بررسي ريزساختار و خواص مكانيكي اتصال حالت جامد دوفلزي مس -فولاد كم آلياژ AISI4140 به روش جوشكاري پلاسماي جرقه¬اي (SPW)

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مواد

دكتري

هدف اصلي از پژوهش حاضر ارزيابي ريزساختارها و خواص مكانيكي اتصالات حالت جامد مس- فولاد AISI4140 ايجاد شده به روش جوشكاري پلاسماي جرقه¬اي (SPW) بدون قالب و با قالب، بدون لايه مياني و با لايه مياني تحت متغيرهاي مختلف دما، زمان و فشار است. جهت بررسي تأثير قالب در اتصالات ايجاد شده، فرايند SPW در دماي oC650 به¬مدت min30 و فشار MPa20 بدون قالب و با قالب انجام شد. به¬منظور ارزيابي تأثير متغيرهاي دما، فشار و زمان، اجراي فرايندها در دماهاي 650، 700 و oC750، زمان¬هاي 5، 15، 30 و min60 و فشارهاي 20 و MPa40 صورت گرفت. همچنين جهت بررسي لايه مياني، فرايند SPW در دماي oC700 به-مدت min15 و فشار MPa20 همراه با لايه مياني نيكل انجام شد. بررسي¬هاي ريزساختاري اتصالات ايجاد شده توسط ميكروسكپ-هاي نوري و الكتروني روبشي انجام شد. تهيه منحني¬هاي تغييرات غلظت توزيع عناصر، آناليز نقطه¬اي و نقشه¬هاي عنصري با استفاده از طيف¬سنجي پراكندگي انرژي (EDS) صورت گرفت. به¬منظور ارزيابي خواص مكانيكي اتصالات از آزمون¬هاي سختي¬سنجي و كشش استفاده شد. شناسايي فازهاي سطح شكست اتصالات بعد از آزمون كشش با استفاده از آزمون پراش¬سنجي پرتوايكس گريزينگ (GIXRD) انجام شد. همچنين بررسي¬هاي سطوح شكست اتصالات توسط ميكروسكپ الكتروني روبشي گسيل ميداني صورت گرفت. نتايج نشان داد، در تمامي اتصالات مس-فولاد بدون لايه مياني، انحلال اجباري مس در فولاد و آهن در مس رخ داده و هيچ گونه تركيب بين فلزي در فصل مشترك اتصال شناسايي نشده است. همچنين نفوذ اتم¬هاي مس در فولاد در حين فرايند SPW به-صورت نفوذ تك بعدي و از طريق نواحي اتصال يافته صورت گرفته است. انجام فرايند SPW در دماي oC650 در قالب فلزي، در اثر عدم تشكيل لايه اكسيدي و ناحيه مرده در فصل مشترك اتصال در مقايسه با فرايند بدون قالب، باعث كاهش نواحي اتصال نيافته وتشكيل ميكروحفره¬ها در فصل مشترك اتصال شده و درنتيجه استحكام اتصال از 42 به MPa90 افزايش يافته است. افزايش فشار اعمالي از 20 به MPa40 در دماي oC650 تأثير محسوسي در افزايش استحكام اتصال نداشته است. با افزايش دماي فرايند از 650 به oC700 به¬علت حذف نواحي اتصال نيافته و ميكروحفره¬ها و افزايش مسافت¬هاي نفوذ مس و آهن در فصل مشترك اتصال، استحكام اتصال تا حد قابل توجهي تا حدود MPa179 افزايش يافته و شكست اتصال از ترد-نرم به نرم تبديل شده است. از طرف ديگر، افزايش دماي فرايند تا oC750 به¬علت تغيير ساختار فولاد از فريت و سمنتيت به فريت وآستنيت و كاهش ضريب نفوذ مس در فاز آستنيت فولاد، منجر به كاهش مسافت نفوذ مس در فولاد در نواحي قابل¬توجهي از اتصال شده و درنتيجه استحكام اتصال تا حدود MPa157 كاهش يافته است. بررسي¬ها نشان مي¬دهد كه در دماي oC700 با افزايش زمان فرايند از 5 تا min60،، مسافت نفوذ مس و آهن در فصل مشترك اتصال و استحكام اتصال از 46 تا MPa211 (نزديك به استحكام نهايي مس خالص) افزايش يافته است. با بررسي¬هاي سطح شكست اتصالات ايجاد شده در زمان¬هاي مختلف مشخص شده كه در اتصال ايجاد شده به¬مدت min5 جدايش ترد در ناحيه الاستيك رخ داده، با افزايش زمان فرايند تا 15 و min30، با وجود افزايش نفوذ اتم¬هاي مس و آهن در فصل مشترك اتصال، به¬علت وجود نواحي با پيوند متالورژيكي ضعيف¬تر، قبل از رسيدن به استحكام اتصال در اين نواحي به¬ترتيب جدايش ترد و نرم از فصل مشترك اتصال اتفاق افتاده است. در اتصال ايجاد شده به¬مدت min60،به¬علت نفوذ قابل¬توجه مس در فولاد و ايجاد پيوند متالورژيكي قوي در تمامي فصل مشترك اتصال، قبل از رسيدن به استحكام اتصال، جدايش در فصل مشترك اتفاق نيافته است و بعد از استحكام اتصال با ايجاد ميكروگلويي¬ها در نواحي متعددي از فصل مشترك اتصال، شكست نرم رخ داده است. با انجام فرايند SPW با لايه مياني نيكل، نواحي نفوذي قابل¬توجهي در هر دوطرف لايه مياني تشكيل شده و باعث افزايش استحكام اتصال از 130 تا MPa166 شده است. استفاده از لايه مياني نيكل در اتصال مس-فولاد باعث تشكيل تركيب بين¬فلزي ترد FeNi3 در فصل مشترك لايه مياني-فولاد و منجر به افزايش پراكندگي استحكام اتصالات و جدايش ترد در حين آزمون كشش شده است.

227706

مهندسي مواد

مهندسي مواد

دانشگاه صنعتي اصفهان