بخشی از مقاله
چکیده
فولادهای زنگنزن آستنیتی و فولادهای کم آلیاژ گروهی از مهمترین مواد مهندسی هستند که بهطور گسترده در صنایع و محیطهای مختلف استفاده میشوند. در این تحقیق به بررسی ریزساختار و ارزیابی رفتار خوردگی اتصال غیرمشابه AISI 316 به AISI 4340 پس از جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی پرداخته میشود. جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی در سرعت پیشروی 20 mm/min و سرعتهای چرخشی 800، 1000 و 1250 rpm انجام شد. ریزساختار مقاطع جوش موردبررسی قرار گرفت و نتایج نشان داد در ناحیه اغتشاشبه دلیل دمای بالا و تغییر شکل پلاستیک شدید، تبلور مجدد دینامیکی اتفاق میافتد که منجر به ایجاد دانههای ریز و هم محور در این ناحیه می شود.
این اصلاح ریزساختار منجر به افزایش سختی در ناحیه SZ میشود. همچنین دمای بالا میتواند منجر به تمپر شدن ساختار مارتنزیتی شود. آزمونهای خوردگی تافل و غوطهوری نیز در مقاطع جوشکاری شده و فلزات پایه انجام شد. نمونه فلز پایه فولاد AISI 316 بهترین مقاومت به خوردگی و نمونه فلز پایه فولاد AISI4340 ضعیفترین مقاومت به خوردگی را داشت. در بین نمونههای جوشکاری شده، با کاهش اندازه دانه مقاومت به خوردگی بهبود پیدا میکند.
مقدمه
فولادهای زنگنزن، گروهی از آلیاژهای پایه آهن هستند که مقاومت به خوردگی و مقاومت به اکسیداسیون بالایی از خود نشان می دهند .[1] فولاد زنگنزن آستنیتی، متداولترین گروه فولادهای زنگ نزن بوده و دارای ریزساختاری آستنیتی هستند. این ریزساختار آستنیتی بهوسیله مقادیر بالای عناصر آستنیتزا نظیر نیکل حاصل میگردد. این گروه به دلیل مقادیر بالای کروم و نیکل، بیشترین مقاومت به خوردگی را در بین فولادهای زنگنزن دارند. علاوه بر مقاومت به خوردگی، خواص مکانیکی و جوش پذیری خوبی داشته و به همین دلیل کاربرد گستردهای در صنایع پیدا کردهاند.
فولادهای کم آلیاژ عملیات حرارتیپذیر - HTLA - 1، درواقع فولادهای کم آلیاژ کونچ و تمپر شده هستند که حاوی تا 5 درصد میزان کل عناصر آلیاژی و 0/25 تا 0/5 درصد کربن بوده و توسط مجموعهای از عملیات حرارتی کونچ و تمپر به سطح استحکام مطلوب میرسند. نرم شدن منطقه متأثر از حرارت و ترک هیدروژنی از مشکلات جوشکاری این فولادها میباشد. بهمنظور کاهش نرم شدن، باید از میزان حرارت ورودی کمتر در واحد طول جوش استفاده کرد
یکی از راههای کمتر کردن حرارت ورودی استفاده از روشهای حالت جامد برای اتصالدهی و جوشکاری این فولادها است. روش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی2 در سال 1991 در موسسه جوشکاری بریتانیا ابداع شد. از این روش برای اتصالدهی در حالت جامد و برای ورقهای مختلف فلزی، بهویژه آلومینیوم استفاده میشود
این روش جوشکاری به دلیل عدم به وجود آمدن فاز مذاب، دارای مزایایی نسبت به جوشکاری دیگر همچون TIG و MIG است. از جمله عدم انجماد مجدد فلز پایه که میتواند باعث تشکیل ساختار دندریتی و افت خواص مکانیکی و خوردگی شود .[5] هدف از این پژوهش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی فولاد زنگ نزن آستنیتی AISI 316 به فولاد کم آلیاژ عملیات حرارتیپذیر AISI 4340 و ارزیابی ریزساختار و رفتار خوردگی آن میباشد.
