جوشکاری فولاد زنگ نزن سوپر دوفازی
جوشکاری فولاد زنگ نزن سوپر دوفازی S32750 UNSبا روش قوسی الکترود تنگستن گاز و ارزیابی ریزساختار و خواص مکانیکی
محمد اهل سرمدی، مرتضی شمعانیان، حسین ادریس، امیر بهجت
چکیده
در این تحقیق به بررسی ریز ساختاری و خواص مکانیکی جوش فولاد زنگ نزن سوپر دوفازی UNS S32750 پرداخته شد. بدین منظور از روش قوسی تنگستن گاز و فلز پرکننده AWS ER2594 به قطر ۴/۲ میلی‌متر استفاده شد. به منظور بررسی ریزساختار از میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی مجهز به پراش الکترون برگشتی استفاده شد. خواص مکانیکی توسط آزمونهای ریز سختی و کشش بررسی شد. بررسیهای ریزساختاری مشخص کرد که فلز پایه حاوی دانههای کشیده شده آستنیت در زمینه فریت است. فلز جوش دارای ساختار ریختگی میباشد که آستنیت به صورت دندریتی در زمینه فریت قرار گرفته است. همچنین مشاهده شد در اثر جوشکاری درصد حجمی فریتِ منطقه ذوب پس از جوشکاری از ۶۰(درصد فریت فلز پایه) به حدود ۵۰ درصد کاهش یافته است، که علت آن پایین بودن نرخ سرد شدن به دلیل بالا بودن میزان حرارت ورودی در روش جوشکاری قوسی تنگستن گاز میباشد. آزمون ریز سختی بر روی نمونهها که به روش ویکرز انجام شد نشان داد که متوسط سختی فلز پایه در حدود ۲۸۵ ویکرز است؛ در صورتی که سختی در منطقه ذوب نمونههای جوشکاری شده به علت افزایش درصد آستنیت تا ۲۵۰ ویکرز کاهش یافت. این در حالی که میزان سختی منطقه متأثر از حرارت به دلیل کاهش درصد حجمی آستنیت و نفوذ ترکیباتی همچون کاربید کروم در فاز فریت تا ۳۴۰ ویکرز افزایش نشان داد. نتایج حاصل از آزمون کشش مشخص کرد که در اثر افزایش حرارت ورودی استحکام کششی کاهش یافته است، که این موضوع به علت افزایش اندازه دانهها در اثر افزایش حرارت ورودی است.دیجی قطعه با استفاده از دانش نوین توانایی ساخت دستگاه، ساخت قطعه یا قطعات صنعتی و ساخت دستگاه های صنعتی را دارد
کلمات کلیدی: فولاد زنگ نزن سوپر دو فازی ، جوشکاری قوسی الکترود تنگستنی با گاز محافظ، ریز ساختار، خواص مکانیکی.
مقدمه
فولادهای زنگ نزن دو فازی یکی از انواع متداول فولادهای زنگ نزن میباشند. ساختار این فولادها از دو قسمت اصلی آستنیت و فریت تشکیل شده است، وجود فاز فریت در ساختار این فولادها باعث افزایش مقاومت در برابر ترک خوردن تنشی میشود؛ اگر چه اثرات نامطلوبی مانند کاهش چقرمگی در دمای پایین را نیز به همراه دارد. ساختار این فولادها عمدتاً دارای ۱۹ تا ۲۶ در صد وزنی کروم، ۴ تا ۸ درصد نیکل و ۵/۱ تا ۴ درصد مولیبیدن است. همچنین وجود نیتروژن به عنوان یک عامل آستنیت زا نقش مهمی را در ریز ساختار این فولادها ایفا میکند]۱و۲[. فولاد زنگ نزن سوپر دوفازی به گروهی از فولادهای زنگ نزن دو فازی گفته میشود که عدد PREN[1] آن بالاتر از ۴۰ باشد. فولاد UNS S32750 یکی از پرکاربردترین فولادهای زنگ نزن سوپر دو فازی میباشد، که به علت خواص مطلوب استحکام و خوردگی در صنایع پالایشگاهی(نفت و گاز) کاربرد عمدهای پیدا کرده است. ترکیب این فولاد دارای حداقل ۲۵ درصد کروم، ۵/۳ درصد مولیبیدن و بیش از ۲/۰ درصد نیتروژن(عامل آستنیت زا) است]۳[.
