مقاله بررسی مکانیزم جوانه زنی و رشد ترک خستگی در فولاد مرتبه ای آستنیت-مارتنزیت-آستنیت تولید شده توسط فرآیند ذوب دوباره سرباره ای

بررسی مکانیزم جوانه زنی و رشد ترک خستگی در فولاد مرتبه ای آستنیت-مارتنزیت-آستنیت تولید شده توسط فرآیند ذوب دوباره سرباره ای

چکیده

در روش ذوب دوباره سرباره ای الکترودهای اولیه شامل فولاد زنگ نزن آستنیتی و فولاد ساده کربنی می باشند که با چیدمان و ترتیب گوناگون به یکدیگر جوش داده می شوند و در نهایت این الکترود مرکب در طی فرآیند دوباره سرباره ای ذوب می شود. در این روش ، فولاد مرتبه ای توسط نفوذ و جابجایی عناصر آلیاژی (نیکل و کروم) و کربن تولید می شود. در واقع عناصر آلیاژی و کربن با درصد بیشتر به منطقه ای که درصد کمتری دارد و یا یک شیب غلظتی وجود دارد ، نفوذ کرده و سبب تغییر ساختار می شود. بنابراین ، این امکان وجود دارد که یک کامپوزیت فولادی با ترکیبات مختلفی از جمله فریت ، پرلیت ، آستنیت ، بینیت و مارتنزیت بدست آید. در این تحقیق آزمون خستگی خمشی-دورانی بر روی نمونه های ساخته شده از فولاد مرتبه ای انجام شده و در نهایت سطح شکست خستگی مورد بررسی قرار گرفته است. تصاویر میکروسکوپ الکترونی از سطح شکست خستگی نشان می دهند که جوانه زنی ترک از سطح نمونه (فاز آستنیت) شروع شده و با رسیدن به مرز مشترک فاز آستنیت-مارتنزیت ترک شروع به شاخه شاخه شدن می کند. این روند رشد ترک باعث افزایش عمر خستگی شده است. در این مقاله، تحلیل دقیقی از مکانیزم های جوانه زنی و رشد ترک در اثر خستگی فولاد مرتبه ای تولید شده صورت گرفته است.

واژه های کلیدی: جوانه زنی و رشد ترک خستگی ، فولاد مرتبه ای ، نفوذ ، ذوب دوباره سرباره ای

مقدمه

فلز تحت تنش تکراری یا نوسانی در تنشی به مراتب کمتر از تنش لازم برای شکست در اثر یک مرتبه اعمال بار خواهد شکست. شکست هایی که در شرایط بارگذاری دینامیک رخ می دهند شکست های خستگی۱ نامیده می شوند. این نامگذاری احتمالا مبتنی بر این دلیل است که به طور کلی مشاهده می شود شکست ها فقط پس از یک دوره کار زیاد رخ می دهند. هیچ گونه تغییر واضحی در ساختار فلزی که به علت خستگی می شکند وجود ندارد تا بتوان به عنوان مدرکی برای شناخت دلایل شکست خستگی از آن استفاده کرد. دلیل عمده خطرناک بودن شکست خستگی این است که بدون آگاهی قبلی و قابل رویت بودن ، رخ می دهد. معمولاسطح شکست در مقیاس ماکروسکوپی بر جهت تنش کششی اصلی عمود است. سطح شکست خستگی از ظاهر سطح شکست تشخیص داده می شود،که از یک ناحیه هموار حاصل از عمل سایش با اشاعه ترک در مقطع و یک ناحیه ناهموار که در هنگام عدم تحمل بار توسط مقطع ، در قطعه به صورت نرم شکسته شده است ، تشکیل می شود. غالبا پیشرفت شکست توسط یک دسته حلقه هم مرکز نشان داده می شود،که از نقطه شروع شکست به طرف داخل پیشرفت می کند. به طور کل شکست خستگی توسط سه مرحله تعریف می شود: جوانه زنی و ایجاد ترک۲ ، رشد ترک۳ و شکست نهایی.۴ سهم نسبی هر مرحله از کل چرخه های مسبب شکست ، به شرایط آزمایش و ماده بستگی دارد. هر چه سطح تنش پایین تر باشد تعداد سیکل های لازم برای شکست و زمان لازم برای جوانه زنی ترک بیشتر می شود.

