متن کامل پایان نامه را در سایت منبع fuka.ir می توانید ببینید متن کامل پایان نامه را در سایت منبع 2 fuka.ir می توانید ببینید

–120

متن کامل پایان نامه را در سایت منبع fuka.ir می توانید ببینید

بسمه تعالی

مرکز آموزش علمی – کاربردی ملایر
گروه مکانیک
پایان نامه :
برای دریافت درجه کارشناسی در رشته مهندسی جوش
عنوان :
جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی دو فلز غیر هم جنس آلیاژ آلومینیوم 5050 به فولاد زنگ نزن آستنیتی 304
استاد راهنما :
راضیه جلالوند
پژوهشگر :
محمد شریفی
آذر ماه 1393
مرکز آموزش علمی – کاربردی ملایر
عنوان :
جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی دو فلز غیر هم جنس آلیاژ آلومینیوم 5050 به فولاد زنگ نزن آستنیتی 304
نام نویسنده : محمد شریفی
استاد راهنما : راضیه جلالوند
گروه آموزشی : مکانیک
رشته تحصیلی : مهندسی جوش
تاریخ دفاع : مقطع تحصیلی :کارشناسی
چکیده :
جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی یکی از روش های جوشکاری حالت جامد است که امروزه برای اتصال مواد به ویژه فلزات غیر هم جنس کاربرد فراوان یافته است . این روش نه تنها محدودیت های روش های جوشکاری ذوبی را ندارد بلکه مزایای زیادی از جمله امکان اتصال فلزات با نقاط ذوب متفاوت را دارا می باشد . در این پژوهش اتصال موفقیت آمیز دو فلز غیر هم جنس آلیاژ آلومینیوم 5050 به فولاد زنگ نزن آستینی 304 مورد مطالعه قرار گرفت. از فرایند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی برای اتصال دو فلز استفاده میشود. در اتصال فلزات غیر هم جنس به روش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی پارامتر های زیادی سرعت دورانی سرعت خطی افست و شکل ابزار بر خواص ریز ساختاری و مکانیکی محل اتصال تاثیر گذار می باشد. در این تحقیق به بررسی تاثیر سرعت دورانی سرعت خطی و افست ابزار بر استحکام و سختی محل اتصال پرداخته شده است . همچنین در ادامه تاثیر عملیات آنیل بر مقدار استحکام نهایی درصد ازدیاد طول و خواص ناحیه جوش مورد مطالعه قرار گرفت نتایج به دست آمده نشان می دهد که با آنیل کردن نمونه جوشکاری شده استحکام نهایی 9 % و درصد ازدیاد طول به 2 برابر افزایش یافته است
واژه های کلیدی : جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی – فلزات غیر هم جنس – آنیل – ناحیه جوش

همه امتیاز های این پایان نامه متعلق به دانشگاه جامع علمی – کاربردی ملایر تعلق دارد . در صورت استفاده از تمام یا بخشی از مطالب پایان نامه در مجلات ٬ کنفرانس ها و یا سخنرا نی ها نام دانشگاه علمی کاربردی ٬ استاد راهنمای پایان نامه و نام دانشجو باید ثبت شود .

تقدیر و تشکر :
از استاد محترم سرکار خانم راضیه جلالوند که با راهنمایی هایشان اینجانب را یاری فرمودند صمیمانه سپاسگزارم.

چکیده : جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی یکی از روش های جوشکاری حالت جامد است که امروزه برای اتصال مواد به ویژه فلزات غیر هم جنس کاربرد فراوان یافته است . این روش نه تنها محدودیت های روش های جوشکاری ذوبی را ندارد بلکه مزایای زیادی از جمله امکان اتصال فلزات با نقاط ذوب متفاوت را دارا می باشد . در این پژوهش اتصال موفقیت آمیز دو فلز غیر هم جنس آلیاژ آلومینیوم 5050 به فولاد زنگ نزن آستینی 304 مورد مطالعه قرار گرفت. از فرایند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی برای اتصال دو فلز استفاده میشود. در اتصال فلزات غیر هم جنس به روش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی پارامتر های زیادی سرعت دورانی سرعت خطی افست و شکل ابزار بر خواص ریز ساختاری و مکانیکی محل اتصال تاثیر گذار می باشد. در این تحقیق به بررسی تاثیر سرعت دورانی سرعت خطی و افست ابزار بر استحکام و سختی محل اتصال پرداخته شده است . همچنین در ادامه تاثیر عملیات آنیل بر مقدار استحکام نهایی درصد ازدیاد طول و خواص ناحیه جوش مورد مطالعه قرار گرفت نتایج به دست آمده نشان می دهد که با آنیل کردن نمونه جوشکاری شده استحکام نهایی 9 % و درصد ازدیاد طول به 2 برابر افزایش یافته است
کلید واژگان : جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی – فلزات غیر هم جنس – آنیل – ناحیه جوش