کنترل حرارت ورودی[۲] در جوشکاری این نوع فولادها برای دستیابی به ساختار مطلوب ضروری میباشد. حرارت ورودی بالا باعث تشکیل فازهای مضری نظیر سیگما[۳] و چی[۴] میگردد. همچنین حرارت ورودی بسیار پایین نیز موجب افزایش درصد فریت در ریزساختار میگردد و نیز باعث ایجاد فازهای نامطلوبی نظیر نیترید کروم(Cr2N) میشود]۴[. بنابراین میتوان گفت که در مورد جوشکاری فولادهای دو فازی (درترکیب شیمیایی ثابت)، یکی از مؤثرترین متغیرهای کنترل کنندهی خواص اتصال حاصل، حرارت ورودی میباشد]۶و۵،۲[. همچنین با توجه به اینکه اتصالات حاصل از انجام جوشکاری الکترود تنگستنی با گاز محافظ[۵] برروی انواع فولادها خصوصا فولادهای دوفازی خواص مکانیکی و ریزساختاری مناسبی به همراه داشته است. بنابراین با توجه به پرکاربرد بودن فولاد سوپر دو فازی UNS S32750 در صنایع مختلف، اهمیت بررسی اتصال این فولاد با استفاده از روش قوسی تنگستن گاز مطرح میشود.
در مورد جوشکاری فولادهای دوفازی میتوان به تحقیقی از صادقیان و همکاران اشاره کرد، در این پژوهش به بررسی ریز ساختاری و خواص مکانیکی مناطق غیر مشابه جوش فولاد زنگ نزن سوپر دوفازی UNS S32750 به فولاد کم آلیاژ استحکام بالای API X65 پرداخته شده است. نتایج نشان داد که افزایش حرارت ورودی از ۵/۰ تا ۸۶/۰ کیلوژول بر میلی‌متر موجب کاهش درصد فریت جوش از ۴۴ تا ۳۴ درصد میشود. در نهایت ساختار حاصل متشکل از دو فاز آستنیت و فاز فریت(فاز زمینه) میباشد ]۷[.در این تحقیق مشاهده شد با افزایش حرارت ورودی میزان آستنیت فلز جوش افزایش می یابد. همچنین همانطور که پیش‌تر گفته شد با افزایش حرارت ورودی، میزان آستنیت ثانویه نیز افزایش یافته است. پروفیل سختی مقاطع جوش نشان داد که که با گذر از فلز پایه فولاد کم آلیاژ استحکام بالا(API X65 ) سختی رو به افزایش است. افزایش شدید سختی در مرز فلز جوش و فولاد کم آلیاژ به علت به وجود آمدن فازهای سخت همچون کاربید میباشد. دیجی قطعه با استفاده از دانش نوین توانایی ساخت دستگاه، ساخت قطعه یا قطعات صنعتی و ساخت دستگاه های صنعتی را دارد
در تحقیقی دیگر ریز ساختار و رفتار خوردگی مقاطع جوش غیر مشابه فولاد زنگ نزن سوپردو فازی UNS S32750 به فولاد زنگ نزن آستنیتی AISI 316L توسط امینی و همکاران بررسی گردید. برای یافتن تأثیر حرارت ورودی بر ریز ساختار حاصل، جوشکاری در چندین حرارت ورودی مختلف انجام گردید. نتایج نشان داد که افزایش حرارت ورودی از حدود ۶۶۰ تا ۸۲۵ ژول بر میلی‌متر، موجب افزایش درصد آستنیت فلز جوش حاصل از ۷۹/۶۰ تا ۴۷/۷۴ درصد میشود. همچنین در این تحقیق تأثیر عملیات حرارتی پس از جوشکاری در دمای ۱۱۲۵ درجه سانتی‌گراد بر ریز ساختار مورد بررسی قرار گرفت که مشاهده شد تأثیر زیادی در خواص حاصل ندارد، بنابراین انجام عملیات حرارتی با توجه به مشکلات تکنولوژیکی توصیه نمیگردد ]۸[.
در سایر تحقیقات همچون تاوارس و همکاران، اقلیمی و همکاران و سروو[۶] نیز تاثیر حرارت ورودی بر روی اتصالات انواع فولادهای زنگ نزن بررسی شده است که به علت مشابه بودن نتایج تحقیقات با تحقیقات آورده شده از ذکر مجدد آنها خودداری میکنیم.
دیجی قطعه با استفاده از دانش نوین توانایی ساخت دستگاه، ساخت قطعه یا قطعات صنعتی و ساخت دستگاه های صنعتی را دارد
بنابراین با توجه به کاربردهای حساس این فولاد در صنایع مختلف اتصال دائم آن به روش جوشکاری اهمیت می یابد. با توجه به این که در تحقیقات انجام شده بررسی خواص مکانیکی و ریزساختاری اتصال مشابه این فولاد انجام کمتر دیده شده است، هدف از انجام این تحقیق انجام جوشکاری مشابه فولاد زنگ نزن UNS S32750 به روش GTAW در حرارتهای ورودی مختلف و بررسی ریز ساختار، خواص مکانیکی و تاثیر میزان حرارت ورودی بر خواص اتصال حاصل می باشد.
