بخشی از مقاله
مقدمه
فولادهای AISI321 وAISI347 ، فولادهای زنگ نزن آستنیتی هستند که حاوی تیتانیوم و نیوبیوم به عنوان عناصر پایدارساز میباشند. این فولادها به دلیل مقاومت خوردگی بین دانه ای ومقاومت خزشی بالایی که دارند، میتوانند برای کاربردهای دمای بالا انتخاب شوند - . - Pickering, 1983
عناصر تیتانیوم و نیوبیوم به منظور تشکیل کاربیدهای ظریف تیتانیوم و نیوبیوم به این فولادها افزوده میشوند که باعث افزایش مقاومت به خزش می شوند و از حساسیت به خوردگی بین دانهای فولاد در محدوده دمایی حساس شدن جلوگیری میکنند . - Pickering, 1983 - حتی در مورد این فولادها حملهی بین دانهای نیز میتواند در موقعیّتهای خاص رخ دهد. این نوع حمله وقتی رخ می دهد که کاربیدهای پایدار شده تیتانیوم و نیوبیوم در دماهای بالاتر در منطقهی درست در مجاورت ناحیهی ذوب حل می شوند وبنابراین اتم های کربن آزاد در این ناحیه باقی میمانند. در هنگام حرارت دیدن مجدد جوش در محدوده دمایی 450 تا 850◦C، کاربیدهای غنی از کروم نسبت به کاربیدهای تیتانیوم و نیوبیوم سریعتر تشکیل شده و منجر به ناحیهی حساس شدهی باریکی میشوند . - ASM Handbook, 1993 - لذا هنگامی که فولادهایAISI321 وAISI347 برای سرویسدهی در این محدوده دمایی انتخاب می گردند، باید به منظور رسوبدادن مجدد کاربیدهای تیتانیوم و نیوبیوم تحت عملیات حرارتی آنیل انحلالی و پایدار سازی قرارگیرند. اکثر تحقیقات حاضر در این زمینه بیشتر بر روی فلز پایه فولادهای زنگ نزن آستنیتی AISI321 وAISI347 میباشد - - Kina and Souza and Tavares and Souza and Abreu ,2008;Narita,1975;Celiadesusa and Filho,2006 و تحقیقات انجام شده بر روی فلز جوش بیشتر در رابطه با اثر پیرسازی بر ریز ساختار و خواص مکانیکی است - Guan and Xu and Zhang and Wang ,2005 ; Guan and Xu and Xu and Wang ,2005 - و کمتر تاثیر عملیات حرارتی آنیل بر خوردگی بین دانهای فلز جوش فولادهای AISI321 وAISI347 بررسی شده است . - Umoru,2005 ; Kina and Souza and Tavares and Souza and Abreu ,2008 - با توجه به کاربرد وسیع فولاد زنگ نزن 321 در صنایع نیروگاهی وهمچنین عدم وجود دانش فنی کافی در مورد جوشکاری وعملیات حرارتی پس از جوشکاری این فولاد، یافتن بهترین شرایط عملیات حرارتی به منظور جلوگیری از وقوع خوردگی بین دانهای در مقاطع جوشکاری شده از جنس فولاد زنگ نزن 321 ضروری میباشد.
هدف از این کار بررسی تاثیر سیکل های عملیات حرارتی تنش زدایی، آنیل انحلالی و پایدارسازی بر روی مقاومت خوردگی بین دانهای مقاطع جوشکاری شده فولاد زنگ نزن آستنیتی AISI321 میباشد.
روش پژوهش
ورق فولادی زنگ نزن آستنیتی AISI321 با ترکیب شیمیایی مطابق با جدول1 به عنوان ماده اولیه در این تحقیق انتخاب شد. جوشکاری ورق فولادی زنگ نزن آستنیتی AISI321 توسط فرآیند جوشکاری قوس الکتریکی فلز-گاز - - GMAW با گاز محافظ نود و هفت درصد آرگون و سه درصد اکسیژن و با سیم جوش AWS ER347 - جدول - 2انجام شد. پس از آن نمونه ها تحت محافظت گاز دی اکسید کربن عملیات حرارتی شدند. عملیات های حرارتی اعمال شده، عملیات حرارتی تنش زدایی وعملیات حرارتی آنیل انحلالی و پایدار سازی بودند. برای گروه اول نمونهها عملیات آنیل انحلالی در 1100◦C برای 3 ساعت انجام شدو پس از آن نمونهها به مدت 2 ساعت در دمای900 ◦C پایدارسازی شدند. گروه دوم نمونه ها به مدت 2 ساعت در دمای 980◦C مورد عملیات حرارتی تنش زدایی قرار گرفتن و تا دمای 400◦C در کوره نگه داشته شده و پس از آن در هوا خنک شدند. به منظور مقایسه شدت حساس شدن درنمونه های مختلف توسط آزمون های الکتروشیمیایی، عملیات حساس سازی در دمای 675◦C به مدت 10 ساعت انجام شد. در شکل 1 یک توالی شماتیکی از عملیات های حرارتی انجام شده بر روی نمونهها آمده است. مقاومت خوردگی بین دانه ای توسط آزمون فعالیت مجدد پتانسیو کینتیکی الکتروشیمیایی دو حلقه - DL-EPR - بررسی شد. این تستها در یک پیل سه الکترودی معمول با استفاده از یک الکترود گرافیکی