فهرست شکل ها و جدول ها
عنوان صفحه
شکل 1 تصویر شماتیک فرآیند جوشکاری مورد………………………………………………………………………………………………2
شکل 2 هندسه ابزار مورد……………………………………………………………………………………………………………………………..3
شکل 3 نحوه افست ابزار……………………………………………………………………………………………………………………………..3
شکل 4 تاثیر افست ابزار بر کیفیت ظاهری جوش…………………………………………………………………………………………….15
شکل 5 تاثیر سرعت خطی ابزار بر کیفیت ظاهری جوش…………………………………………………………………………………..16
شکل 6 نمای برش خورده مقطع اتصال در افست های مختلف…………………………………………………………………………..17
شکل 7 تاثیر سرعت های خطی مختلف در مقدار سختی………………………………………………………………………………….18
شکل 8 تاثیر افست ابزار بر مقدار استحکام کششی………………………………………………………………………………………….18
شکل 9 تاثیر سرعت خطی ابزار بر مقدار استحکام………………………………………………………………………………………….19
شکل 10 تاثیر عملیات حرارتی اتصال بر مقدار استحکام کششی و درصد ازدیاد طول…………………………………………..20
شکل 11 تاثیر عملیات حرارتی بر ناحیه وقوع شکست…………………………………………………………………………………..20
شکل 12 سطح مقطع شکست نمونه بدون عملیات آنیل در بزرگ نمایی های مختلف ……………………………………….21
شکل 13 سطح مقطع شکست نمونه آنیل شده در بزرگ نمایی های مختلف……………………………………………………22
شکل 14 تصویر میکروسکوپالکترونیروبشی از مقطع جوش……………………………………………………………………..22
شکل 15 فاز های تشکیل شده در ناحیه اتصال اصل از آنالیز XRD………………………………………………………..23
جدول 1 ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی ورق های آلیاژی مورد استفاده………………………………………………4
جدول 2 ترکیب شیمیایی فولادهای زنگ نزن آستینی…………………………………………………………………………….9
جدل 3 نامگذاری آلیاژهای کار شده………………………………………………………………………………………………….12
جدول 4 نامگذاری آلیاژهای ریخته گری……………………………………………………………………………………………13
فهرست مطالب
فصل اول
مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………………… 1
1-1- روش آزمایش………………………………………………………………………………………………………………………2
فصل دوم
2-1- مطالعات کتابخانه ای ……………………………………………………………………..6
2-2- عناصر آلیاژی……………………………………………………………………………………………………………………..10
2-3- خواص ……………………………………………………………………………………………………………………………..10
2-4- آلیاژهای ریخته‌گی………………………………………………………………………11
2-5- نامگذاری………………………………………………………………………………..11
فصل سوم
3-1 -کیفیت ظاهری اتصال…………………………………………………………………..15
3-2 – ریزساختار ناحیه جوش ………………………………………………………………..16
3-3- سختی …………………………………………………………………………………..17
3-4- استحکام کششی………………………………………………………………………..18
3-5- میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)……………………………………………….21
3-6- طیف سنج پراش اشعه ایکس XRD……………………………………………………21
3-7 نتایج………………………………………………………………………………………24
منابع ……………………………………………………………………………………………25

فصل اول:
روش آزمایش

مقدمه :
اتصال فلزات غیر هم جنس یک ایده جالب و موثر در صنعت می باشد . هدف از اتصال فلزات غیر هم جنس ترکیب خواص دو فلز برای افزایش کارایی و بازدهی قطعات تولیدی می باشد . همچنین این عمل مقاومت به سایش ٬ خوردگی و استحکام به ویژه بالا از یک فلز و قابلیت هدایت حرارتی مقاومت به خوردگی و وزن کم از فلز دیگر را به دنبال دارد . آلیاژ آلومینیوم دارای وزن کم ٬ استحکام ویژه بالا و هدایت حرارتی خوب می باشد . فولاد زنگ نزن آستینیتی دارای استحکام بالا و مقاومت به خوردگی خوب می باشد. اتصال این دو فلز می تواند کاربرد وسیعی در بسیاری از صنایع داشته باشد زیرا باعث کاهش وزن ماشین آلات تولیدی می شود که این امر به نوبه خود موجب افزایش بازدهی و کاهش مصرف سوخت می گردد. اتصال این دو فلز غیر هم جنس با استفاده از روش های متداول ذوبی به دلیل اختلاف زیاد در خواص حرارتی آنها دشوار می باشد و جوش حاصل از این روش ها به دلیل ایجاد ساختار های بین فلزی دارای شکنندگی بالایی می باشد . فرایند های خالت جامد روش مناسبی برای اتصال اینگونه فلزات می باشند . [5]
جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی یکی از فرایند های حالت جامدی است که می تواند برای اتصال فلزات غیر هم جنس به خصوص با خواص حرارتی متفاوت به کار رود. در مورد اتصال فلزات غیر هم جنس به وسیله این روش تحقیقات زیدی نظیر اتصال آلیاژآلومینیوم به مس ٬ آلیاژ های مختلف آلومینیوم مانند 2024 به 6013 را می توان نام برد . در مورد اتصال آلیاژ آلومینیوم به فولاد نیز برای اولین بار واتاناب و همکاران در سال 2003 اتصال آلیاژ آلومینیوم 5083 به فولاد کربنی ss400 با ضخامت 2 میلی متر گزارش کردند . شننیز روی اتصال فولاد 1018 به آلیاژ آلومینیوم 6061 مطالعاتی انجام داد . تاناکا و همکاران روی خواص جوش آلیاژ آلومینیوم 7075 به فولاد در سال 2009 مطالعه انجام دادند . نوروزی و همکاران در سال 2012 بر روی خواص اتصال آلیاژ آلومینیوم 1100 به فولاد کربنی مطالعاتی انجام دادند . در این تحقیق به بررسی امکان اتصال فولاد زنگ نزن آستینی 304 به آلیاژ آلومینیوم 5050 پرداخته شده است . در ادامه تاثیر پارامتر های سرعت دورانی و خطی و افست ابزار مورد بررسی قرار گرفته است . همچنین اثر عملیات حرارتی آنیل بر ریز ساختار و خواص مکانیکی مورد مطالعه قرار گرفته است. [7]
1-1- روش آزمایش :
در این تحقیق ٬ ورق هایی از دو ماده به ضخامت 3 mm استفاده شد . ورق آلومینیومی در قسمت پیشرو و ورق فولادی در قسمت پسرو قرار گرفت . تصویر شماتیک فرایند در شکل 1 نشان داده شده است .

