بخشی از مقاله
چکیده
در مقاله پیش رو سعی شده است تا با دیدگاه مکانیک شکست اجسام و استفاده از روش عددی و آزمایشگاهی رفتار ترک در فرآیند نورد فولاد میکروآلیاژی 30msv6 مورد بررسی قرار گیرد.
به منظور تشخیص ساختار در یک مرحله عملیات متالوگرافی انجام میشود و پس از آن عملیات آمادهسازی نمونهها و نورد آنها در دو جهت عمود بر ترک و همراستا با ترک، نورد میشوند.
افزایش و یا کاهش استحکام نمونهها بر اساس تنش پسماند حاصل از نورد، توسط تست کشش سنجیده میشود.
نتایج بدست آمده از آزمایش های انجام شده و تحلیل های عددی نشان می دهد که قطعات پس از نورد، دارای تنش پسماند هستند و در نمونه های میکروآلیاژی که دارای ترکهای لبهای هستند این تنش پسماند کششی بوده و لذا استحکام قطعات را کاهش میدهد.مگر اینکه جهت نورد کردن آنها عمود بر راستای ترک در نمونه باشد.
مقدمه
پیشرفت بسیار سریع تکنولوژی در قرن حاضر که منجر به توسعه صنایع مختلف مکانیکی، شیمیایی و... شده، و درعین حال فضا و دریا را نیز به تسخیر خود در آورده است، لزوم بکار گیری مواد جدید وگوناگون را باعث شده است.
با پیشرفت تکنولوژی انواع فرآورده های فلزی بویژه فرآورده های فولادی را به روش نورد تولید میکنند. مهمترین ویژگی فرآیندهای نورد سرعت تولید آن هاست. به گونه ای که حجم زیادی از فرآورده های فلزی از این روش تولید میشوند. با توجه به اینکه از میان فرآیندهای شکل دهی نورد دارای رتبه اول میباشد لذا تحلیل و بررسی رفتار ترک در فرآیند نورد نیز از اهمیت ویژهای برخوردار است
یکی از مسائل و مشکلاتی که بشر همواره با آنها روبرو بوده است، نحوه استفاده از مواد در طراحی مهندسی است. از گذشته تا به امروز، با بهبود مهارتها در زمینه کار با فلزات، کاربرد فلزات در سازهها به سرعت رشد داشته است. بسیاری از اوقات این مساله دیده شده است که سازههای ساخته شده از این فلزات عملکرد رضایت بخشی را به همراه نداشته است و نوعا از کارافتادگیهای ناخواسته مشاهده شده است و گاها نیز سبب خسارت های مرگبار و جبرانناپذیری شده است.
با وجود این که بسیاری از این حوادث در اثر طراحی ضعیف اتفاق افتاده است، اما به تدریج این مساله روشن شد که عیوب سازهها به شکل عیوبی که از قبل در ماده وجود داشته یا در مراحل ساخت و ... در آن ایجاد شده است میتواند سبب پیدایش ترک1 و شکست شود. بنابراین دانش حذف، کنترل و پیشبینی رفتار عیوب سبب بهبود عملکردی سازههای مهندسی و کاهش آمار خسارات پیشبینینشده شده است که این دانش در علم مکانیک شکست2 خلاصه میشود.
در این تحقیق نمونه ای ترک دار از جنس فولاد میکروآلیاژی3 تحت عملیات نورد قرار می گیرد و از تنش پسماند ایجاد شده در آن برای کنترل شرایط رشد ترک4 و استحکام آن استفاده میشود. همچنین از نرم افزار اجزاء محدود آباکوس 5 برای شبیه سازی این فرآیند استفاده می شود و با کالیبره نمودن مدل نرم افزاری و نمونه آزمایشگاهی به بررسی شرایط بهینه سازی وضعیت تنش پسماند و در نهایت رفتار ترک پرداخته میشود.
طرح تحقیقاتی پیش رو دارای اهداف خاصی در خصوص کنترل ترک در قطعاتی از جنس فولاد میکروآلیاژی، دارد. در واقع میتوان قطعاتی را که دارای ترک هستند را با انجام عملیاتی خاص که در آنها تنش پسماند مورد نظر را در قطعه ایجاد می کنند، کنترل کرد. این بدین معنی است که در میان تنش های پسماند ایجاد شده در قطعه که در اثر کار سرد ایجاد می شوند، می توان تنش پسماندی را بیشتر در قطعه ایجاد کرد که در جهت جلوگیری از پیشرفت رشد ترک در قطعه به ما کمک کند. اینکه ما ابتدا قطعه را شناخته و تنش پسماند سودمند را در آن ایجاد نموده تا افزایش عمر قطعه را به همراه داشته باشد، هدف اصلی این تحقیق است.
فولادهای میکروآلیاژی با توجه به خصوصیات منحصر به فرد خود مورد توجه بسیاری از صنایع در چند دههی اخیر قرار گرفته اند.
