بخشی از مقاله
چکیده
در پژوهش حاضر، ریزساختار و رفتار خوردگی ناحیه متاثر از حرارت درشت دانه فولاد کم آلیاژ استحکام بالا HSLA-100 مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور، جوشکاری در سه حرارت ورودی متفاوت و با استفاده از فرایند قوس تنگستن-گاز انجام شد. به منظور بررسی ریزساختاری، از میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده گردید.
همچنین، به منظور ارزیابی رفتار خوردگی ناحیه متاثر از حرارت، آزمون پلاریزاسیون سیکلی مورد استفاده قرار گرفت. تصاویر میکروسکوپ نوری و الکترونی نشان داد که ریزساختار فلز پایه شامل مارتنزیت تیغهای به همراه بینیت پایینی و جزایر مارتنزیت/ آستنیت - - M/A و ریزساختار نواحی متاثر از حرارت شامل بینیت دانهای و جزایر مارتنزیت/ آستنیت بود. مشخص شد که با افزایش حرارت ورودی، اندازه دانههای آستنیت اولیه افزایش یافت و به دنبال آن، ابعاد بستههای بینیتی بزرگتر شد.
به علاوه، به علت کاهش سرعت سرد شدن، ابعاد جزایر مارتنزیت/ آستنیت کاهش یافت و توزیع آنها در زمینه با کاهش مواجه گردید. نتایج آزمون پلاریزاسیون سیکلی نشان داد که در در هر سه حرارت ورودی، لایه روئین تشکیل شده بر سطح فولاد حین روبش معکوس شکسته شده و منحنی خوردگی تمامی نمونهها دارای حلقه پسماند مثبت بود. به علاوه، با افزایش حرارت ورودی، پتانسل خوردگی کاهش یافت که نتیجه آن، کاهش مقاومت در برابر خوردگی بود.
.1 مقدمه
فولادهای کم آلیاژ استحکام بالای حاوی مس که امروزه در صنایع مختلف نظیر ساخت پلها، تجهیزات لایروبی، لولههای انتقال نفت و گاز و صنایع نظامی و کشتیسازی مورد استفاده قرار میگیرند، از ترکیب مناسبی از استحکام و چقرمگی به واسطه مقدار کم کربن - کم-تر از - 0 ,06% و حضور همزمان عناصر آلیاژی مانند مس، نیکل، نایوبیم، تیتانیم و وانادیم برخوردار هستند. بسیاری از این عناصر، سبب تشکیل رسویات ریز - کربونیتریدهای نایوبیم، تیتانیم و وانادیم و رسوبات مس - میگردد که نتیجه آن، افزایش استحکام تسلیم علیرغم میزان کم کربن تا مقادیر100 KSI؛80 است
دلیل اصلی تمایل روزافزون به استفاده از این فولادها بهجای فولادهای با استحکام تسلیم بالا - - HY، عدم نیاز به پیشگرم قبل از انجام جوشکاری است. علیرغم آنکه فولادهای کم آلیاژ استحکام بالا از خواص و ویژگیهای عالی برخوردار هستند، اما حین جوشکاری، وقوع مشکلات اساسی مانند کاهش خواص مکانیکی نظیر چقرمگی در نواحی جوشکاری شده، به ویژه ناحیه متاثر از حرارت اجتنابناپذیر است.
در ناحیه متاثر از حرارت، حین افزایش دما، فازهای موجود ممکن است به آستنیت استحاله یابند و رسوبات موجود در این ناحیه نیز درشت شده یا در زمینه حل شود. اگرچه، حضور رسوبات کربونیترید نایوبیم، از رشد دانههای آستنیت در دمای بالا و در ناحیه متاثر از حرارت طی سیکلهای حرارتی تا حدودی - پیش از انحلال - جلوگیری میکند و استحکام و چقرمگی را به طور همزمان بهبود میبخشد.