شکل 1 تصویر شماتیک فرآیند جوشکاری مورد
در جدول 1 ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی هر کدام از ورق های آلیاژ های مورد استفاده نشان داده شده است . ابزار مورد استفاده از جنس کاربید تنگستن بوده و نسبت به محور عمودی با زاویه انحراف 2 درجه موقعیت دهی شد . شکل ابزار مخروطی و با قطر شولدر 20 میلی متر و زاویه تقعر 3 درجه انتخاب شد . در شکل 2 مشخصات هندسی ابزار نشان داده شده است . در این تحقیق ٬ در سرعت دورانی rpm 710 و سرعت خطی mm/min 28 به بررسی تاثیر افست ابزار در 0 ٬ 8/0 و 5/1 میلی متر پرداخته شده است . با توجه به اینکه افست 5/1 میلی متر نتیجه مطلوب تری را در آزمایش های اولیه دارا بوده است ٬ در افست 5/1 میلی متر و سرعت دورانی rpm 500 تاثیر پارامتر سرعت خطی در سرعت های 40 ٬ 56 و mm/min 80 مورد مطالعه قرار گرفته است. در ادامه تاثیر عملیات حرارتی آنیل بر خواص ریزساختاری و مکانیکی نمونه جوشکاری شده مورد بررسی قرار گرفت . عملیات آنیل کردن نمونه ها در دمای ℃ 350 و به مدت min 60 انجام شد.
برای بررسی خواص مکانیکی از آزمایش های میکروسختی و کشش و برای مطالعه خواص ریزساختاری از میکروسکوپ نوری ٬ الکترونی و پراش اشعه x استفاده شده است.

شکل 2 هندسه ابزار مورد

شکل 3 نحوه افست ابزار
جدول 1 ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی ورق های آلیاژی مورد استفاده
ترکیب شیمیایی (wt %)
آلیاژ آلومینیوم 5050 Al V Cr Ni Zn Cu Mg Si Mn Ti
6/97 001/0 01/0 005/0< 008/0< 043/0 72/1 129/0 224/0 018/0
خواص مکانیکی
سختی (Hv) درصد ازدیاد طول (%) تنش تسلیم (MPa) تنش نهایی (MPa) 61 25 117 210 ترکیب شیمیایی (wt %)
فولاد زنگ نزن 304 Fe P Si Mn Ni Cr AL Cu 3/70 038/0 367/0 34/1 8/11 05/19 019/0 264/0 خواص مکانیکی
سختی (Hv) درصد ازدیاد طول (%) تنش تسلیم (MPa) تنش نهایی (MPa) 227 55 265 628 فصل دوم:
مطالعات کتابخانه ای
2