ترکیب چند ماده به صورت یک جزء ، در بسیاری از موارد ، بهبود بسیاری در کارایی آن ایجاد می کند. مواد مرتبه ای۵ مواد مفیدی هستند که از ترکیب چند ماده به دست آمده و ترکیب و خواص آنها به تدریج در کل یا قسمتی از ماده تغییر می کند.[۱]دسته ای از مواد مرتبه ای ، متغیری از لایه های مواد مختلف همگن و فصل مشترک دو ماده هستند.[۲] اغلب سطوح مشترک در کامپوزیت ها دربرگیرندهی نواقص (حاصل از پیوند ناقص یا تنشهای باقیمانده و …) میباشند. حتّی، در غیر اینصورت، عدم تطابقِ خواص در سراسر سطوح مشترک، منجر به تمرکز تنش و در نتیجه یک مکان مستعد برای ترکخوردن، گسست پیوند و پارگی در حین سیکلهای عملیاتی معمولی میشود. برای بهبود استحکام پیوند در دو طرف سطوحمشترک و اتّخاذ مزیت کاملتر از تکنولوژی کامپوزیت، یک راهحل ممکن، مواد مرتبهای میباشند. عبارت مواد مرتبه ای در سال ۱۹۷۲ در ژاپن به هنگام توسعه صنایع هوافضا به کار رفت.[۳] بیش از ۱۵ سال طول کشید تا اینکه در سال ۱۹۸۷ تحقیقات اصولی بر روی فرایندهای تولید مواد مرتبهای در چارچوب یک برنامه تحقیقاتی ملی در ژاپن شروع به فعالیت نمود و تا مارس سال ۱۹۹۱ ادامه پیدا کرد.

محرکه اصلی جهت توسعه مواد مرتبه ای ایجاد تغییر جزئی در ترکیب و خواص اتصال دو ماده مختلف است تا تنش در محل اتصال آنها نسبت به فصل مشترک دو ماده و همچنین استحکام فصل مشترک و احتمال جدا شدن آنها کمتر شود. به طور کلی، مواد مرتبهای، موادمرکّب غیرهمگنی

هستند که از ترکیب چند ماده مختلف تشکیل شده و ترکیب یا درصد حجمی اجزای تشکیلدهنده آن به طور پیوسته و تابع موقعیت در امتداد یک یا دو بعد خاص متغیر است (شکل .(۱ درنتیجه، خواص و ساختار آنها به طور پیوسته در امتداد همان ابعاد تغییر خواهد کرد.

ذرات فاز ۲ در زمینه

فاز ۱

ناحیه انتقال

ذرات فاز ۱ در زمینه فاز ۲

شکل ۱ تصویر یک ماده مرتبهای با فازهای مرتبهای تشکیل دهنده در جهت عمودی [۱]

اختلاف ضریب انبساط حرارتی بین الیاف و ماتریس در مواد کامپوزیتی، مشکلات دیگری به دلیل وجود تنشهای پسماند به وجود میآورد. در مواد مرتبهای، به دلیل تغییر تدریجی در کسر حجمیموادتشکیلدهنده (بجای تغییر ناگهانی آنها)، این مشکلات کاهش پیدا میکند. روشهای تولید مواد مرتبهای، شامل نشست شیمیایی و فیزیکی از فاز بخار، فرایندهای پودری، روشهای نفوذی، فرایند انتخابی و ریختهگری رانشی میباشد .[۴] آقازاده و شاهحسینی [۵] بـا اسـتفاده از روش ذوب دوبارهی سربارهای الکتریکـی۶، فولادهای مرتبـهای تولید کردند که انجام استحالههـای متـالورژیکی در آنها، سبب ایجاد فازهای جدیدی میشود. این مواد، علاوه بر اینکه خــود دارای خــواص مکــانیکی متفــاوتی نــسبت بــه اجــزای سازندهی اولیه میباشد، باعث تغییرتدریجیِخـواص در مـواد اولیه نیز میشود. شیب موجود در این گونه کامپوزیتها از نوع ترکیب شیمیایی بوده که موجب تغییر در ریزساختار میگردد و به جای داشتن یک ترکیبِ مشخص در فصل مشترک، یک تغییر شیب آهسته از یک جزء به جزء دیگر وجود خواهد داشت.