مواد و روش تحقیق
در این تحقیق از فولاد زنگنزن سوپر دوفازیS32750 UNS استفاده شد. ترکیب شیمیایی فلز مورد استفاده به روش اسپکترومتری نشر نوری تعیین و در جدول ۱ آورده شده است. ماده اولیه ابتدا به صورت لوله با قطر ۲۰ سانتی‌متر و ضخامت ۸/۳ میلی‌متر بوده است. شرایط جوشکاری در جدول ۲ آورده شده است. برای انجام جوشکاری از فلز پرکننده دو فازی۲۵۹۴ AWS ER با قطر۴/۲ میلی‌متر با ترکیب شیمیایی که در جدول ۱ قابل مشاهده است، استفاده گردید. سپس قطعات در حالت جوشکاری G1 و با آمپراژ و سرعتهای گوناگون همانطور که در جدول ۳ مشاهده میشود به یکدیگر اتصال یافتند. همچنین طرح اتصال مانند شکل ۱ در نظر گرفته شد.
جدول ۱٫ درصد وزنی فولادUNS S32750 و فلز پرکننده(AWS ER2594)
| عناصر | Mo | Ni | Cr | Mn | Si | C | N | Cu | W | P | S | Fe | |
| فلز پایه(%) | ۷۶/۴ | ۹۸/۶ | ۸۵/۲۶ | ۵۶/۰ | ۴۲/۰ | ۰۲۸/۰ | ۳/۰ | ۹۷/۰ | ۶۳/۰ | ۰۱۸/۰> | ۰۲/۰> | پایه | |
| فلز پرکننده (%) | ۴ | ۴/۹ | ۲۵ | ۴/۰ | ۳/۰ | ۰۲/۰> | ۲۵/۰ | – | – | ۰۲/۰> | ۰۱۵/۰> | پایه | |
| گاز محافظ | دبی گاز محافظ | زاویه لبه سازی | روش جوشکاری | نوع جریان | قطبیت | الکترود | قطر الکترود |
| آرگون | lit/min 15 | °۳۵ | GTAW | ثابت(CC) | منفی | تنگستنی | ۴/۲ میلی متر |
جدول۳٫ متغیرهای جوشکاری قوسی الکترود تنگستنی با گاز محافظ
| شماره نمونه | آمپراژ(A) | ولتاژ(V) | زمان(S) | سرعت جوشکاری(mm/sec) | حرارت ورودی(kj/mm) |
| ۱ | ۱۱۰ | ۹/۱۰ | ۱۷۶ | ۹/۰ | ۱/۱ |
| ۲ | ۱۱۰ | ۵/۱۱ | ۱۹۴ | ۸/۰ | ۳/۱ |
| ۳ | ۱۲۰ | ۶/۱۰ | ۱۵۵ | ۰/۱ | ۰/۱ |
| ۴ | ۱۲۰ | ۶/۱۱ | ۱۶۰ | ۰/۱ | ۱/۱ |
با توجه به این که متغیرهای جوشکاری آمپراژ، ولتاژ و سرعت جوشکاری میباشند و با در نظر گرفتن این مطلب که برقراری ارتباط بین این متغیرها با ریزساختار مشکل میباشد؛ بنابراین ارتباط همه این متغیرها را توسط رابطه ۱ با حرارت ورودی بدست آمده است و در مرحله بعدی تأثیر میزان حرارت ورودی به قطعه، با خواص اتصال حاصل بررسی شده است ]۱۳[.
(۱) HI=
که در این رابطه:
HI حرارت ورودی به قطعه در اثر جوشکاری (J/mm)، Vولتاژ دستگاه(بر حسب ولت)، I شدت جریان(برحسب آمپر)، S سرعت جوشکاری(برحسب mm/min) و η بازده جوشکاری میباشد، که در مورد جوشکاری تنگستنی به صورت تک پاس به صورت تقریبی ۷/۰ تا ۸/۰ گزارش شده است؛ بنابراین حرارتهای ورودی از رابطه ۱ بدست آمده است و در جدول ۳ آورده شده است.
براي بررسي ریز ساختاري پس از مانت کردن نمونهها توسط مانت گرم سمباده زنی از سمباده ۳۲۰ تا ۴۰۰۰ برای هر نمونه انجام پذیرفت. در نهایت به منظور بهبود کیفیت سطحی از فرایند پولیشکاری استفاده گردید. در نهایت نمونهها در محلول مخصوص مطابق با ترکیب زیر حکاکی[۱] شدند.