2-1- مطالعات کتابخانه ای
انستیتو جوش کمبریج انگلستان یک روش جدید جوشکاری را که می تواند در اتصال آلیاژهای آلومینیم انقلابی ایجاد کند ابداع کرده است. مزایای ویژه این فرایند سبب استفاده گسترده از آن در صنعت شده است بگونه ای که گفته می شود پس از معرفی این روش به عنوان فرایند تولیدی جهت اتصال دهی آلیاژهای سبک از جمله آلیاژهای آلومینیم ، نسبت تقاضا به عرضه محصولات پایه همانند ورق وشمش به شدت افزایش یافته است و منجر به افزایش قیمت آلومینیم شده است .
یکی از دلایل این امر مشکلات جوشکاری ذوبی آلیاژهای آلومینیم می باشد. روش های MIG و TIG فرایندهایی هستند که در صنعت اغلب برای اتصال آلیاژهای آلومینیم عملیات حرارتی پذیر مورد استفاده قرار می گیرند. اما در آنها عیوبی نظیر تخلخل ، ذوب ناقص ( به علت لایه های اکسیدی ) ، نفوض ناقص ، ترک و ناخالصی وجود دارد. به ویژه در آلیاژهای سری 2000 مشکلات زیادی در جوشکاری ذوبی مشاهده می شود .
حساسیت به ترک گرم در این نوع آلیاژها به علت دامنه ی وسیع دمای انجماد با توجه به حضور عناصر آلیاژی بیشتر می باشد. به علت تمایل زیاد آلومینیم مذاب به ترکیب با اکسیژن ، در حین فرایندهای جوش ذوبی ، اکسید آلومینیم به سرعت تشکیل می شود و به دلیل دمای ذوب بالاتر نسبت به فلز خالص ، سبب ذوب ناقص در جوش می گردد. اگر این اکسیدها ضخامت قابل توجهی پیدا کنند ، چون عایق الکتریکی می باشند ، توانایی جلوگیری از قوس را در هنگام شروع جوشکاری دارند. از طرفی ضریب انبساط حرارتی آلیاژهای آلومینیم زیاد و حدود دو برابر فولاد می باشد ، لذا اتصالات جوش آلومینیم ، در حین سرد شدن سریع از دمای ذوب دارای تمرکز تنش پس ماند قابل ملاحضه ای می شوند. حتی با استفاده از گازهای محافظ خنثی و یا فلاکس های خاص در برخی آلیاژها مانند 2024 و 7075 به راحتی نمی توان اتصال مطلوبی را به دست آورد. امروزه ضرورت بررسی و پژوهش روش های نوین جوشکاری حالت جامد برای غلبه بر مشکلات مذکور ، افزایش کیفیت و حتی سرعت فرایند جوشکاری احساس می شود ، که امروزه به کمک جوشکاری FSW این مشکل حل شده است.
دشواری در ایجاد جوش های با استحکام بالا و مقاوم در برابر خستگی و شکست در آلیاژهای هوافضای آلومینیم پر آلیاژ توسط روش های جوشکاری ذوبی محدوده ی استفاده از این آلیاژها را کوچکتر کرده است. این آلیاژهای آلومینیم به خاطر ایجاد ریزساختار انجمادی و ناخالصی در ناحیه جوش عموما به عنوان آلیاژهای جوش ناپذیر طبقه بندی می شود. همچنین کاهش خواص مکانیکی جوش در مقایسه با فلزات پایه در این نوع آلیاژها قابل توجه می باشد. وجود این مسائل باعث شده است که اتصال این آلیاژها از طریق روش های جوشکاری مرسوم غیرقابل قبول باشد. از جوش مقاومتی می توان برای جوشکاری بعضی از آلیاژهای آلومینیم استفاده کرد ، اما آماده سازی سطح آنها هزینه زیادی را دربر دارد و اکسیدهای سطحی ایجاد شده یک مشکل بزرگ در استفاده از این روش اتصال است.
در FSW هیچ فلز پرکننده ای استفاده نمی شود ، بنابراین هر نوع آلومینیمی را می توان جوش داد بدون اینکه نگران سازگار بودن ترکیب فلز پرکننده با فلزات پایه بود که این موضوع در جوشکاری ذوبی یک محدودیت به حساب می آید.
فولاد زنگ نزن آستنیتی (Austenitic Stainless Steel) اساسا آلیاژهای سه‌تایی Fe-Cr-Ni با 20-16% کروم و 20-7% نیکل می‌باشد. از آنجا که ساختار این فولادها در تمام دماهایعملیات حرارتی، آستنیت (آهن γ) باقی می‌ماند، به آن‌ها فولادهای زنگ نزن آستنیتی گویند. می‌توان مقداری از نیکل این آلیاژها را با منگنز جایگزین کرد در حالی که ساختار آن‌ها آستنیت باقی خواهد ماند.
در این گروه آلیاژهای CH-20 ،CK-20 ،CN-7M وجود دارد. دو آلیاژ CH-20 ، CK-20 دارای کروم و نیکل بالاتر بوده، ترکیبی تمام آستنیتی دارند و میزان کروم آنها از نیکل بیشتر است. این آلیاژها نسبت به آلیاژ CF-8 مقاومت بیشتری در برابر اسید سولفوریک داشته و دارای استحکام بهتری در دماهای بالا هستند. کاربرد اختصاصی آنها در صنایع شیمیایی و در مجاورت محلول های خمیر کاغد و اسید نیتریک است. برای انتقال اسید سولفوریک داغ با غلظت های مختلف، آلیاژ CN-7M با نیکل زیاد که حاوی مولیبدن و مس بوده وسیعا به کار می رود و نیز در برابر اسید هیدروکلریک رقیق و محلول های کلریدی داغ به خوبی مقاوم است. این آلیاژ در کارخانجات نورد فولاد در مجاورت مواد تمیز کننده از محلول های هیدروفلوریک نیتریک بکار می رود. همچنین در بسیاری موارد که آلیاژهای گروه CF با کروم بالا مناسب نیستند، این آلیاژ کاربرد خوبی دارد.
