فولاد 4130 –گرد 4130- میلگرد 4130-مقاطع  -4130 فولاد ماشینکار-فولاد سخت کار- فولاد جوشپذیر-فولاد حرارتی- فولاد مقاوم بالا – فولاد ابزار- فولاد ضد خوردگی

فولاد 4130

فولاد آلیاژی 4130 یک فولاد آلیاژی به استاندارد ASTM A29 است. استیل  4140 نیز معمولاً به عنوان یک فولاد کرومیلی ، حاوی 0-28/0 درصد کربن ، 8/0 – 1/1 درصد کروم و 15/0 – 25/0 درصد مولیبدن شناخته می شود. این فولاد شبیه فولاد 4140 است. که دارای سطح کربن بالاتری است. که 4130 ماده بهبود یافته. یا جوش پذیری بالاست. و به ازای مقاومت در برابر ضخامت با گرمای مناسب به راحتی ماشینکاری می شود. فولاد آلیاژ ASTM 4130  ورق نازک بسیار عالی است. فولاد AISI 4130  معمولاً به صورت گرد عرضه میشود.

کاربرد فولاد آلیاژی 4130

از این نوع فولاد عمدتاً در ساخت هواپیمای مسافربری و نظامی و سیستم های پشتیبانی زمینی استفاده می شود.

فولاد آلیاژی 4130 یک ماده با قدرتی متوسط است. اما مقاومت زیادی ار حفظ می کند. و آن را برای مسابقات اتومبیل رانی و هوافضا عالی می سازند.

این فولاد کم آلیاژ به طور گسترده در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار میگیرد. و در برخی از حوزه های کاربردی معمول که به شرح زیر است مورد استفاده قرار می گیرد.

در صنایع: نفت و گاز بعنوان بدنه و پمپ – صنایع خودرو سازی – صنایع هواپیماسازی . در ساخت ابزار ماشین – در ساخت ابزارهای هیدرولیکی و… کاربرد دارد.

تأثیر فلز پرکننده بر خواص اتصال غیر مشابه فولاد 4130 به فولاد زنگ نزن 316L

در این پژوهش، اتصال غیر مشابه فولاد کم آلیاژ 4130. به فولاد زنگ نزن 316L به روش جوشکاری قوسی تنگستن – گاز. مورد بررسی قرار گرفت. از دو فلز پر کننده ERNiCr-3 و فولاد زنگ نزن ER309L به این منظور استفاده شد. پس از جوشکاری، ریزساختار مناطق مختلف هر اتصال شامل فلز جوش. مناطق متأثر از حرارت و فصل مشترک ها با استفاده از میکروسکوپ نوردی و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نشان داد. که در آزمون ضربه، شکست نمونه ها به صورت نرم می باشد. در آزمون کشش نمونه جوش داده شده با سیم جوش ER309L از فولاد پایه 316L دچار شکست شد.

اما نمونه جوش داده شده با سیم جوش ERNiCr-3 از محل جوش دچار شکست شد. بررسی ها نشان دهنده وجود ساختار دندریتی در فلزات جوش پایه نیکلی بود. ریز ساختار فلز پرکننده فولاد ER309L به صورت سلولی – دندریتی بوده. و به دلیل وجود فاز فریت دلتا در نواحی بین دندریتی آستنیت زمینه. هیچ گونه ترکی در این اتصال مشاهده نشد.

فولاد 4130 AISI فولادی کم آلیاژ با استحکام بالا و عملیات حرارتی پذیر می باشد. این فولاد دارای میزان کربن متوسط بوده و دارای عناصر آلیاژی نظیر کروم، مولیبدن، منگنز و دیگر عناصر می باشد. کاربرد این نوع فولادها در صنایع نفت و نیروگاه های برق می باشد. همچنین به دلیل مقاومت در برابر اکسید شدن. و استحکام بسیار خوب در درجه حرارت های بالا. در انواع مولد ها و مبدل های حرارتی کاربرد دارد. این فولاد همچنین در مخازن تحت فشار در صنایع پتروشیمی نیز استفاده می شود. این گروه فولادها به صورت نرماله، تمپر شده و کوئنچ – تمپر شده استفاده می شوند. کروم در فولاد، مقاومت به خوردگی و مولیبدن استحکام در درجه حرارت های بالا را افزایش می دهد.