ترکیب محلول حکاکی: ۷۰ mL H2O + 30 mL Hcl + 1 g K2S2O5 + 1mL HF
سپس نمونهها توسط میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد مطالعه قرار گرفتند. همچنین در این تحقیق مقاطع عرضی جوش به وسیله میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM) مجهز به پراش الکترونی برگشتی(EBSD) مورد بررسی قرار گرفتند. از دستگاه با مدل هیتاچی SU6600 استفاده شد. آماده سازی نمونهها توسط مجموعهای از سنباده زنی و پولیش انجام شد، در ادامه نمونهها به مدت ۶ ساعت در دستگاه Vibromet 2 دارای محلول کلوئیدی سیلیکا با اندازه ذرات ۵۰ نانومتر پولیش نهایی شدند. در تهیه تصاویر EBSD از ولتاژ KV20، فاصله کاری[۲] mm15 و اندازه گام[۳] nm50 استفاده شد. تصاویر EBSD توسط نرم افزار HKL CHANNEL 5 مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. به منظور بررسی نوع فازهای تشکیل شده از آزمون پراش پرتوی ایکس استفاده شد. و برای بررسی خواص مکانیکی آزمونهای کشش، ریز سختی و شکست نگاری انجام پذیرفت. همچنین برای بررسی درصد فازهای آستنیت و فریت از آنالیز تصاویر میکروسکوپ نوری توسط نرم افزارهای آنالیز تصویری( به طور مثال نرم افزار Clemex) استفاده شد. به علاوه درصد فریت نیز توسط فریت‌سنج[۴] محاسبه شد و با درصدهای بدست آمده توسط نرمافزارهای آنالیز تصویری مقایسه شد.
دیجی قطعه با استفاده از دانش نوین توانایی ساخت دستگاه، ساخت قطعه یا قطعات صنعتی و ساخت دستگاه های صنعتی را دارد
نتایج وبحث
۱) ریزساختار
پس از انجام جوشکاری سه منطقه روی سطح مقطع جوش قابل مشاهده است که به ترتیب عبارتند از:
- فلز پایه
- منطقه متأثر از حرارت
- منطقه ذوب
در ادامه به بررسی این مناطق پرداخته خواهد شد.
الف) فلز پایه
ریز ساختار فولادS32750 UNSمورد استفاده در این پژوهش از نوع کارشده میباشد. یعنی نمونهها قبل از آنکه تحت عملیات جوشکاری قرار گیرند تحت عملیات ترمومکانیکی نورد قرار گرفتهاند. به دلیل انجام فرایند نورد ریزساختار فلز پایه به صورت لایهای کشیده شده دیده میشود. همانطور که در شکل ۲ قابل مشاهده است، شکلگیری دانهها به گونهای است که فاز روشن آستنیت به صورت لایهای کشیده شده در زمینه تیره رنگ فریت دیده میشود. شکل ۲ (الف) تصویر میکروسکوپ نوری توزیع فازهای آستنیت و فریت را درفولاد S32750 UNS نشان میدهد. همچنین شکل ۲ (ب) تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی میباشد که دانهبندی مربوط به فازهای فریت و آستنیت را در این فولاد نشان میدهد. شکل ۲ (ج) تصویر مربوط به نقشه فازی[۵] آنالیزEBSD این فولاد را نشان میدهد. همانطور که از تصاویر شکل ۲ مشخص است، بیش از ۶۰ درصد ساختار را فریت با شبکه BCC تشکیل داده است و میزان آستنیت در ساختار کمتر از ۴۰ درصد میباشد، بنابراین میتوان گفت در فلز پایه تعادل یک به یک درصد حجمی فریت با آستنیت برقرار نمیباشد.
ب) منطقه ذوب
با توجه به شکل ۳ مشخص شد که فلز جوش شامل دانههای آستنیت پراکنده در زمینه فریت است. با توجه به این نکته که انجماد فولادهای زنگ نزن به صورت فریتی میباشد و سپس آستنیت طی استحاله حالت جامد در داخل فریت جوانه زنی کرده و پدید میآید، درصد نهایی فریت و آستنیت به ترکیب شیمیایی فلز پایه و پرکننده و سرعت سرد شدن بستگی دارد. آستنیت در فلز جوش فولادهای دوفازی به سه شکل از فریت جوانه می‌زند که عبارتند از:
- به صورت چند شکلی در مرز دانههای فریت.
- به صورت ورقههای ویدمن اشتاتن.
- به صورت رسوبات بین دانهای.
از بین موارد ذکر شده آستنیت مرزدانهای و ویدمن اشتاتن در دماهای بالاتر تشکیل میشوند، بنابراین نیروی محرکه کمتری نیاز دارند. اما آستنیت بین دانهای در دماهای پایینتر تشکیل میشود و بنابراین به میزان تحت انجاد بیشتری نیاز دارد . بنابراین میتوان گفت آستنیت های وید من اشتاتن و چند شکلی در همان ابتدا در دماهای بالا تشکیل میشوند، در صورتی که ذرات آستنیت درون دانهای به نیروی محرکه بیشتری نیاز دارند]۴[. همانطور که در شکل ۳ (الف) مشاهده میشود در این منطقه رشد دانههای در داخل فریت به صورت دندریتی است. در شکل ۳ (الف) فاز تیره رنگ فریت و فاز روشن آستنیت میباشد.