به عنوان الکترود کمکی ویک الکترود مرجع Ag/AgCl اشباع انجام شد. الکترود کاری با استفاده از نمونه های فولاد زنگ نزن آستنیتی AISI321 مانت شده در رزین اپکسی ساخته شد. پس از اینکه پتانسیل مدار باز حالت پایدار توسعه یافت - در حدود 30 دقیقه - پتانسیل در مسیر آندی با سرعت اسکن 1 میلی ولت بر ثانیه - 1mVs−1 - تا پتانسیل 0.3 ولت - vs. SCE - حاصل شد، پس از آن اسکن در مسیر کاتدی تا پتانسیل مدار باز Eoc - - معکوس شد. الکترولیت محلول 0.5M H2SO4 + 0.01M KSCN بود. درجه حساسیت - DOS - از نسبت پیک جریان منحنی اسکن معکوس برگشتی به پیک جریان منحنی فعال سازی آندی - - Ir/Ia ارزیابی شد . ریز ساختار توسط میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی مجهز به طیف سنج تفکیک انرژی اشعه ایکس مشاهده شد.ساختار نمونه ها توسط اچ الکتروشیمیایی در محلول اسید اگزالیک آشکارشدند . - ASTM A262-Practice A; ASTM , 1993 - آزمون سختی سنجی ویکرز با توجه به الگوی ارایه شده در شکل 2 انجام شد - . - BS EN 1043 -1, 1996
شکل -1 فلوچارت عملیاتهای حرارتی اعمال شده
شکل -2 مناطق مشخص شده جهت سختی سنجی نمونهها
جدول-1 آنالیز شیمیایی فولادAISI 321 به کار رفته در این تحقیق براساس درصد وزنی
تجزیه و تحلیل دادهها بررسی ریزساختار نمونههای جوشکاری شده توسط میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی
شکل 3 الف وب ساختار منطقه متاثر از حرارت و فلز جوش نمونه عملیات حرارتی نشده و حساس شده در دمای 675◦C در مدت 1ساعت را نشان میدهد. ساختار فلز جوش در شکل 3 الف متشکل از زمینه آستنیت به همراه فریت دلتا میباشد. این ساختار دو فازی ناشی از استحاله ناتمام فریت دلتا به آستنیت در طی انجماد فلز جوش است. انجماد فلز جوش از طریقه جوانه زنی و رشد دندریتهای فاز اولیه فریت دلتا آغاز شده که با کاهش دما در یک واکنش پریتکتیک با مذاب به آستنیت استحاله مییابد . - vitek and Kozeschnik,2001 - با توجه به نسبت بالای کروم به نیکل در ترکیب شیمیایی فلز جوش - جدول - 3 بخشی از فاز فریت دلتا در واکنش فوق مصرف نشده است و به صورت فریت در نواحی بین دندریتی بر جای مانده است. فریت در زمینه آستنیت به صورت کرمی شکل است. در این حالت با مقایسه ساختار با مقالات مشابه مشخص می گردد حالت انجماد به صورت فریتی آستنیتی میباشد . - Elhiari,2008 ; David and vitek and Alexander, 1996 ; Guan and Xu and Xu and Wang ,2005. - هنگامی که نرخ سرمایش جوش کم باشد، مورفولوژی فریت کرمی شکل و یا اسکلتی حاصل میگردد. - لیپولد و کوتکی، . - 1385 همانگونه که در شکل 3 الف مشاهده میشود، بزرگ شدن دانها در منطقه متأثر از حرارت کاملاً آشکار است. ساختار این منطقه شامل دانههای آستنیت می باشد با این تفاوت که این دانهها بزرگتر شدهاند. در فولادهای زنگ نزن آستنیتی به علت کم بودن انتقال حرارت و همچنین بالا بودن ظرفیت گرمایی منطقه متأثر از حرارت شامل محدوده ای از اندازه های مختلف دانه های آستنیت می باشد. علت درشت شدن دانه ها دز این ناحیه حرارت بالای جوشکاری می باشد. از سوی دیگر بیشتر فولادهای زنگ نزن در شرایط نورد گرم یا شرایط آنیل انحلالی، جوشکاری می شوند.به همین خاطر معمولاً رشد دانه محدود است مگر آنکه حرارت ورودی جوش بسیار زیاد باشد. گاهی درشت شدن دانه ها نیز ممکن است مشاهده شود، ولی در بیشتر موارد شدید نیست. هرچه نسبت کرم به نیکل تعادلی - / - در آلیاژ بیشتر باشد احتمال تشکیل فریت در طول مرزدانه های منطقه متأثر از حرارت، رشد دانه را محدود خواهد کرد. همچنین احتمال ترک های ذوبی را کاهش میدهد. از سوی دیگر نقاط تیره رنگ در مرزدانهها می تواند کاربیدها و یا نیترید ها باشند که این رسوبات در منطقه متأثر از حرارت فولادهای زنگ نزن آستنیتی شکل می گیرند - لیپولد و کوتکی، . . - 1385 مرزهای بین فازی آستنیت و فریت، به دلیل بالا بودن غلظت کرم و مولیبدن مکان های ترجیهی برای رسوبگذاری کاربیدهای کرم می باشند - . - Fargas and Angalada,2009