فولاد زنگ نزن 316 پس از فولاد زنگ نزن 304 دومین فولاد زنگ نزن رایج. در بین فولادهای زنگ نزن آستنیتی است. این فولاد به فولاد زنگ نزن گرید دریایی نیز معروف است. و معمولاً شامل 16 درصد کروم، 10 درصد نیکل و دو درصد مولیبدن است. تغییر در نسبت کروم و نیکل و افزودن مولیبدن باعث مقاومت بیشتر این فولاد در مقابل خوردگی. به ویژه خوردگی ناشی از کلر می گردد. و به این دلیل برای تجهیزاتی که باید در تماس زیاد. با عوامل خورنده نظیر مواد شیمیایی حلال ها، و آب شور باشند، مناسب است. فولاد زنگ نزن 316 در صنایع مختلفی نظیر نفت، گاز، پتروشیمی، صنایع غذایی و دارویی مصارف گوناگونی دارد. از این آلیاژ برای ساخت لوله و ورق های مقاوم در محیط های اسیدی استفاده می شود. و قیمت آن نسبت به گریدهای مشابه مانند فولاد زنگ نزن 304 بیشتر است.

اتصال غیر مشابه فولادهای زنگ نزن به فولادهای کم آلیاژ با استحکام بالا. در صنایع مختلفی نظیر نفت، گاز، پتروشیمی، نیروگاه های حرارتی. و صنایع غذایی دارای کاربردهای فراوان می باشد. در اکثر صنایع مذکور خطوس لوله انتقال دهنده سیالات و نازل ها. از جنس فولاد زنگ نزن و مخازن و قسمت های تحت فشار سیستم. از جنس فولاد کم آلیاژ ساخته می شوند. و اتصال این اجزا به روش جوشکاری انجام می گردد. و یکی از اتصالات اساسی موجود در این صنایع می باشد. با توجه به کاربرد گسترده فولادهای کم آلیاژ و فولادهای زنگ نزن در صنایع مختلف. و نیاز فراوان به اتصال این دو نوع فولاد به یکدیگر. توسعه و بهینه سازی خواص این اتصال همواره مورد توجه قرار گرفته است. در گذشته کاربرد فیلرهای مختلف در اتصال این نوع فولادها مورد بررسی قرار گرفته است.

پانیندرا و همکاران به بررسی خواص اتصال غیر مشابه فولادهای AISI 4140. و AISI 316 ایجاد شده با روش جوشکاری قوسی تنگستن – گاز (GTAW) پرداختند. در این بررسی محققان خواص اتصال را در دو حالت بدون فلز پرکننده. و به استفاده از فلز پرکننده بررسی نمودند. فلز پرکننده مورد استفاده ER309L بود. نتایج نشان داد خواص اتصال در هر دو حالت قابل قبول می باشد. جانگ و همکاران به بررسی ریزساختار و خواص مکانیکی اتصالات فولادی کم آلیاژی SA508 به فولاد 316 با روش GTAW. به وسیله فلز پرکننده ایکونل 82/182 پرداختند.

این نوع اتصال در راکتورهای هسته ای کاربرد دارد. در این بررسی مشاهده گردید خواص مکانیکی و ریزساختار در طول ضخامت جوش متفاوت می باشد. در بررسی های انجام شده علت ترک های ایجاد شده در نمونه ها، تنش پسماند تشخیص داده شد. در این راستا پژوهشی مشابه با تحقیق جانگ و همکاران توسط کیم و همکاران انجام شد. با این تفاوت که در این بررسی محققین از عملیات حرارتی پس گرم در دمای 320 درجه سانتی گراد. برای کاهش تنش پسماند استفاده نمودند. که نتایج حاصل رضایت بخش بود. ریزساختار فلز جوش به صورت دندریتی و بررسی سطح شکست، نشان دهنده شکست نرم بود.

در مورد روش های مختلف جوشکاری این دو نوع فولاد در گذشته بررسی هایی صورت گرفته است. آریواژگان و همکاران به بررسی خواص اتصال فولادهای AISI 4140 و AISI 304 توسط روش های GTAW، جوشکاری اصطکاکی – اعتشاشی (FSW) و جوشکاری پرتوی الکترونی (EBW) پرداختند. نتایج نشان داد که اتصال به روش EBW دارای بیشترین استحکام کششی. و روش GTAW دارای بیشترین مقاومت به ضربه می باشد.

در میان روش های مختلف جوشکاری ذوبی، یکی از پرکاربردترین روش ها در اتصال فلزات غیرمشابه. که در سال های اخیر مورد توجه محققین قرار گرفته است، جوشکاری GTAW می باشد. این روش دارای مزایای فراوان می باشد. که از جمله می توان به تمیز بودن جوش.کنترل نسبی میزان رقت و کم هزینه بودن این روش اشاره کرد. این روش در عین دارا بودن مزایای بسیار. در مقایسه با برخی روش ها نظیر جوشکاری پرتوی الکترونی (EBW). و جوشکاری پرتوی لیزر (LBW) دارای نقاط ضعفی می باشد. که از آن جمله می توان به عمق نفوذ کمتر. ایجاد منطقه HAZ وسیع تر و ایجاد اعوجاج در مقاطع نازک اشاره نمود.