آلیاژ  CH-20 با ترکیب 25%Cr-12%Ni حداکثر 0.2% کربن دارد. ریزساختار ریختگی آن،آستنیت با مقدار کمی فریت حاوی کاربید می باشد. با عملیات حرارتی قابل سخت کاری نبوده و در مجاورت اسید سولفوریک رقیق با دمای بالا، کاربرد بیشتری دارد.
آلیاژ CK-20 با ترکیب 25%Cr-20%Ni حاوی حداکثر 0.2% کربن است. با اینکه ترکیب آن به CH-20 نزدیک می باشد ولی درصد نیکل بالاتر آن، مقاومت به خوردگی بیشتری در دماهای بالا به آن می دهد. ریزساختار قطعه ریختگی آن، آستنیت با رسوب پراکنده کاربید در زمینه است و با عملیات حرارتی قابل سخت کاری نمی باشد.
آلیاژ CN-7M با ترکیب 29%Ni-20%Cr حاوی مقادیر مس و مولیبدن و حداکثر 0.07% کربن است. تماما آستنیتی بوده و سختی آن با عملیات حرارتی افزایش نمی یابد. این آلیاژ کاربرد وسیعی در شرایط سخت خورنده در مجاورت موادی چون اسید سولفوریک، اسید نیتریک، اسید هیدروکلریک رقیق، سود سوزآور، آب دریا و محلول های گرم نمک دار دارد.
جدول 2 ترکیب شیمیایی فولادهای زنگ نزن آستینی
ترکیب شیمیایی (درصد وزنی) و کاربرد برخی از فولادهای زنگ نزن آستنیتی
نوع AISI
Cr Ni C Mn Mo سایر کاربردها
301 17 7 0.15 منگنز حداکثر 2%،
گوگرد حداکثر 3%،
فسفر حداکثر 45%،
سیلیسیم حداکثر 1%
آهنگ کار سختی زیاد، جایی که استحکام زیاد و شکل‌پذیری زیاد لازم است، واگن‌ها، بدنه بارکش‌ها، بدنه هواپیماها، اتصالات، قالپاق
302 18 9 0.15 فولادهای زنگ نزن آستنیتی برای کاربرد عمومی، تزئینی، ابزار حمل غذا، مخازن، فنرها، جواهرسازی، ابزار تصفیه نفت، بیمارستان‌ها، آنتن‌ها.
304 19 9 0.08 نوع کم کربن و اصلاح شده نوع 302 برای کم کردن رسوب کاربید در حین جوشکاری. لوازم برای کارخانجات شیمیایی و غذایی، ابزار نوشابه‌سازی، ظروف، یخچال، فاضلاب، فلاش‌ها.
304L 19 10 0.03 اصلاح شده نوع 304 با حداقل کربن برای محدودیت بیشتر تشکیل رسوب در حین جوشکاری، مخزن‌های سموم و کدهای شیمیایی مایع و رب گوجه‌فرنگی.
309 23 13.5 0.2 استحکام زیاد و مقاومت به پوسته شدن در دمای بالا، گرم‌کننده‌های هواپیما، لوازم عملیات حرارتی، پوشش‌های محفظه تابکاری، قطعات کوره، سینی‌های عملیات حرارتی، داخل اجاق‌ها، قطعات تلمبه
310 25 20.5 0.25 از نوع 309 در دمای بالا مقاوم‌تر و دارای مقاومت بیشتر به پوسته شدن، قطعات کوره، محفظه احتراق، فلزات پرکننده جوش، قطعات توربین گازی، کوره‌های آشغال‌سوزی.
316 17 12 0.08 2.5 مقاومت به‌ خوردگی بیشتر از 302 و 304، مقاومت خزشی زیاد، ابزار عکاسی، کتری برقی.
316L 17 12 0.03 2.5 اصلاح شده نوع 316 با کربن خیلی کم، در سازه‌های جوشکاری شده جایی که از رسوب کاربیدها در مرز دانه باید جلوگیری شود
321 18 10.5 0.08 Ti5 ×C
پایدار شده برای قطعات جوشکاری که تحت خوردگی شدید می‌باشند، و برای کاربرد در گستره دمایی 800 تا 1800 درجه فارنهایت. پوسته دیگ بخار، گرم‌کننده‌های کابین، ظروف تحت فشار، دیواره‌های آتش، اتصالات قابل تعمیر
347 18 11 0.08 Cb10 ×C
مشابه با نوع 321 با استحکام خزشی بالاتر، دودکش اگزوز در هواپیما، مخازن جوشکاری شده برای مواد شیمیایی، قطعات موتور جت.
201 17 4.5 6 Ti5 ×C
آهنگ کار سختی بالا، نیکل کم معادل با نوع 301. قالپاق اتومبیل، تزیین، ظروف مسطح.
202 18 5 0.15 8.75 Ti5 ×C
نیکل کم معادل با نوع 302، وسایل آشپزخانه، حمل شیر، کلاهک توپی چرخ.
حدود 65-70% فولادهای زنگ نزن تولیدی ایالات متحده امریکا را فولادهای زنگ نزن آستنیتی تشکیل می‌دهند. این فولادها به علت مقاومت به‌ خوردگی و شکل‌ پذیری مطلوب در این موقعیت قرار دارند، و از این رو برای بیشتر کاربردهای مهندسی خواص خوب و مطلوبی دارند. فولادهای زنگ نزن نوع 304 و 302 بیشترین کاربرد را هم در دماهای بالا و هم در دماهای پایین دارند. نوع 316، که 2.5%Mo دارد، مقاومت به ‌خوردگی بهتر و استحکام بیشتری در دماهای بالا دارد. آلیاژهایی با مقدار بیشتر کروم (23-25%) مثل نوع 309 و 310 ترجیحا در دماهای بالا به‌کار می‌روند.