ج) منطقه متأثر از حرارت
این منطقه در بین مناطق فلز پایه و ذوب قرار گرفته است. به دلیل نرخ بالای سرد شدن ناشی از جوشهای ذوبی ریز ساختار این منطقه دارای نسبتهای غیر تعادلی از فریت و آستنیت میباشد. در منطقه متأثر از حرارت سه پدیده اتفاق میافتد که به ترتیب عبارتند از:
- حل شدن آستنیت در اثر حرارت ناشی از جوشکاری.
- رشد دانههای فریت دلتا.
- استحاله تبدیل فریت دلتا به آستنیت(در دمای ۸۰۰ تا ۱۳۰۰ درجه سانتی‌گراد)]۱۲[.
همانطور که گفته شد در هنگام جوشکاری در منطقه متأثر از حرارت ابتدا ساختار به صورت کاملاً فریتی در میآید و در ادامه به علت نرخ سرد شدن بالا(که در جوشکاری ذوبی ناچارا اتفاق میافتد) و عبور سریع از گستره دمایی تشکیل آستنیت، استحاله نفوذی فریت به آستنیت سریعا متوقف میشود و در این منطقه در مقایسه با فلز پایه و منطقه ذوب آستنیت کمتری تشکیل میگردد ]۷و۱۲[. همچنین اندازه دانهها در این منطقه بیشتر از فلز پایه میباشد(شکل ۴ و ۵). عرض این منطقه در حدود ۱۹۰ تا ۲۴۰ میکرومتر اندازهگیری شد. این منطقه در شکل ۴ قابل مشاهده است.
نرخ سرد شدن کم و زیاد هر کدام معایب و مزایایی در جوشکاری فولادهای دو فازی به همراه دارند. به طور مثال در نرخ سرد شدن بالا نیتروژن موجود در فولاد(که در این فولاد مقدار قابل توجهی میباشد) نمی‌تواند از فریت به سمت آستنیت نفوذ کند(زمان کافی برای نفوذ را پیدا نمیکند). در نتیجه یک منطقه غنی از نیتروژن در فاز فریت به وجود میآید و بنابراین نیتروژن به صورت نیترید کروم رسوب میکند. همچنین حرارت ورودی کم باعث میشود استحاله حالت جامدِ تبدیل فریت به آستنیت به کندی پیشرفت کند و در نتیجه درصد فریت در ساختار افزایش خواهد یافت]۱۴و۳[.
برای توضیح بهتر تأثیر حرارت ورودی از معادلات رزنتال استفاده میشود]۱۳[. بر طبق روابط رزنتال حرارت ورودی زیاد باعث میشود نرخ سرد شدن کاهش یابد. با کاهش نرخ سرد شدن زمان کافی برای استحاله فریت به آستنیت فراهم میشود، بنابراین مقدار آستنیت در ساختار نهایی افزایش مییابد.
با مقایسه تصاویر شکل ۶ مشخص میگردد با افزایش حرارت ورودی درصد آستنیت فلز جوش (مناطق دندریتی) افزایش یافته است. همانطور که از مقایسه بین نمونههای ۱و ۳ مشخص است با افزایش حرارت ورودی به فلز جوش، درصد آستنیت فلزجوش افزایش مییابد. در منطقه متأثر از حرارت افزایش حرارت ورودی باعث کم شدن سرعت سرد شدن میگردد و استحاله تبدیل فریت به آستنیت فرصت پیشروی بیشتری پیدا میکند و درصد آستنیت در ریز ساختار افزایش مییابد. همچنین با افزایش حرارت ورودی عرض منطقه متأثر از حرارت نیز افزایش مییابد (جدول ۴)
جدول۴٫ درصد حجمی آستنیت منطقه ذوب، عرض HAZ و میزان حرارت ورودی برای نمونههای اتصال یافته به روش GTAW
| شماره نمونه | حرارت ورودی(kj) | درصد آستنیت منطقه ذوب | عرض منطقه متأثر از حرارت(mμ) |
| ۱ | ۱/۱ | ۴/۴۷ | ۱۷±۲۲۰ |
| ۲ | ۰/۱ | ۲/۴۵ | ۱۰±۲۰۳ |
| ۳ | ۳/۱ | ۵/۵۰ | ۲۱±۲۳۵ |
| ۴ | ۱/۱ | ۸/۴۶ | ۱۸±۲۱۲ |
) خواص مکانیکی
خواص مکانیکی توسط آزمونهای کشش، شکست نگاری و سختی بررسی شد.