در راستای بهبود خواص جوش GTAW، احمدی و ابراهیمی. به بررسی اثر فلاکس فعال در عمق نفوذ جوشکاری GTAW فولاد 316L پرداختند. که نتایج نشان دهنده افزایش عمق نفوذ و افزایش استحکام بود. چاندر و همکاران تأثیر پارامترهای فرایند جوشکاری بر چقرمگی و سختی اتصال فولادهای 4140 AISI و AISI 304. به روش جوشکاری اصطکاکی را بررسی نمودند. پارامترهای اصلی مورد بررسی در این پژوهش نیروی اصطکاکی و نیروی فورج بود. سهم هر یک از پارامترهای مذکور و اهمیت این پارامترها به روش تاگوچی تعیین گردید. که نتایج نشان داد که پارامتر نیروی اصطکاکی به خصوص در میزان چقرمگی اتصال دارای بیشترین اثر می باشد.

اوزدمیر و همکاران به بررسی خواص اتصال. از نظر سرعت چرخش در جوشکاری اصطکاکی فولاد AISI 304 به فولاد AISI 4340 پرداختند. جوشکاری اصطکاکی با پنج سرعت مختلف چرخش با استفاده از یک دستگاه انجام شد. مشاهده گردید استحکام کششی با افزایش سرعت چرخش افزایش می یابد.

بنابراین تحقیقات انجام شده توسط نگارندگان مقاله. تاکنون گزارشی در مورد اتصال غیر مشابه فولاد زنگ نزن آستنیتی AISI 316 L. به فولاد کم آلیاژ AISI 4130 در منابع مشاهده نشده. بنابراین در این پروژه به بررسی ریزساختار و خواص مکانیکی اتصال غیرمشابه فولاد زنگ نزن آستنیتی AISI 316 L. به فولاد کم آلیاژ AISI 4130 توسط فرایند GTAW با پرکننده های ER309L و ERNiCr-3 پرداخته شده است. نویسندگان بر این عقیده هستند. که نتایج حاصل از این پژوهش می تواند. در استفاده بهینه از این دو آلیاژ در کاربردهای صنعتی مثمر ثمر واقع گردد.

مواد و روش تحقیق

مواد مصرفی

در این پژوهش از ورق فولاد کم آلیاژ AISI 4130 و فولاد زنگ نزن آستنیتی AISI استفاده شد. آنالیز کوانتومتری جهت تعیین دقیق ترکیب شیمیایی ورق های خریداری شده انجام گردید. ترکیب شیمیایی فلزات پایه در جدول 1 ارائه شده است. جهت اتصال فلزات پایه از دو فلز پرکننده فولاد زنگ نزن ER309L و اینکونل ERNiCr-3 استفاده شد. در تمامی موارد از سیم جوش هایی با قطر 2/4 میلی متر جهت پاس ریشه. و در ادامه جهت رونشانی پاس بعدی استفاده شد.

به منظور ارائه دقیق ترکیب شیمیایی سیم جوش های به کار گرفته شده. از اطلاعات درج شده توسط کارخانه سازنده استفاده شد. در انتخاب فلزات پرکننده در این پژوهش علاوه بر ترکیب شیمیایی. پارامترهای دیگری مانند خواص مکانیکی حاصله، پایداری حرارتی، مقاومت به خوردگی، ضریب انبساط حرارتی. در دسترس بودن و هزینه ها مد نظر قرار گرفت. بر همین اساس از استانداردهای AWS , AWS A5/9 A5/14 و مشخصات ارائه شده از طرف تولید کنندگان استفاده گردید.

آماده سازی نمونه ها و طراحی اتصال

در این پژوههش ده ورق از جنس فولاد زنگ نزن آستنیتی AISI 316L. و فولاد AISI 4130 با ابعاد 6×70×300 میلی متر. به عنوان فلزات پایه تهیه شد و بر اساس استاندارد AWS D1/1 به صورت جناغی یک طرفه لبه سازی گردید. زاویه لبه هر ورق در ناحیه شیار جوش 25 درجه. و در مجموع 50 درجه مطابق شکل (1) در نظر گرفته شد. عملیات لبه سازی توسط ماشین فرز و با کیفیت بالا انجام گردید. سپس مراحل سمباده زنی، چربی زدایی و تمیزکاری قطعات جهت انجام فرایند جوشکاری انجام شد.