در طی فرایند ذوب، فازهای مختلفی در حین فرآیند نفوذ ایجاد گرددمی . هنگام نفوذ عناصر آلیاژی، نواحی مختلفی بـا مشخصـات انتقـالیِ متفـاوت ایجاد میگردد و بنابراین، میتوان شاهد ترکیباتی متفاوت از فازهای اولیه مانند فریت((α، آستنیت((γ، مارتنزیت (M) و باینیت((β بود. فـولادهـای مرتبهای به عنوان مواد مرتبهای با گرادیان استحکام شناخته میشود. سـاختارهای بـه وجـود آمـده در شـکل۲ نشـان داده شـده اسـت. در روش ذوب دوباره سرباره ای ، فولاد مرتبه ای توسط نفوذ و جابجایی عناصر آلیاژی (نیکل و کروم) و کربن تولید می شود.[۷] در تحقیق حاضـر بعـد از آمـاده سازی الکترودهای فریتی و آستنیتی و اتصال آنها (جوشکاری با گاز محافظ دی اکسید کربن) با چیدمان مشخص ، عملیات ذوب ESR انجام مـی

شود. سپس با استفاده از عملیات پرس و نورد گرم ضخامت شمش بدست آمده در فرآینـد ESR را بـه صـورت تـدریجی کاسـته، تـا در نهایـت بـه ضخامت دلخواه برسد.

شکل۲ الف) ساختارهای به وجود آمده در کامپوزیت [۶] γMγ ب)ساختارهای به وجود آمده در کامپوزیت [۶] γβα

بعد از ساخت نمونه های خستگی و بارگذاری آنها در دستگاه آزمون خستگی خمشی-دورانی تیر یکسر گیردار۷ ، سطح شکست و تعداد سیکل های منجر به شکست مورد مطالعه قرار می گیرد.

مواد و روش تحقیق

.۱ روش ذوب دوبارهی سربارهای

ابتدا الکترودهای مورد نظر تهیه شده و سپس به کمک جوشکاری با گاز محافظ دی اکسید کربن به یگدیگر متصل می شوند. الکترود مرکب در نهایت به دنباله دستگاه ESR جوشکاری می شود (شکل .(۳

شکل۳ نمایی از اتصال الکترود ها

ترکیب شیمیایی الکترودها در جدول۱ نشان داده شده است. که شامل فولاد ساده کربنی AISI 1011 و فولاد زنگ نزن آستنیتی AISI 316L می باشد.

جدول۱ ترکیب شیمیایی الکترودهای اولیه

سپس با استفاده از دستگاه ذوب دوباره سرباره ای که در شکل ۴ تصویر شماتیکی از آن آمده است ، عملیات ذوب انجام می شود. در این روش الکترود از قسمت انتهایی در حمام سرباره درون یک قالب آبگرد غوطهور میشود. حرارت لازم بهوسیله یک جریان الکتریکی بین الکترود و پایه-ی هادی (که قالب روی آن قرار میگیرد) تولید میشود. حمام سرباره۸ بهعنوان جزء مقاومتی مدار عمل میکند. هنگامیکه درجه حرارت سرباره به بالای درجه حرارت ذوب فلز رسید، نوک الکترود ذوب شده و یک لایه نازک از فلز مذاب به صورت قطره درمیآید. قطرهی مذاب قبل از عبور از سرباره و جمع شدن در کف قالب، در تماس با سرباره تصفیه میگردد . وظایف سرباره در واقع شامل فراهم کردن گرمای لازم برای فرایند ،

یک حلاّل برای مواد غیرفلزی ، بهعنوان عامل تصفیه در فرایند ، محافظت در برابر آلودگی و بهعنوان یک آستر برای قالب می باشد. در این تحقیق جنس سرباره ترکیبی از آلومینا ، آهک (CaO) و کلسیم فلوراید می باشد (شکل .(۵

شکل۴ جزئیات دستگاه [۱] ESR شکل۵ مخلوطی از آلومینا ، آهک و کلسیم فلوراید به عنوان سرباره

Facebook Twitter Google+ LinkedIn Pinterest Print