آلیاژهای آلومینیوم آلیاژهایی با خاصیت فلزی هستند که معمولاً شامل ۹۰-۹۶٪ آلومینیوم بوده و علاوه بر آن دارای یک یا چند عنصر دیگر هستند که به منظور بهبود خواص به آلومینیوم افزوده شده‌اند. معمولاً این آلیاژهای علاوه بر عناصر آلیاژی اصلی شامل چندین عنصر آلیاژی فرعی نیز هستند که مقدار بسیار کمی داشته ولی تاثیر زیادی بر خصوصیت‌های آنها دارند
2-2-عناصر آلیاژی
اگرچه بسیاری از فلزات با آلومینیوم تشکیل آلیاژ می‌دهند ولی تعداد کمی از آنها در آلومینیوم حلالیت قابل توجهی دارند که به عنوان افزودنی آلیاژی اصلی بکارروند. در بین عناصر آلیاژی معمول تنها روی، منیزیوم، مس و سیلسیوم حلالیت بالایی دارند
2-3-خواص
آلیاژهای کارشده
مقاومت به خوردگی: بسیاری از آلیاژهای آلومینیوم به علت تشکیل طبیعی لایه‌ی اکسیدی چسبنده به سطح مقاومت به خوردگی اتمسفری و شیمیایی بالایی دارند. این مشخصه در آلیاژهای سری 1xxx، 3xxx، 5xxx و 6xxx بارزتر است.
رسانایی حرارتی: آلومینیوم و آلیاژهای آن رسانایی حرارتی بالایی دارند و با اینکه نسبت به فولاد در دمای پایین‌تری ذوب می‌شوند، اما در صورت مجاورت با آتش دمای آنها کندتر افزایش می‌یابد.
رسانایی الکتریکی: آلومینیوم و برخی از آلیاژهای آن رسانایی الکتریکی بسیار بالایی داشته و از این لحاظ در میان فلزات رسانای تجاری پس از مس در رده‌ی دوم قرار می‌گیرند.
نسبت استحکام/وزن: آلومینیوم با چگالی کم خود برای ساخت آلیاژهای مهندسی مناسب است. گر چه استحکام آلیاژهای پایه آلومینیوم به اندازه استحکام قابل حصول در فولادها نیست ولی نسبت استحکام به وزن این آلیاژها بالا بوده و به این دلیل آلیاژهای تجاری آلومینیوم تعداد زیادی دارند. استحکام اغلب این آلیاژ را می‌توان از طریق رسوب‌سختی و یا کار گرم افزایش داد.
چقرمگی شکست: بسیاری از آلیاژهای آلومینیوم چقرم بوده و در کاربردهایی که مقاومت به شکست ترد و رشد ترک موردنیاز باشد بکار گرفته می‌شوند.
کارپذیری: آلومینیوم و آلیاژهای آن را می‌توان در بسیاری از روش‌های فلزکاری که نیاز به کارپذیری دارند (مانند اکستروژن بکار گرفت )
سهولت اتصال: آلومینیوم و آلیاژهای آن را می‌توان با طیف گسترده‌ای از روش‌های تجاری معمول از قبیل جوشکاری، لحیم‌کاری، پیچ‌کاری، پرچ‌کاری و حتی میخ‌زنی به یکدیگر اتصال داد.
قابلیت بازیافت: بازیافت آلومینیوم و آلیاژهای آن در میان مواد سازه‌ای بسیار ساده است و می‌توان پس از بازیافت آنها را مستقیماً به صورت محصولات کیفیت بالا بکار برد.
2-4-آلیاژهای ریخته‌گی
بطور کلی خواص آلیاژهای کارشده در آلیاژهای ریخته‌گی نیز وجود دارد ولی در انتخاب آلیاژهای ریخته‌گی خواص زیر اهمیت دارند:
سهولت ریخته‌گری: این خصوصیت در سری سیلسیم بالای 3xx.x بارز است. میزان بالای سیلسیم باعث جریان‌پذیری خوب و پرشدن قالب می‌شود.
استحکام: آلیاژهای سری 2xx.x استحکام بسیار بالایی دارند ولی ریخته‌گری آنها سخت‌تر بوده و قابلیت پرداخت خوبی ندارند.
پرداخت کار: سری 5xx.x و 7xx.x به علت قابلیت پرداخت خوب مورد توجه‌اند اما ریخته‌گری آنها از گروه 3xx.x سخت‌تر است.
2-5-نامگذاری
آلیاژهای آلومینیوم ریختگی و کارشده توسط شماره‌های معینی مشخص می‌گردند. این شماره‌ها نشان می‌دهند که در فرآیند ساخت چه عناصری به آلیاژهای فوق اضافه‌شده و گروه ویژه‌ای از این فلزات را ساخته‌اند.
ANSI و AA
در سیستم نام‌گذاری ANSI وAA (Aluminum Association) برای آلیاژهای کارشده از یک مکانیزم شماره‌دهی چهاررقمی و برای آلیاژهای ریختگی از سیستم شماره‌دهی سه‌رقمی استفاده می‌شود که اولین عدد، معرف گروه‌بندی فلز و مهم‌ترین عنصر آلیاژی اضافه‌شده به آلیاژ است.
جدل 3 نامگذاری آلیاژهای کار شده
آلیاژهای کارشده
سری ترکیب
1XXX آلومینیوم تقریباً خالص
2XXX آلیاژ آلومینیوم و مس
3XXX آلومینیوم منگنزدار
4XXX آلومینیوم سیلیسیم‌دار
5XXX آلیاژ آلومینیم و منیزیم
6XXX آلیاژهایی با ترکیب منیزیم، سیلیسیم و آلومینیوم
7XXX آلیاژهایی با ترکیب روی و آلومینیوم و منیزیم
8XXX آلیاژ آلومینیوم با عناصر کمتر متعارف همچون لیتیم
جدول 4 نامگذاری آلیاژهای ریخته گری
آلیاژهای ریخته‌گی
سری ترکیب
1xx.x آلومینیوم تقریباً خالص
2xx.x آلیاژ آلومینیوم و مس
3xx.x آلومینیوم داری مس، سیلسیم و اندکی منیزیم
4xx.x آلومینیوم سیلیسیم‌دار
5xx.x آلیاژ آلومینیم و منیزیم
6xx.x آلیاژهایی با ترکیب منیزیم، سیلیسیم و آلومینیوم
7xx.x آلیاژهایی با ترکیب روی و آلومینیوم و منیزیم
8xx.x آلیاژ آلومینیوم با عناصر کمتر متعارف همچون قلع و لیتیم
فصل سوم:
نتایج