روش تحقیق
در این تحقیق فولاد زنگنزن آستنیتی AISI316 و فولاد کم آلیاژ عملیات حرارتی پذیر AISI4340 به عنوان فلزات پایه انتخاب شد. ترکیب شیمیایی فلزات پایه در جدول 1 آورده شده است. برای انجام فرآیند جوشکاری از نمونههایی با ابعاد 100*50 میلیمتر استفاده شد. بهمنظور انجام جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، فلز پایه AISI 4340 در سمت پیشرو و فلز پایه AISI 316 در سمت پسرو قرار گرفت. برای انجام جوشکاری از دستگاه فرز و ابزاری از جنس کاربید تنگستن استفاده شد.
زاویه ابزار با سطح قطعه کار در تمام نمونهها ثابت و برابر با 2 درجه در نظر گرفته شد. سرعتهای پیشروی و چرخشی مورد استفاده در این تحقیق و کدگذاری نمونه ها در جدول 2 آورده شده است. بررسی ریزساختار حاصل از FSW، پس از مانت کردن، سنبادهزنی و پولیش نمونهها در دو مرحله انجام شد. سمت فولاد کم آلیاژ توسط محلول نایتال 2 درصد حکاکی و بررسی شد. سپس سمت فولاد زنگنزن، بهصورت الکترولیتی و در محلول 60% HNO3 حکاکی شد و موردبررسی قرار گرفت. ریزسختی نواحی مختلف با استفاده در دستگاه میکروسختی و با بار 100 گرم اندازهگیری شد. بهمنظور بررسی رفتار خوردگی فلزات پایه و مقاطع جوش، نمونههایی آماده شد. و پس از سنبادهزنی و پولیش آزمونهای پلاریزاسیون خطی و غوطهوری انجام شد.
نتایج و بحث
پس از انتخاب متغیرهای جوشکاری بهصورت تجربی، جوشهایی با ظاهر مناسب و بدون عیب ایجاد شد. تصویر نمونه جوشکاری شده در شکل 1 نشان دادهشده است. در شکل 2 تصاویر میکروسکوپی نواحی مختلف FSW شده برای نمونه 1000-20 نشان دادهشده است. شکل -2 الف ریزساختار فولاد زنگ نزن آستنیتی AISI 316 را نشان میدهد. همانطور که مشاهده میشود ساختار دارای دانههای هم محور همراه بارگههایی از فریت میباشد. فلز پایه فولاد AISI 4340 - شکل -2 ب - دارای ریزساختار مارتنزیتی میباشد. قسمت ج شکل 2 تصویر ناحیه اغتشاشی را نشان میدهد. خطوط ناشی از سیلان ماده در اثر حرکت ابزار جوشکاری، در این شکل به وضوح قابل مشاهده است.
در ناحیه اغتشاشFSW - SZ - 1 به دلیل دمای بالا و تغییر شکل پلاستیک شدید، تبلور مجدد دینامیکی اتفاق میافتد و دانسیته نابجاییها افزایش مییابد که منجر به ریزدانگی شدید در این ناحیه میشود. تصویر ناحیه اغتشاشی سمت فولاد 316 AISI در شکل -2 د نشان دادهشده است و کاهش اندازه دانه در این ناحیه قابل مشاهده است. مرز فلز پایه فولاد AISI 4340 و ناحیه SZ در شکل -2 ه نشان دادهشده است.
دمای بالای ناشی از عملیات FSW میتواند منجر به تمپر شدن مارتنزیت در ناحیه اغتشاشی شود که در شکل -2 ه قابل مشاهده است. متوسط اندازه دانه در SZ برای نمونههای مختلف توسط نرمافزار image J محاسبهشده و در جدول 3 آورده شده است. با کاهش سرعت چرخشی ابزار، حرارت ورودی به قطعه کاهشیافته و ساختار ریزدانه تری حاصل شده است.
تغییرات ریزسختی در مقطع جوشکاری شده نمونه 1000-20 در شکل 3 نشان دادهشده است. طبق بررسیهای ریزساختاری، پروفیل سختی را میتوان به 6 ناحیه تقسیم کرد. در سمت فلز پایه فولاد 4340 AISI متوسط سختی 230 HV میباشد. در ناحیه HAZ سمت فولاد AISI 4340 تغییرات محسوسی در سختی مشاهده نمیشود. در ناحیه SZ نیز متوسط سختی تغییرات زیادی نداشته است.