جوشکاری نمونه ها

اتصال ورق ها با استفاده از سیم جوش های ER309L. و ERNiCr-3 به قطر 2/4 میلی متر و به روش GTAW. توسط دستگاه با مدل ESAB DTA 300 بدون پیش گرم کردن نمونه ها. و با قطبیت DCEN به صورت 1G انجام گردید. الکترود مصرف نشدنی مورد استفاده، الکترود تنگستنی حاوی دو درصد توریم

به قطر 2/4 میلی متر بود. گاز آرگون با خلوص 99/9 درصد با فشار 4 الی 5 بار به عنوان گاز محافظ استفاده شد. دمای بین پاسی 100 درجه سانتی گراد در نظر گرفته شد. تا تنش های پسماند ناشی از انقباض و سرد شدن فلز جوش به حداقل مقدار ممکن برسد. در هر پاس مقادیر شدت جریان، ولتاژ و سرعت جوشکاری اندازه گیری و کنترل شد (جدول 2).

بررسی ریزساختار

به منظور مطالعه و بررسی ریزساختار مناطق مختلف در فلزات پایه. فلز جوش و منطقه متأثر از حرارت (HAZ)، و همچنین تحولات ریزساختاری. از روش متالوگرافی توسط میکروسکوپ نوری با بزرگ نمایی مختلف استفاده گردید. بدین صورت که ابتدا نمونه ها توسط اره نواری در ابعاد 15× 30 میلی متر بریده شد.

سپس نمونه ها توسط دستگاه های نیمه اتوماتیک سنباده و پولیش، طبق استاندارد ASTM E3-11 آماده سازی گردید. پس از انجام فرایند آماده سازی، عملیات میکرو اچ نمونه ها. توسط محلول های اچ نایتال (1الی 5 میلی لیتر نیتریک اسید و 95-99 میلی لیتر اتیل الکل). و گلیسرژیا (سه بخش گلیسرول، 5-2 بخش کلرید اسید. یک بخش استیک اسید) و محلول اچ رنگی براها. (5 گرم تیو سدیم سولفید + 3 گرم پتاسیم متابیو سولفید+ 1000 میلی لیتر آب). طبق استاندارد 2015- ASTM E407 انجام شد.

ارزیابی خواص مکانیکی

جهت بررسی خواص مکانیکی اتصال، برای تعیین استحکام کششی جوش از آزمون کشش طبق استاندارد ASTM E8. توسط دستگاه کشش مدل 4486-INSTRON استفاده شد. مشخصات نمونه برای آزمون کشش طبق استاندارد در شکل (2) نشان داده شده است. جهت تعیین میزان انرژی ضربه از آزمون ضربه شارپی استفاده شد. بدین صورت که از فلز جوش، نمونه هایی با ابعاد 6×10

جهت بررسی خواص مکانیکی اتصال، برای تعیین استحکام کششی جوش از آزمون کشش طبق استاندارد ASTM E8. توسط دستگاه کشش مدل 4486-INSTRON استفاده شد. مشخصات نمونه برای آزمون کشش طبق استاندارد در شکل (2) نشان داده شده است. جهت تعیین میزان انرژی ضربه از آزمون ضربه شارپی استفاده شد. بدین صورت که از فلز جوش، نمونه هایی با ابعاد 6×10×55 میلی متر. به گونه ای که نقطه اتصال در مرکز نمونه قرار گیرد تهیه شد.

مطابق شکل (3) شیاری به عمق یک میلی متر. و با زاویه 45 درجه بر روی نمونه در فلز جوش ایجاد شد. این آزمون توسط دستگاه سنتام مدل SIT 300 در دمای محیط انجام شد. جهت انجام آزمون های کشش و ضربه، از هر قطعه 3 نمونه برای هر آزمون طبق مشخصات بالا تهیه گردید. همچنین ریزسختی سنجی ویکرز بر روی نمونه ها در راستای پهنای جوش، در سطح مقطع برش عرضی نمونه ها. مطابق با استاندارد ASTM E-92، انجام شد. تصاویر سطح مقطع شکست نمونه های آزمون کشش و ضربه. به وسیله میکروسکوپ الکترونی روبشی از نوع VARIABLE PRESSURE SEM – (XMU & LMU) مورد بررسی قرار گرفت.