الف) آزمون کشش
پس از انجام آزمایش کشش نتایج مطابق با جدول ۵ و شکل ۷ بدست آمد. همانطور که اشاره شد با مقایسه نمونه ۱و ۳ مشاهده شد کاهش حرارت ورودی باعث کاهش فاصله بازوهای دندریتی و در نتیجه ریز شدن ساختار شده است؛ که در نهایت منجر به افزایش استحکام و انعطاف پذیری شده است. از طرف دیگر با مقایسه نمونهها، خصوصا نمونههای شماره ۱و ۴ مشاهده شد یکی از متغیرهای مهم کنترل کننده استحکام، حرارت ورودی است؛ که در نتایج کار سایر محققین نیز همین نتیجه بدست آمده است]۱۵و۸،۷[. افزایش حرارت ورودی نیز به دلیل افزایش اندازه دانهها باعث کاهش استحکام تسلیم و کششی و همچنین کاهش انعطاف پذیری در نمونه شماره ۳ شده است.
جدول ۵٫ میزان استحکام تسلیم، استحکام کششی و مقدار ازدیاد طول برای نمونههای جوشکاری شده به روش GTAW
| شماره نمونه | استحکام کششی (MPa) | استحکام تسلیم (MPa) | انعطاف پذیری | حرارت ورودی(kj/mm) |
| ۱ | ۸۳۸ | ۷۲۰ | ۲/۲۰ | ۱/۱ |
| ۲ | ۷۶۱ | ۶۴۰ | ۰/۱۲ | ۰/۱ |
| ۳ | ۶۸۲ | ۶۰۲ | ۹/۱۰ | ۳/۱ |
| ۴ | ۸۴۰ | ۷۱۸ | ۸/۱۶ | ۱/۱
|
نتایج حاصل از شکست نگاری بر روی نمونههای کشیده شده (در آزمون کشش) در شکل ۸ و شکل ۹ قابل مشاهده میباشد. همانطور که مشاهده میشود شکلها دارای دو قسمت دیمپلها و صفحات تورقی(رخ برگی) میباشند. دیمپلها نشاندهنده شکست نرم و صفحات رخ برگی نشاندهنده شکست ترد میباشند. نوع شکست نمونهها به صورت مخلوط نرم و ترد میباشد (بیشتر تصویر را دیمپلها تشکیل دادهاند). ولی به طور کلی نمونههای جوشکاری شده به روش قوسی الکترود تنگستنی بیشتر به صورت نرم شکسته شده‌اند، که این نتیجهگیری در تحقیق تاوارس نیز دیده شده است]۱۴[. در جایی که حرارت ورودی یکسان بوده است تقریبا سطح شکستها نیز باهم تطابق خوبی دارند (تصویر ب و ج شکل ۹).
ب) سختی
به طور کلی سختی فولادهای دو فازی تابع دو عامل مختلف است که به ترتیب عبارتند از:
- درصد فازهای فریت و آستنیت در ریز ساختار
- حضور فازهای ثانویه(به طور مثال فاز سیگما)]۱۶و ۱۷[.
در مراجع مختلف عنوان شده است که به منظور عدم تشکیل فازهای ثانویه حین جوشکاری فولاد دوفازی UNS S32750 می بایست حرارت ورودی کمتر از ۵/۱ کیلوژول بر میلی متر در نظر گرفته شود]۸و۲[. بنابراین حرارت ورودی به گونهای تنظیم شده که فازهای ثانویه تشکیل نگردد، بنابراین تنها عامل کنترل کننده سختی درصد فازهای فریت و آستنیت میباشند. به علت بالا بودن نرخ سرد شدن در منطقه متأثر از حرارت، مقدار آستنیت این منطقه کمتر از آستنیت منطقه جوش و فلز پایه است؛ بنابراین عدد سختی منطقه متأثر از حرارت بالاتر از سختی فلز پایه و منطقه ذوب میباشد. همچنین در همه نمونهها در ناحیه ذوبِ مقطع جوش سختی کاهش یافته است، این کاهش به دلیل افزایش اندازه دانهها پس از جوشکاری میباشد. با مقایسه نمونه شماره ۳ با سایر نمونهها مشخص میشود که در نمونهای که حرارت ورودی بالاتر بوده است سختی در منطقه ذوب کاهش بیشتری نسبت به سایر نمونهها داشته است.
دیجی قطعه با استفاده از دانش نوین توانایی ساخت دستگاه، ساخت قطعه یا قطعات صنعتی و ساخت دستگاه های صنعتی را دارد
با دقت در نمودار شکل ۱۰ مشخص میشود که سختی نمونه شماره ۲ در مقطع جوش بیشتر از سایر نمونهها میباشد که به دلیل پایین بودن حرارت ورودی در این نمونه نسبت به سایر نمونهها میباشد. با توجه به نمودار شکل ۱۰ میتوان گفت متوسط عدد سختی در ناحیه ذوب فولاد با افزایش حرارت ورودی کاهش یافته است، که این نتیجه مطابق با نتایج تحقیقات سایر محققین در این زمینه میباشد]۱۴و۸،۷[.
