ذوب، فازهاي مختلفی در حین فرآیند نفوذ ایجاد گرددمی . هنگام نفوذ عناصر آلیاژي، نواحی مختلفی بـا مشخصـات انتقـالیِ متفـاوت ایجاد میگردد و بنابراین، میتوان شاهد ترکیباتی متفاوت از فازهاي اولیه مانند فریت((α، آستنیت((γ، مارتنزیت (M) و باینیت((β بود. فـولادهـاي مرتبهاي به عنوان مواد مرتبهاي با گرادیان استحکام شناخته میشود. سـاختارهاي بـه وجـود آمـده در شـکل2 نشـان داده شـده اسـت. در روش ذوب دوباره سرباره اي ، فولاد مرتبه اي توسط نفوذ و جابجایی عناصر آلیاژي (نیکل و کروم) و کربن تولید می شود.[7] در تحقیق حاضـر بعـد از آمـاده سازي الکترودهاي فریتی و آستنیتی و اتصال آنها (جوشکاري با گاز محافظ دي اکسید کربن) با چیدمان مشخص ، عملیات ذوب ESR انجام مـی
شود. سپس با استفاده از عملیات پرس و نورد گرم ضخامت شمش بدست آمده در فرآینـد ESR را بـه صـورت تـدریجی کاسـته، تـا در نهایـت بـه ضخامت دلخواه برسد.
شکل2 الف) ساختارهاي به وجود آمده در کامپوزیت [6] γMγ ب)ساختارهاي به وجود آمده در کامپوزیت [6] γβα
بعد از ساخت نمونه هاي خستگی و بارگذاري آنها در دستگاه آزمون خستگی خمشی-دورانی تیر یکسر گیردار7 ، سطح شکست و تعداد سیکل هاي منجر به شکست مورد مطالعه قرار می گیرد.
مواد و روش تحقیق
.1 روش ذوب دوبارهي سربارهاي
ابتدا الکترودهاي مورد نظر تهیه شده و سپس به کمک جوشکاري با گاز محافظ دي اکسید کربن به یگدیگر متصل می شوند. الکترود مرکب در نهایت به دنباله دستگاه ESR جوشکاري می شود (شکل .(3
شکل3 نمایی از اتصال الکترود ها
ترکیب شیمیایی الکترودها در جدول1 نشان داده شده است. که شامل فولاد ساده کربنی AISI 1011 و فولاد زنگ نزن آستنیتی AISI 316L می باشد.
جدول1 ترکیب شیمیایی الکترودهاي اولیه
سپس با استفاده از دستگاه ذوب دوباره سرباره اي که در شکل 4 تصویر شماتیکی از آن آمده است ، عملیات ذوب انجام می شود. در این روش الکترود از قسمت انتهایی در حمام سرباره درون یک قالب آبگرد غوطهور میشود. حرارت لازم بهوسیله یک جریان الکتریکی بین الکترود و پایه-ي هادي (که قالب روي آن قرار میگیرد) تولید میشود. حمام سرباره8 بهعنوان جزء مقاومتی مدار عمل میکند. هنگامیکه درجه حرارت سرباره به بالاي درجه حرارت ذوب فلز رسید، نوك الکترود ذوب شده و یک لایه نازك از فلز مذاب به صورت قطره درمیآید. قطرهي مذاب قبل از عبور از سرباره و جمع شدن در کف قالب، در تماس با سرباره تصفیه میگردد . وظایف سرباره در واقع شامل فراهم کردن گرماي لازم براي فرایند ،
یک حلاّل براي مواد غیرفلزي ، بهعنوان عامل تصفیه در فرایند ، محافظت در برابر آلودگی و بهعنوان یک آستر براي قالب می باشد. در این تحقیق جنس سرباره ترکیبی از آلومینا ، آهک (CaO) و کلسیم فلوراید می باشد (شکل .(5
شکل4 جزئیات دستگاه [1] ESR شکل5 مخلوطی از آلومینا ، آهک و کلسیم فلوراید به عنوان سرباره