نتایج بحث

ریزساختار فلزات پایه

شکل (4) تصویر میکروسکوپی نوری از ریز ساختار فولاد 4130 را نشان می دهد. ساختار شامل بینیت، فریت و نواحی پرلیت می باشد. این آلیاژ معمولاً در حالت آنیل شده یا تمپر شده جوشکاری می گردد. مگر اینکه هدف تعمیر قطعه باشد که در این حالت آنیل یا تمپر قبل از جوشکاری عملی نیست. با انجام عملیات آنیل علاوه بر یکنواختی در ترکیب شیمیایی. در اثر وقوع فرایند تبلور مجدد، ساختاری با دانه های هم محور ایجاد می شود. و با افزایش زمان آنیل، دانه ها فرصت رشد یافته. و در نهایت ساختاری شامل دانه های هم محور نسبتاً بزرگ به وجود می آید.

تصویر میکروسکوپی نوری از ریزساختار فولاد زنگ نزن آستنیتی 316L در شکل (5) آورده شده است. ریزساختار دارای زمینه آستنیتی بوده و از دانه های هم محور تشکیل شده. و همچنین مرزهای دوقولویی آنیل در سرتاسر ساختار به چشم می خورند. چنین ساختاری نتیجه فرایند آنیل پس از عملیات نورد است. این عملیات به منظور بهبود خواص خوردگی و شکل پذیری آلیاژ انجام می گردد.

همچنین طی فرایند آنیل، اکثر رسوبات ایجاد شده. در فرایند تولید فولاد که طی عملیات نورد دچار تغییر شکل شده اند حذف می گردند. در شکل (5) وجود رشته فریت دلتا کاملاً مشخص می باشد. هرچند که مقدار این فاز در ساختار خیلی زیاد نیست. وجود فریت دلتا روند به وجود آمدن فاز سیگما در آلیاژ را، پس از قرار گرفتن طولانی مدت. و محدوده دمایی 600 تا 900 درجه سانتی گراد تسریع می کند. وجود فاز ترد سیگما باعث کاهش انعطاف پذیری و چقرمگی آلیاژ خواهد شد.

میزان رقت فلز جوش

جهت تعیین میزان رقت ابتدا از هر نقطه نمونه ای با مشخصات یک نمونه متالوگرافی تهیه. و سپس منطقه جوش ماکرو اچ گردید. سپس مساحت منطقه جوش محاسبه شد .و با مقایسه این مساحت و مساحت سطح مقطع فرضی لبه سازی انجام شده میزان رقت محاسبه گردید. میزان رقت در هر دو نمونه به طور تقریبی شامل 60 الی 65 درصد فلز پرکننده. و مابقی فلز پایه می باشد.

در نمونه جوشکاری شده توسط ERNiCr-3 به علت میزان بالای نیکل در فلز پرکننده و همچنین میزان قابل توجه این عنصر در فلز پایه 316 مطابق جدول (1)، این میزان رقت اثری در تغییر ساختار قابل پیش بینی جوش ندارد. در مورد نمونه جوش داده شده توسط ER309L، با در نظر گرفتن میزان عناصر آلیاژی در فلزات پایه. به خصوص فولاد 316 مطابق جدول (1) و طبق محاسبات میزان رقت عناصر، میزان عناصر به گونه ای است. که طبق نمودار شیفلر، جوش در همان محدوده فازی ER309L قرار دارد.

ریزساختار فلز جوش

یکی از مواد پرکننده مورد استفاده برای اتصال غیرمشابه در این تحقیق اینکونل 82 (ERNiCr-3) می باشد. ساختار دانه بندی فلز جوش مربوط به این فلز پرکننده در شکل (6) نشان داده شده است. با توجه به شکل (6)، ریزساختار مطابق انتظار کاملاً آستنیتی بوده. و از دانه های تقریباً هم محور تشکیل شده است. درون دانه ها، ساختار دندریتی – سلولی ساختار غالب می باشد. و بازوهای دندریت های هم محور نیز در برخی از دانه ها وجود دارند. جهت گیری رشد دندریت ها در هر دانه متفاوت است. و در واقع یک نوع رشد رقابتی در ساختار قابل مشاهده است. در شکل (6) رسوباتی مشاهده شده. که پس از انجام ارزیابی به روش طیف سنجی تفریق انرژی EDs مطابق شکل (7). این رسوبات غنی از نیوبیوم بودند.

بر اساس گزارش های منتشر شده، تشکیل رسوبات غنی از نیوبیوم به صورت NbC در جوشکاری. با این فلز پرکننده گزارش شده است. ضریب جدایش نیوبیوم در آلیاژهای پایه نیکل کمتر از یک بوده. و در نتیجه این عنصر تمایل زیادی به جدایش در مناطق بین دندریتی دارد. علاوه بر این حضور سایر عناصر آلیاژی، قابلیت انحلال این عنصر در نیکل را کاهش می دهد.