اولین بار کلمه میکروآلیاژ به فولادهای استحکام بالای کم کربن با مقدار کمی وانادیم یا نیوبیم اضافه شده نسبت داده شد
تحقیقات گوناگونی پیرامون بررسی متالورژیکی و مکانیکی فولاد میکروآلیاژی 30MSV6 در کشور انجام شده است
در سالهای اخیر افزودن عناصر میکروآلیاژی به فولاد از اهمیت خاصی برخوردار شده و به عنوان یک ویژگی فولادهای مدرن در آمده است. باگسترش استفاده از فولادهای جدید، مصرف عناصر میکروآلیاژی نیز رو به افزایش گذاشته است.
واژه “ میکرو آلیاژی ” به مفهوم آن است که این عناصر در فولاد به حد بسیار کم و معمولا کمتر از 0/1 درصد وزنی وجود دارند. فولاد میکروآلیاژی 30MSV6 براساس استاندارد فرانسه یکی از فولادهای مورد استفاده در صنعت خودروی کشور است که قطعاتی نظیر توپی و مثلثی پژو 405 و سمند از این فولاد ساخته می شوند. هدف از تولید این فولادها حذف هزینه فرایندهای عملیات حرارتی در کنار خصوصیات مکانیکی1 مطلوب در مقایسه با فولادهای کربنی عملیات حرارتی پذیر بوده است.
هر عملیاتی که باعث تنش کششی شود حد دوام خستگی را بالا می برد. عملیات هایی نظیر ساچمه زنی، چکش کاری و نورد سرد باعث ایجادتنش پسماند فشاری در سطح قطعه می شود و در نتیجه حد دوام خستگی را به میزان زیادی بالا میبرد
ام.دی.جورجی در تحقیق خود یک آنالیز تجربی را برای ارزیابی کردن تغییرات تنش های پسماند در فولاد نورد سرد شده انجام داده است که مطالعه ی او روی تاثیر تنش تسلیم بر افزایش تنشهای پسماند در مواد کار سخت شده است در زمانی که مبحث بارگذاری خستگی مطرح می باشد که در نهایت نشان داده است که تغییرات تنش تسلیم نقش بسیار مهمی در ارزیابی تنش های پسماند دارد بدین گونه که: تنشهای پسماند در سطح قطعات نورد سرد شده از نوع فشاری هستند. با افزایش مراحل نورد قطعه کار سخت شده و در نتیجه تنش تسلیم آن افزایش پیدا میکند و افزایش تنش های پسماند حاصل را اثبات می کند و افزایش سیکل های کاری، افزایش تنش تسلیم را نیز در پی دارد
همچنین در رابطه با تاثیر تنش های پسماند بر رفتار خستگی و استفاده از روش های اعمال تنش پسماند کنترل شده برای افزایش عمر خستگی مطالعات مختلفی انجام شده است که میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
وقتی یک قطعه دچار خستگی میشود ترک میخورد و این ترک در نهایت منجر به شکست قطعه می شود. یکی از دلایل استفاده از فرآیند غلطک کاری سرد همین جلوگیری از رشد ترک است. رشد ترک بستگی به شرایط تنش متمرکز شده در نوک ترک دارد. جلوگیری از رشد ترک در اثر تنش پسماند فشاری بر دو عامل استوار است.[7]
-1 ترک هرگز رشد نمی کند مگر اینکه تنش کششی در نوک ترک یا نزدیک آن متمرکز شده و باعث باز شدن دهانه ی آن گردد.
-2 تا زمانی که تنشی فشاری در نوک ترک وجود داشته باشد، دهانهی ترک باز نخواهد شد.
در پژوهش شمسی پور، مکانیزم ساچمهزنی بطور کامل شرح داده شده و به چگونگی تاثیر دوگانه کار سرد و تنش پسماند فشاری که به واسطه ساچمه زنی ایجاد میشوند بر روی عمر خستگی قطعات پرداخته شده است.[8]
در اثر عملیات نورد سرد دهانه ی میکرو ترکهای سطحی و خلل و فرجها بسته شده و تنشی فشاری در آن ها ایجاد شده که مانع از باز شدن دهانه ی ترک و در نهایت رشد ترک میگردد. در نهایت نتیجه میشود که با ایجاد تنش های پسماند فشاری در قطعه:
-1 عمر خستگی به شدت بالا میرود.
-2 با حبس تنش های فشاری در سطح، مقاومت در برابر خوردگی افزایش مییابد.
-3 با کار سردی و سخت شدن سطح در اثر ساچمه زنی، مقاومت در برابر سایش و نفوذ اجسام خارجی افزایش مییابد.
-4 شرایط سطح قطعه از لحاظ زبری و هندسی یکنواخت میشود. -5 تنش های پسماند فشاری در قطعه اعمال شده و مانع از باز شدن دهانه ی ترک شده و در نهایت جلوی رشد ترک خستگی را گرفته و شکست دیرتر اتفاق میافتد.