۳) فازیابی
الف) فازیابی کیفی توسط پراش پرتوی ایکس
الگوی پراش پرتوی ایکس به دست آمده برای نمونههای جوشکاری شده و فلز پایه مطابق با شکل ۱۱ میباشد. همانطور که دیده میشود فازهای تشکیل دهنده پس از جوشکاری همانند قبل از جوشکاری فریت و آستنیت میباشند، این نتیجه گیری در تحقیق تاوارس نیز آمده است]۱۴[.
پس از یافتن درصد فریت در نمونههای اتصال یافته به روش GTAW با فریت سنج نتایج مطابق با جدول ۶ مشاهده شد. در همه نمونهها درصد حجمی فریت در حدود ۵۰ درصد میباشد و این نشان دهنده آن است که تقریبا درصد اسمی فریت و آستنیت باهم برابر است که نتیجه مطلوبی میباشد. با مقایسه نمونههای شماره ۲ و ۳ مشاهده میشود با افزایش حرارت ورودی میزان کاهش فریت نیز افزایش یافته است. افزایش حرارت ورودی موجبِ کاهش نرخ سرد شدن شده است. در نتیجه زمان کافی برای پیشرفت استحاله حالت جامد تبدیل فریت به آستنیت فراهم شده است، و در نهایت میزان فریت در ساختار نهایی کاهش بیشتری یافته است. همچنین با مقایسه نمونه شماره ۱ و ۴ که جوشکاری در یک حرارت ورودی انجام شده است مشاهده میشود که درصد فریت بسیار نزدیک به هم دارند. بنابراین میتوان گفت یکی از متغیرهای مهم کنترل کننده درصد فازهای حاصل از جوشکاری حرارت ورودی میباشد.
جدول ۶٫ درصد حجمی فریت و آستنیت اندازه گیری شده توسط دستگاه فریت سنج در نواحی مختلف نمونههای جوشکاری شده
| شماره نمونه | آنالیز توسط فریت سنج | آنالیز توسط نرم افزار Clemex | حرارت ورودی(Kj) | ||||
| درصد فریت | فلزپایه | منطقه ذوب | |||||
| فلز پایه | منطقه ذوب | درصد فریت | درصد آستنیت | درصد فریت | درصد آستنیت | ||
| ۱ | ۳/۶۰ | ۵/۴۷ | ۳/۶۱ | ۷/۳۸ | ۸/۵۳ | ۲/۴۶ | ۱/۱ |
| ۲ | ۱/۶۲ | ۷/۴۸ | ۴/۶۰ | ۶/۳۹ | ۶/۵۵ | ۴/۴۴ | ۰/۱ |
| ۳ | ۶/۵۸ | ۱/۴۵ | ۲/۶۳ | ۸/۳۶ | ۹/۵۰ | ۱/۴۹ | ۳/۱ |
| ۴ | ۵/۶۱ | ۲/۴۸ | ۹/۵۹ | ۱/۴۰ | ۵/۵۳ | ۵/۴۶ | ۱/۱ |
ج) فازیابی کمی با استفاده از نرم افزار Clemex
با توجه به عکسهای گرفته شده توسط میکروسکوپ نوری و با استفاده از نرم افزار آنالیز تصویری clemex درصد فریت و آستنیت در مناطق مختلف اندازه گیری شد، که نتایج آن در جدول ۶ آورده شده است. نتایج موجود در جدول ۶ نشان میدهد که درصد فازهای فریت و آستنیت بدست آمده توسط نرم افزار با درصدهای بدست آمده توسط فریت سنج تقریبا تطابق مناسبی دارد. از طرفی در هر دو روش میزان فریت فلز جوش در نمونه شماره ۳ کمتر از سایر نمونهها میباشد، که به دلیل بالا بودن حرارت ورودی در این نمونه میباشد. همچنین درصد فریت نمونههای شماره ۱ و ۴ در هر دو روش تقریبا با هم برابر است که این نشاندهنده این مطلب میباشد که یکی از متغیرهای مهم کنترل کننده درصد حجمی فریت و آستنیت حرارت ورودی است]۱۶-۱۴[.
نتیجه گیری
- پس از انجام جوشکاری دانههای آستنیت در منطقه ذوب از حالت کشیده و موازی به دندریتی تغییر شکل دادهاند.
- در مقطع جوشکاری سختی در منطقه ذوب نسبت به فلز پایه از حدود ۲۸۵ ویکرز به ۲۵۰ ویکرز کاهش یافته است. در منطقه متأثر از حرارت به دلیل نفوذ احتمالی کاربید کروم درون فریت و کاهش درصد آستنیت سختی تا ۳۴۰ ویکرز افزایش یافته است.
- با مقایسه نمونههای جوشکاری شده میتوان دریافت که افزایش حرارت ورودی از ۱ تا ۳/۱ کیلوژول در هنگام جوشکاری منجر به افزایش اندازه دانهها از ۲۵ به ۳۷ میکرومتر و همچنین افزایش درصد آستنیت از ۴۵ تا ۵۰ درصد شده است.