فلز پرکننده دیگری که در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفت فلز پرکننده ER309L بود. به طور کلی نوع انجماد در فولادهای زنگ نزن آستنیتی. به عواملی همچون ترکیب شیمیایی و فاکتورهای سینتیکی. مانند سرعت سرد شدن بستگی دارد. مهمترین عامل، مقدار کروم و نیکل معادل و نسبت Creq/Nieq در ترکیب شیمیایی است. همچنین با توجه به نمودار شیفلر که برای فرایندهای غیرتعادلی جوشکاری طراحی شده است.

ساختار به دست آمده آستنیتی-فریتی خواهد بود. مطابق شکل (8) ترکیب این فلز جوش به نحوی است. که در بخش غنی از نیکل و و در سمت راست مثلث یوتکتیک سه فازی قرار می گیرد. و بنابراین فاز اولیه در انجماد آستنیت می باشد. حالت انجماد در این شرایط شامل فریت در بین دندریت ها. یا سلول های آستنیت و یا به صورت آستنیت اولیه همراه با فریت به عنوان فاز دوم (AF) خواهد بود. در ساختار به دست آمده مطابق شکل (9)، فریت دلتا مشاهده می گردد.

در منطقه ای در مرکز حوضچه مذاب نرخ سرد شدن به اندازه ای پایین می باشد. که زمان کافی برای جدایش عناصر پایدار کننده فریت، ایجاد شده و در مناطق بین دندریتی فریت تشکیل می شود. در شکل (9) سلول ها و دندریت های آستنیت به رنگ روشن و فریت دلتا. به عنوان فاز دوم با رنگ تیره در ساختار مشاهده می شود.

ساختار فلز جوش پایه نیکلی عمدتاً به صورت دندریتی. همراه با دندریت های ثانویه قابل مشاهده می باشد. در صورتی که در فلز جوش 309L دندریت های ثانویه به سختی دیده می شود. و در قسمت هایی از آن، ساختار سلولی وجود دارد. تفاوت در میزان تحت انجماد در جبهه انجماد به دلیل وجود عناصر آلیاژی مختلف به ویژه عناصر آلیاژی. نظیر مولیبدن و نیوبیوم می باشد. که ضریب توزیع تعادلی انجماد آنها به اندازه کافی کوچک تر از یک است.

این عامل سبب ایجاد ریزساختار دندریتی شده. و فازهای ثانویه در مناطق بین دندریتی و بین دانه ها شکل می گیرد. علاوه بر این، اندازه ریزساختارها نیز با یکدیگر یکسان نبوده. که این پارامتر بر روی خواص جوش مانند استحکام کششی، چقرمگی و حساسیت به ترک انجمادی تأثیرگذار می باشد.

بررسی فصل مشترک جوش

در شکل (10) و (11) فصل مشترک مربوط به نمونه جوش داده شده توسط ER309L نشان داده شده است. در فصل مشترک سمت AISI 4130 همان گونه که در شکل (10) دیده می شود. رشد به دو صورت مسطح (رونشینی) و هم غیر مسطح قابل مشاهده می باشد. رشد مسطح به علت شیب حرارتی بالا در حوضچه جوش ایجاد می شود. در ادامه جوانه زنی و رشد به صورت سلولی و ستونی در داخل ناحیه ذوب شده دیده می شود. که این ساختارها تابع شرایط انتقال حرارت و ترکیب شیمیایی می باشد. در فصل مشترک 316 (شکل (11)) تمرکز فریت در فصل مشترک به خوبی قابل مشاهده است. رشد به صورت غیر مسطح بوده و دانه ها به صورت ستونی در فصل مشترک رشد نموده اند. همچنین رشد دانه های آستنیت در HAZ قابل مشاهده است.

فصل مشترک نمونه جوش داده شد توسط ERNiCr-3 در دو شکل (12) و (13) آورده شده است. در فصل مشترک سمت AISI 4130 همان گونه که در شکل (12) دیده می شود. رشد به صورت مسطح (رونشینی) قابل مشاهده می باشد. جوانه زنی و رشد به صورت سلولی و ستونی در داخل ناحیه ذوب شده دیده می شود. و افزایش اندازه ستون ها و سلول ها در این نمونه نسبت به نمونه جوش داده شده. توسط ER309L دیده می شود. در فصل مشترک 316 (شکل (13)) تمرکز فریت در فصل مشترک به خوبی قابل مشاهده است. علاوه بر آن یک ناحیه ترکیب نشده در فصل مشترک دیده می شود. که به احتمال زیاد به علت تفاوت زیاد در ترکیب شیمیایی بین فاز پایه و پرکننده ایجاد شده است. رشد به صورت غیر مسطح بوده و دانه ها به صورت سلولی در ناحیه ذوب شده رشد نموده اند.