برای جلوگیری از رشد ترک از فرآیند نورد سرد استفاده می کنیم. شبیه سازی این فرآیند توسط نرم افزار اجزاء محدود می تواند بسیار مفید باشد. به دلیل پیچیدگی های روابط تحلیل فرآیند نورد سرد، سعی شده است که این فرآیند را با روش های المان محدود شبیه سازی کرد. در گذشته به دلیل هزینه های محاسباتی بالا این روشها کمتر مورد توجه قرار گرفته اند. اما در دو دهه ی اخیر با افزایش سرعت کامپیوترها و ظهور نرم افزارهای پرقدرت تحلیل المان محدود شکل دهی، استفاده از این روش ها رو به گسترش است
شاخص اصلی در فرآیند نورد سرد اعمال کنترل دقیق بر ضخامت و کیقیت ورق تولیدی است بطوریکه با تکنیک خوب در نورد سرد می توان به دقتهای خوبی در ضخامت، پهنا و کیفیت رسید.
استفاده از مدل های ایجاد شده برای فرآیند نورد میتواند هزینه های بهینه سازی فرآیند را بطور قابل ملاحظهای کاهش دهد. تاکنون روش های متعددی برای تحلیل فرآیند غلطککاری به کار گرفته شده است. بخشی از این روش ها که بر پایه ی روش های تحلیل استوارند مقادیر تخمینی پارامترهای غلطک کاری را با صرف هزینه های محاسباتی کم به دست میآورند.
در تحقیق وانگ و دوستان [10] یک نمونه ساده از شبیه سازی اجزاء محدود غلطک کاری سرد روی ورق فولادی ذکر شده است که در نرم افزار آباکوس انجام شده است.
عملیات آزمایشگاهی
برای مقایسه فولاد تهیه شده برای این تحقیق و یافتن ساختار اصلی آن به همراه ضرایب مورد نیاز برای ادامه مراحل در حیطه مکانیک شکست به بررسی متالوژیکی آن پرداخته می شود و به همین منظور عملیات متالوگرافی برای قسمتی از این فولاد انجام میشود.
تصاویر بدست آمده از متالوگرافی نشان از فریت-پرلیتی بودن ساختار دارد.
جدول 1 نشان دهنده مشخصات دستگاه نورد است. جدول :1 مشخصات دستگاه نورد
نورد قطعات در دوجهت مذکور انجام میگردد و میزان کاهش ضخامت 0,1 میلیمتر در نظر گرفته میشود.
شکل :1 فولاد میکروآلیاژی به تفکیک عناصر ساختاری
به منظور ایجاد تنش پسماند در قطعه فولادی باید این قطعات تحت عملیات نورد قرار گیرند. لذا باید بر روی قطعات مورد آزمایش عملیات نورد انجام شود.
به همین منظور ابتدا قطعاتی از فولاد 30msv6 برای انجام عملیات نورد آماده می شود. سطح این قطعات توسط دستگاه سنگ مغناطیس باید صیغلی شود. تا فرآیند نورد بصورت یکنواخت انجام شود.
در این مرحله باید در قطعه ترک ایجاد گردد. چرا که باید رفتار ترک در فرآیند نورد بررسی شود. ابعاد ترک بر اساس استاندارد E399 ASTM میباشد. این ترک باید دارای عرض کمی باشد. لذا این ترک با دستگاه وایرکات ایجاد شده است که قطر سیم وایرکات 0/2 میلیمتر میباشد.
شکل :3 مشخصات دستگاه نورد
پس از نورد قطعات مشاهدات بشرح زیر میباشند:
در نوردی که راستای نورد با راستای طول ترک همراستا است ترک بسته شده است و در نوردی که راستای نورد با راستای طول ترک عمود است ترک باز شده است. در شکل 4 این باز و بسته شدن ترک کاملا مشهود است.
شکل:2 نمونههای نورد فولاد میکروآلیاژی
عملیات نورد در دو جهت زیر انجام شود:
1. راستای نورد با راستای طول ترک عمود باشد.
2. راستای نورد با راستای طول ترک یکی باشد.
شکل :4 نمای جهت نورد در نمونههای میکروآلیاژی
علیرغم مشاهدات بعد از نورد قطعات مبنی بر بسته شدن یا باز شدن دهانه ترک، مشاهدات قابل استناد نیستند و باید در مکانیک شکست به آنالیز نیرویی قطعه توجه داشت. چرا که بعنوان مثال شاید مشاهدات نشان دهنده بسته شدن ترک باشد، ولی در عمل بعلت تنشهای پسماند کششی درونی میزان نیروی شکست در نوک ترک کاهش یابد و قطعه زودتر شکسته شود. لذا بر روی قطعات تست کشش انجام میشود