از طرف دیگر، حین سرد شدن و کاهش دما، احتمال میرود فازهایی همچون مارتنزیت، فریت یا بینیت تشکیل شود. نتیجه ایجاد چنین تغییراتی در ریزساختار این ناحیه، کاهش خواص مکانیکی اتصالات جوش و تغییر رفتار خوردگی نسبت به فلز پایه است. بررسیهای ریزساختاری انجام شده بر روی ناحیه متاثر از حرارت فولادهای کم آلیاژ استحکام بالا، وجود ساختارهای متفاوتی در این ناحیه را نشان میدهد. برای مثال، در فرایندهای جوشکاری تکپاسه، وجود چهار ناحیه درشتدانه، ریزدانه، میانبحرانی و ناحیه زیربحرانی تحت تاثیر سیکلهای حرارتی و بیشینه دمای ایجاد شده ناشی از آن اثبات گردیده است. حین جوشکاری چندپاسه و بر اثر اعمال چندین سیکل حرارتی بر ناحیه متاثر از حرارت، این نواحی تغییر یافته که نتیجه آن، تشکیل ساختاری ناهمگن و پیچیده در این ناحیه است. با توجه به سیکلهای حرارتی و دمای بازگرمایش، ناحیه درشتدانه در جوشکاری چندپاسه به چهار ناحیه تقسیم میشود:
-1 ناحیه زیربحرانی - حرارت1 دیده تا دمایی کم-تر از AC1 - ،
-2 ناحیه میان بحرانی - 2 حرارت دیده تا دمای میان AC1 و - AC3، -3 ناحیه فوق بحرانی
-3 حرارت دیده تا دمایی کمتر از AC3 و 1200 درجه سانتیگراد -
- و ناحیه تغییر نیافته4که بیشینه دمای آن نیز به 1200 درجه سانتیگراد نرسیده است9 ]و .[10
در نهایت، لازم به ذکر است که تنوع ریزساختار و سختی در ناحیه متاثر از حرارت، به تاثیر همزمان و متقابل عوامل مختلفی مانند: اندازه دانه آستنیت اولیه، میزان انحلال رسوبات و پارامترهای جوشکاری بستگی دارد. در همین راستا، پژوهشهایی در زمینه بررسی تاثیر حرارت ورودی و نرخ سرد شدن و تاثیر آن بر ریزساختار و اندازه دانه آستنیت ناحیه متاثر از حرارت فولادهای کم آلیاژ انجام شده است.
در پژوهشی که در سال 2007توسط شُم[11] انجام شد، تاثیر تغییر حرارت ورودی بر اندازه دانه آستنیت اولیه در ناحیه متاثر از حرارت مورد بررسی قرار گرفت. در این پژوهش، جوشکاری بر روی ورق فولاد HSLA-100 به وسیله فرایندهای جوشکاری قوس فلز-گاز و قوس زیر پودری، توسط فلزهای پرکننده مرتبط با این دو فرایند و در یک پاس صورت پذیرفت. بر اساس نتایج به دست آمده، انداره دانه آستنیت در ناحیه متاثر از حرارت، با افزایش حرارت ورودی افزایش یافت.
با توجه به نتایج، افزایش اندازه دانه تحت تاثیر فرایند زیرپودری بیشتر بود که به دنبال آن، اندازه بستههای مارتنزیت و فریت سوزنی موجود در این ناحیه بزرگتر گردید. در پژوهش دیگری نیز که توسط شم و همکاران[12] در سال 2004 انجام گردید، شبیهسازی فرایند جوشکاری و سیکل حرارتی آن، با استفاده از دو حرارت ورودی 10 و 40 کیلوژول بر سانتیمتر بر ریزساختار و دمای آغاز استحاله ناحیه متاثر از حرارت فولادهای HSLA-80 و HSLA-100 مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج مشخص نمود انداره دانه آستنیت ناشی از سیکلهای حرارتی متفاوت، بر سرعت تشکیل فریت حین استحاله تاثیر گذار است. بهگونهای که، هرچه اندازه دانه کوچکتر باشد، استحاله با سرعت بیشتری اتفاق می-افتد. در سال 1994، پژوهشی توسط هول و فاکس[13] صورت پذیرفت. در این تحقیق، جوشکاری با استفاده از روش قوس تنگستن-گاز اتوماتیک، به صورت بستر جوش روی ورق و در پنج حرارت ورودی مختلف صورت گرفت. مشاهدات، تشکیل مارتنزیت تیغهای و فریت سوزنی به همراه مقدار اندکی آستنیت باقیمانده را در ناحیه متاثر از حرارت درشت دانه نشان داد که با افزایش حرارت ورودی ، ابعاد تیغه تیغههای مارتنزیت و فریت افزایش یافت.