نتایج آزمون کشش

بررسی نمونه های آزمون کشش (شکل (14)) نشان داد که نمونه جوشکاری شده با فلز پرکننده ER309L. از فلز پایه 316L دچار شکست گردید. بررسی نتایج موجود در جدول 3 نیز نشان دهنده نقطه تسلیم در محدوده 350 مگاپاسکال. و استحکام نهایی حدود 630 مگاپاسکال می باشد. نمونه جوشکاری شده با فلز پرکننده ERNiCr-3 مطابق شکل (14) از محل جوش دچار شکست گردید. بررسی نتایج آزمون کشش در جدول 3 نشان دهنده نقطه تسلیم در حدود 370 مگاپاسکال. و استحکام نهایی در حدود 610 مگاپاسکال می باشد. این بدان معناست که ضعیف ترین مناطق در قطعات جوشکاری شده. به ترتیب فلز پایه 316L و فلز پرکننده ERNiCr-3 می باشد. محل شکست در نمونه های جوشکاری شده به استحکام اجزای مختلف نمونه در اتصال بستگی خواهد داشت.

به طور معمول فولادهای زنگ نزن آستنیتتی در شرایط کار سرد، نورد گرم و آنیل شده جوشکاری می شوند. در اکثر موارد پس از عملیات جوشکاری، مقداری نرم شدگی. در منطقه متأثر از حرارت (HAZ) این نوع فولادها رخ می دهد. که به تبلور مجدد و رشد دانه در منطقه متأثر از حرارت (HAZ) مربوط می باشد. این تغییرات در شکل های (11) و (13) قابل مشاهده است. در نتیجه زمانی که آزمون کشش بر روی نمونه های جوشکاری شده. با فلز یا فلزات پایه از جنس فولاد زنگ نزن آستنیتی انجام میشود. احتمال شکست نمونه در منطقه HAZ افزایش می یابد.

در پژوهش حاضر حضور فریت در منطقه HAZ. و در نزدیکی مرز ذوب هر دو نمونه مطابق شکل های (11) و (13) باعث افزایش استحکام گردیده. و یا به عبارت دیگر فریت به عنوان یک عامل استحکام دهنده ثانویه عمل نموده. و مقدار استحکام منطقه HAZ را افزایش داده و مانع از شدت نمونه ها در منطقه HAZ می گردد. این در حالی است که در مواردی که افزایش اندازه دانه های آستنیت بدون حضور فریت رخ می دهد. احتمال شکست در منطقه HAZ زیاد می باشد.

نتایج آزمون کشش نشان می دهد که از نظر خواص مکانیکی انتخاب فلز پر کننده ER309L. برای این اتصال به علت وجود فریت در ساختار فلز جوش مناسب تر بوده و دارای استحکام کافی می باشد. و اتصال مناسبی ایجاد می نماید. با بررسی داده های حاصل از آزمون کشش و انرژی شکست در جدول 3 می توان مشاهده نمود. چقرمگی شکست در نمونه جوش داده شده توسط فلز پرکننده ER309L. به میزان قابل توجهی بیشتر از نمونه جوش داده شده. توسط فلز پرکننده ERNiCr-3 می باشد. این مسأله را می توان به حضور فریت در ساختار جوش فلز پرکننده ER309L. و ساختار انجمادی نسبتاً متفاوت آن نسبت داد.

نتایج آزمون ضربه

در جدول 3 نتایج آزمون ضربه شارپی برای فلز جوش گزارش شده. و نتایج انرژی شکست بالایی به میزان 105 ژول را برای فلز پرکننده ER309L نشان می دهد. این میزان انرژی ضربه نسبت به نمونه جوش داده شده. با فلز پرکننده ERNiCr-3 در حدود 40 ژول بالاتر می باشد.

تصاویر میکروسکوپی الکترونی روبشی مربوط به سطح شکست نمونه ضربه ER309L مورد بررسی قرار گرفت. و در شکل (15) ارائه گردید. در این شکل، خطوط سیلان کاملاً مشخص بوده و حالت پیوسته دارد. مشاهده دیمپل ها و حفرات قیفی شکل و کروی در سطح شکست در شکل (15-الف) نشان می دهد. که نوع شکست در نمونه جوش داده شده با فلز پرکننده ER309L کاملاً نرم می باشد. در نمونه جوش داده شده با فلز پر کننده ERNiCr-3 مطابق شکل (15-ب) علاوه بر دیمپل ها صفحات تورق. در نقاطی از نمونه قابل مشاهده می گردد. که نشان دهنده شکست نیمه ترد است.