- از تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نتیجه میشود که نوع شکست نمونهها به صورت مخلوط نرم و ترد بوده است(حضور دیمپل ها و صفحات رخ برگی به صورت همزمان در یک سطح شکست باعث این نتیجهگیری شده است.).دیجی قطعه با استفاده از دانش نوین توانایی ساخت دستگاه، ساخت قطعه یا قطعات صنعتی و ساخت دستگاه های صنعتی را دارد
مراجع
[۱] Lippold, J.C., Kotecki, D.J., ZHU, Welding Metallurgy and Weldability of Stainless Steels, Vol. 13, 1999.
[۲] Petterson, C.O., Fager, S.A., “Welding practice for the Sandvik duplex stainless steels SAF 2304, SAF 2205 and SAF 2507”, AB Sandvik steel Sweden, 1995.
[۳] Fager, S.A., Odegard, L., “Welding of the Super Duplex Stainless Steel Sandvik SAF2507 (UNS S32750)”, Proceedings of the Third International Offshore and Polar Engineering Conference, 1993.
[۴] Muthupandi, V., Bala Srinivasan, P., Seshadri, S.K., Sundaresan S., “Effect of weld metal chemistry and heat input on the structure and properties of duplex stainless steel welds”, Materials Science and Engineering A, Vol. 358, pp. 9–۱۶, ۲۰۰۳٫
[۵] Cervo, R., “Annealing temperature effect on super duplex stainless steel UNS S32750 welded joint”, Material science and engineering, Vol. 45, pp. 4369-4377, 2010.
[۶] Chavdarov, P., “Electron Beam Welding of Super duplex Stainless Steel UNS S32750”, Stainless Steel World 2007 Conference, Netherlands, 2007.
]۷[ صادقیان، م.،” جوشكاري غير مشابه فولاد زنگ نزن دو فازي ۳۲۷۵۰ به فولاد كم آلياژ استحكام بالا و ارزيابي خواص اتصال” دانشكده مهندسي مواد، دانشگاه صنعتي اصفهان، پایان نامه کارشناسی ارشد ، ۱۳۹۱٫
]۸[ امینی، م.،” جوشكاري غير مشابه فولاد زنگ نزن سوپر دو فازي UNS S32750 به فولاد زنگ نزن آستنيتي AISI 316L و ارزيابي ريز ساختار و رفتار خوردگي” دانشكده مهندسي مواد، دانشگاه صنعتي اصفهان، پایان نامه کارشناسی ارشد، ۱۳۹۱٫
[۹] Eghlimi, A., Shamanian, M., Raeissi, K., “Effect of current type on microstructure and corrosion resistance of super duplex stainless steel claddings produced by the gas tungsten arc welding process”, Surface & Coatings Technology., Vol. 244, pp. 45-51, 2014.
[۱۰] Cervo, R., Ferro, P., Tiziani, A., Zucchi, F., “Annealing temperature effects on super duplex stainless steel UNSS32750 welded joints. II: pitting corrosion resistance evaluation”, Journal of Material Science, Vol.45, pp.4378–۴۳۸۹, ۲۰۱۰٫
[۱۱] Eghlimi, A., Shamanian, M., Eskandarian, M., Zabolian, A., Szpunar, A., “Characterization of microstructure and texture across dissimilar super duplex/austenitic stainless steel weldment joint by super duplex filler metal”, Materials Characterization, Vol. 106, pp. 27–۳۵, ۲۰۱۵٫
[۱۲] Hemmer, H., Grong, Q., Klokkehaug, S., “A process model for the heat-affected zone microstructure evolution in duplex stainless steel weldments”, welding Metallurgical and Materials Transactions A., Vol. 31, pp. 1035-1048, 2000.
]۱۳ [ سیندو کو، شمعانیان و اشرفی(مترجمین)، متالورژی جوشکاری، انتشارات جهاد دانشگاهی، ۱۳۸۵٫
[۱۴] Tavares, S., Pardal, J., Lima, L., Bastos, N., Nascimento, A., Souza, L., “Characterization of microstructure, chemical composition, corrosion resistance and toughness of a multipass weld joint of super duplex stainless steel UNS S32750”, Materials Characterization, Vol.58, pp. 610–۶۱۶, ۲۰۰۷٫
[۱۵] Varol, I., Microstructure/property relationships in the weld heat-affected zone of duplex stainless steels, PhD Thesis, Ohio state university, 1992.
[۱۶] Sharifi, S.H. Microstructure of super duplex stainless steel, Ph. D Thesis, university of Cambridge, 1993.
[۱۷] Escriba, D.M., Materna-Morrisb, E. Plaut, R.L. Padilla, A.F., “Chi-phase precipitation in a duplex stainless steel” Material characterization., Vol 60, pp. 1214- 1219. 2009.
ارسال یک پاسخ
می خواهید در گفتگو ها شرکت کنید؟Feel free to contribute!