3-1 کیفیت ظاهری اتصال
همان طور که در شکل 4 نشان داده شده است ٬ با کاهش مقدار افست ذرات فولاد بزرگتر و به صورت پیوسته در ناحیه اغتشاش مشاهده می شوند. در افست صفر یک لایه پیوسته از فولاد در ناحیه اغتشاش بوجود آمده است ٬ در محل این لایه پیوسته ٬ ترک ها نمایان می باشند . در افست mm 8/0 ذرات فولاد هنوز بزرگ و پیوسته بوده و به همین دلیل عیوبی در کنار این ذرات پیوسته به وجود آمده است. در افست mm 5/1 عیب ظاهری مشاهده نشده است . ولی همانطور که از این شکل مشخص می باشد ٬ مقدار حرارت تولیدی در این سرعت دورانی زیاد بوده و باعث ذوب آلیاژ آلومینیوم شده است .
با توجه به اینکه در آزمایش های قبل افست mm 5/1 نتیجه بهتری نسبت به سایر افست های اعمالی از نظر شکل ظاهری ٬ عیب و استحکام کششی حاصل شد ٬ از این افست برای بررسی پارامتر های دیگر جوشکاری استفاده شده است . همان طور که در شکل 4 نشان داده شده است ٬ در افست mm 5/1 ، سرعت دورانی rpm 710 و سرعت خطی mm/min 28 ٬ مقدار حرارت تولید شده زیاد بوده و باعث ذوب آلیاژ آلومینیوم شده است برای برطرف شدن این عیب ٬سرعت دورانی را کاهش داده و همچنین سرعت های خطی مختلف نیز بررسی شده است . به طوری که در شکل 5 نشان داده شده است ٬ با افزایش سرعت خطی ٬ کیفیت ظاهری جوش بهتر شده است .
در سرعت خطی mm/min 40 در ناحیه آلیاژ آلومینیوم ذوب شدگی این فلز مشاهده می شود ٬ ولی با افزایش سرعت خطی سطح جوش دارای کیفیت بهتری شده است . دلیل این امر را می توان به کاهش حرارت ورودی در واحد طول مربوط دانست.
سرعت خطی
(mm/min) سرعت دورانی ابزار
(rpm) افست ابزار
(mm) ظاهر اتصال
28 710 5/1 4-الف
8/0 4-ب
0 4-ج
شکل 4 تاثیر افست ابزار بر کیفیت ظاهری جوش
سرعت خطی
(mm/min) سرعت دورانی ابزار
(rpm) افست ابزار
(mm) ظاهر اتصال
5/1 500 40 5-الف
56 5-ب
80 5-ج
شکل 5 تاثیر سرعت خطی ابزار بر کیفیت ظاهری جوش
3-2 – ریزساختار ناحیه جوش
شکل 6 تصاویر مقاطع برش خورده ناحیه اتصال تهیه شده به وسیله میکروسکوپ نوری را نشان می دهد . همان طور که در شکل 6- الف نشان داده شده است ٬ در افست صفر ٬ به دلیل اینکه ابزار مخروطی در وسط دو فلز قرار می گیرد و با توجه به جهت دوران ابزار ٬ لایه ای از فولاد از لبه فولادی جدا می شود و با ادامه پیشروی ابزار این لایه به صورت پیوسته در ناحیه جوش و در سمت دیگر ابزار قرار می گیرد . این امر موجب می شود که 3 ناحیه جدا در جوش به وجود آید . در کنار این لایه ترک هایی به وجود می آید و باعث کاهش استحکام اتصال می شود. در افست mm 8/0 ٬ ابزار تماس زیادی با قسمت فولادی داشته و باعث می شود ذرات جدا شده از لبه فولادی بزرگ بوده و این ذرات جدا شده در ناحیه اغتشاش قرار می گیرند . به دلیل بزرگ بودن این ذرات ٬ عیوبی در ناحیه اغتشاش به وجود می آید .
همان طور که در شکل 6- ب نشان داده شده است ٬ در کنار این ذرات حفره هایی دیده می شود . در افست mm 5/1 ٬ قسمت بیشتر ابزار مخروطی در ناحیه آلیاژ آلومینیوم قرار می گیرد.
همان طور که در شکل 6-ج مشاهده می شود ٬ حرکت دورانی ابزار باعث ایجاد سایش لبه فولاد شده و این پدیده علت جدا شدن ذرات کوچک فولاد از لبه فولاد می باشد . این ذرات جدا شده به صورت یکنواخت در ناحیه اغتشاش پراکنده شده است . به دلیل کوچک بودن این ذرات ٬ عیوب کمتری نسبت به سایر افست ها در ناحیه اتصال مشاهده می شود.
سرعت خطی
(mm/min) سرعت دورانی ابزار
(rpm) افست ابزار
(mm) ظاهر اتصال
28 710 0 6-الف
8/0 22415597155 6-ب
5/1 236220106045
6-ج
شکل 6 نمای برش خورده مقطع اتصال در افست های مختلف
3-3- سختی
تغییرات مقدار سختی با سرعت های خطی مختلف ابزار با فاصله از مرکز جوش در شکل 7 نشان داده شده است. مشاهده می شود که با افزایش سرعت خطی ٬ مقدار سختی در ناحیه فولاد کاهش یافته است . در ناحیه آلیاژ آلومینیوم ٬ با کاهش سرعت خطی ٬ مقدار سختی افزایش می یابد که دلیل آن را می توان به ریزدانه شدن بیشتر آلیاژ آلومینیوم نسبت داد.همچنین مقدار سختی در ناحیه اغتشاش ٬ به دلیل وجود ذرات فولاد٬ دارای نوسان می باشد.