آزمون میکروسختی سنجی

پروفیل سختی معیار مناسبی برای پیش بینی ریزساختار تشکیل شده می باشد. شکل (16) پروفیل سختی افقی از فلز پایه فولاد AISI 316L. تا فلز پایه فولاد AISI 4130 را نشان می دهد. بررسی نمودار سختی در شکل (16) نشان می دهد. دو نمونه در سمت فولاد 316، رفتار کاملاً متفاوتی از هم در منطقه جوش از خود نشان می دهند. سیم جوش ER309L باعث افزایش سختی و سیم جوش ERNiCr-3 باعث کاهش سختی شده است. علت این موضوع را می توان با در نظر گرفتن تصاویر متالوگرافی شکل (11) و (13). به تفاوت میزان فریت موجود در نمونه ها و ساختار آنها نسبت داد.

در سمت فولاد AISI 4130 رفتار یکسانی بر دو نمونه حاکم می باشد. در این سمت یک روند افزایش سختی از سمت فلز پایه به سمت منطقه HAZ. در هر دو فلز پرکننده مشاهده می گردد. که این روند با توجه به تغییر ساختار از پرلیت و بینیت به مارتنزیت تمپر شده. و بینیت در منطقه HAZ شکل (17) و (18) قابل انتظار می باشد.

در ادامه در منطقه جوش نسبت به فلز پایه 4130. و منطقه HAZ مربوط به آن کاهش سختی مشاهده می شود. که این موضوع به دیل ایجاد ساختار با زمینه آستنیتی می باشد. بازه تغییرات سختی در نمونه بین 150 تا 480 ویکرز می باشد. حداکثر میزان سختی در هر دو نمونه در منطقه HAZ فولاد AISI 4130 مشاهده می شود. که این مسأله به علت وجود مارتنزیت تمپر شده در این منطقه می باشد (شکل 17 و 18).

نتیجه گیری

نتایج بدست آمده از این پژوهش را می توان در بخش های زیر خلاصه نمود:

1-جوش حاصل از فلز پرکننده اینکونل 82 دارای ریزساختار کاملاً آستنیتی با دانه هایی هم محور بود. و ساختار دندریتی در آن قابل مشاهده بود.

2- رشد سلولی و دندریتی در فلز جوش ER309L همراه با فریت در ساختار مشاهده شد. ریزساختار فلز جوش به صورت زمینه آستنیتی همراه با فریت دلتا در مرز دانه های آستنیت بود.

3- آزمون ضربه نشان دهنده وقوع شکست نرم درتمامی نمونه ها بود. مقدار انرژی شکست اتصالات در فلز پر کننده 309L به میزان قابل ملاحضه ای بالاتر از اتصال با ERNiCr-3 بود. که این موضوع به دلیل وجود فریت در ساختار فلز پرکننده 309L می باشد.

4- نتایج آزمون کشش نشان داد که انتخاب فلز پر کننده ER309L برای این اتصال به علت وجود فریت بیشتر. در ساختار فلز جوش مناسب بوده و دارای استحکام کافی می باشد. چقرمگی شکست در نمونه جوش داده شده توسط فلز پرکننده ER309L. به میزان قابل توجهی بیشتر از نمونه جوش داده شده توسط فلز پر کننده ERNiCr-3 بود.

5- حداکثر میزان سختی در هر دو نمونه در منطقه HAZ فولاد AISI 4130 مشاهده شد. که این مسأله به علت وجود مارتنزیت تمپر شده. و بینیت دراین منطقه می باشد.

دانشگاه فنی و مهندی-دانشگاه اراک

فولاد رسول دلاکان

با سالها تجربه ی گرانبها در زمینه ی تأمین و توزیع و عرضه انواع ورق آلیاژی – انواع فولاد آلیاژی. با اشکال مختلف تولیدی.از جمله ورق- میلگرد – تسمه – پروفیل – میلگرد با استاندارد و گواهینامه های روز دنیا در سراسر ایران فعالیت مینماید.
صنعتگر گرامی از اینکه ما را جهت خرید فولاد آلیاژی مورد نیاز خویش انتخاب می نمایید سپاسگزاریم.
ارتباط با ما: 09122136675 – 02128423820
fooladrasuldalakan@gmail.com