در سال 2007، ژو و همکاران[14] به بررسی ارتباط میان حرارت ورودی و تاثیر آن بر ریزساختار و چقرمگی ضربهای ناحیه متاثر از حرارت فولاد کم آلیاژ استحکام بالا با استفاده از تکنیک شبیهسازی گلیبل1 پرداختند. آنها گزارش نمودند هنگامیکه حرارت ورودی فرایند جوشکاری کمتر از 22 و بیشتر از 40 کیلوژول باشد، به ترتیب بیشترین و کمترین چقرمگی حاصل میشود که علت آن، افزایش تشکیل فریت مرزدانه است.
اسپانوس و همکاران[7] در سال 1995، تغییرات ریزساختاری در هریک از قسمتهای ناحیه متاثر از حرارت فولاد HSLA-100 را با استفاده از شبیهسازی سیکلهای حرارتی مورد بررسی قرار دادند. هم-چنین، تغییرات سختی در هر ناحیه مورد بررسی قرار گرفت و مشخص گردید که بیشترین میزان سختی در ناحیه ریزدانه حاصل میشود. علیرغم پژوهشهای صورت گرفته در زمینه بررسی ریزساختار و چقرمگی ناحیه متاثر از حرارت، پیشینه تحقیق و گزارشی در مورد بررسی رفتار خوردگی ناحیه متاثر از حرارت فولاد HSLA-100 ارائه نشده است. لذا، انجام فرایند جوشکاری قوس تنگستن-گاز بر روی فولاد HSLA-100 و ارزیابی رفتار خوردگی ناحیه متاثر از حرارت ، به عنوان هدف پژوهش حاضر تعیین گردید.
.2 مواد و روش تحقیق
2؛.1 آمادهسازی نمونهها و طرح اتصال
در این پژوهش، از ورق تغییر شکل یافته فولاد HSLA-100 به وسیله نورد ترمومکانیکال و در شرایط آستنیته شده در دمای 950 درجه سانتیگراد به مدت 1 ساعت، تمپر شده در دمای 700 درجه سانتی-گراد و با ضخامت 18 میلیمتر استفاده شد. به منظور آمادهسازی نمونههای جوشکاری، از ورق فولاد، قطعاتی با ابعاد 500×50×18 میلیمتر برش داده شد. سپس، با کاهش ضخامت قطعات به 9 میلی-متر و برش آنها، قطعه نهایی جهت جوشکاری با ابعاد 100×50×9میلیمتر به دست آمد. طرح اتصال نمونهها به صورت جناقی یک طرفه،2 با زاویه شیار 703 درجه و با ارتفاع ریشه 14 میلی-متر آماده شد. همچنین، فاصله قطعات در ناحیه ریشه 5اتصال 2 میلی میلیمتر در نظر گرفته شد. شکل شماتیک سه بعدی طرح اتصال در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل -1 طرح اتصال سه بعدی جوشکاری
2؛.2 جوشکاری
پس از آماده سازی نمونهها، جوشکاری با استفاده از فرایند قوس تنگستن-گاز، قطبیت DCEN، بدون اعمال پیشگرم و در سه شدت جریان 130، 145 و 160 آمپر انجام شد. براساس تطابق ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی فلز پرکننده با فلز پایه، از فلز پرکننده ER120S-G ساخت شرکت کیسول6 با قطر 2,4 میلیمتر جهت انجام جوشکاری استفاده شد. ترکیب شیمیایی فلز پایه بر اساس آنالیز کوانتومتری و ترکیب شیمیایی ارائه شده فلز پرکننده توسط شرکت سازنده در جدول 1 ارائه شده است.
فرایند جوشکاری در چهار پاس و با استفاده از دستگاه مدل PSQ 250، ساخت شرکت گام الکتریک انجام شد. از گاز آرگون با خلوص %99,5 و دبی 10 لیتر بر دقیقه به عنوان گاز محافظ استفاده شد. به علاوه، از گاز آرگون با خلوص %99,5 به عنوان گاز پشتی7 به منظور حفاظت از ناحیه ریشه جوش استفاده گردید. به علاوه، سیکلهای حرارتی اعمال شده بر ناحیه متاثر از حرارت به کمک رشتههای ترموکوپل ثبت گردید. براساس شدت جریانهای ذکرشده، سرعت جوشکاری و ولتاژ اندازهگیری شده و با استفاده از رابطه 1، حرارت ورودی محاسبه شد