شکل 7 تاثیر سرعت های خطی مختلف در مقدار سختی
3-4- استحکام کششی
در شکل 8 ٬ نتایج حاصل از آزمون کشش در افست های مختلف نشان داده شده است. مقدار استحکام کششی در افست صفر و 8/0 میلی متر ٬ به دلیل وجود عیوبی همچون ترک و حفره در ناحیه اغتشاش ٬ افت کرده است و همین ناحیه ٬ محل شکست نمونه ها بوده است .

شکل 8 تاثیر افست ابزار بر مقدار استحکام کششی
در شکل 9 نتایج آزمون کشش در سرعت های خطی مختلف در افست mm 5/1 نشان داده شده است . همان طور که مشاهده می شود ٬ با افزایش سرعت خطی مقدار استحکام کششی افزایش می یابد ٬ به طوری که با افزایش سرعت خطی از 40 به mm/min 80 مقدار استحکام از 158به MPa165 تغییر کرده است .

شکل 9 تاثیر سرعت خطی ابزار بر مقدار استحکام
بیشترین استحکام کششی در افست mm5/1 و سرعت دورانی rpm 500 و سرعت خطی mm/min 80 در این آزمایش ها به دست آمده که برابر با MPa 165 است .
آلیاژ های گروه 5000 ٬ به دلیل ترکیب شیمیایی شان ٬ قابلیت عملیات حرارتی سخت شدن رسوبی را ندارند ٬ لذا افزایش استحکام این گروه تنها به وسیله کار سختی ممکن می باشد. تنها عملیات حرارتی که می توان روی این گروه انجام داد آنیل کردن می باشد . برای این نمونه تاثیر عملیات آنیل بر استحکام آن بررسی شده است. در نمودار تنش – درصد ازدیاد طول دو نمونه با آنیل و بدون عملیات حرارتی در شکل 10 نشان داده شده است.
در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی ٬ به دلیل جابجایی مواد به وسیله ابزار جوشکاری ٬ به هم ریختن ساختاری و مرز دانه ها در ناحیه اغتشاش حادث می شود. همچنین ٬ به دلیل اینکه نمونه جوش در تماس با هوا بوده و به سرعت سرد می شود ٬ فرصت کافی برای برطرف کردن این عیوب وجود ندارد. این عامل دلیل اصلی کاهش استحکام در ناحیه اغتشاش بوده و به دنبال آن شکست نمونه ها در این ناحیه وقوع می پیوندد. با آنیل نمونه جوش ٬ زمان لازم برای نفوذ و جابجایی اتم ها فراهم می شود. لذا ضمن اینکه عیوب موجود در دانه بندی ناحیه اغتشاش برطرف می شود ٬ تنش های باقی مانده نیز حذف می شود و این امر باعث می شود که مقدار ازدیاد طول نونه اتصال افزایش یابد. همان طور که در شکل 11 نشان داده شده است ٬ شکست کمی به ناحیه ضعیف مجاور اتصال یعنی ناحیه HAZانتقال یافت .

شکل 10 تاثیر عملیات حرارتی اتصال بر مقدار استحکام کششی و درصد ازدیاد طول

شکل 11 تاثیر عملیات حرارتی بر ناحیه وقوع شکست
بنابراین ٬ تاثیر توام انتخاب پارامتر های مطلوب در جوشکاری و عملیات حرارتی این ناحیه عیوب زیادی نداشته و استحکام این ناحیه برابر با 190mpa می باشد که معادل با 90درصد استحکام فلز پایه است .
3-5- میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)
از سطح مقطع شکست نمونه آنیل شده و بدون عملیات حرارتی در بزرگ نمایی های مختلف تصویر SEM تهیه شده است . همان طور که در شکل 12 نشان داده شده است ، در مرکز مقطع شکست نمونه بدون عملیات آنیل حفره های زیادی دیده می شود که این نشان از وقوع شکست نرم در آن می باشد. در قسمت انتهایی جوش ، با توجه به شکل ، صفحات صاف دیده می شود که حاکی از شکست ترد است. بنابراین در نمونه بدون عملیات حرارتی شکست نرم و ترد تواما اتفاق می افتد ، در حالی که در نمونه آنیل شده (شکل 13) در تمام مقطع شکست حفره مشاهده می شود که نشان از شکست نرم می باشد. کوچک و ریز بودن این حفره ها و مقدار بالای آن ها حاکی از یکنواختی ریزساختاری بوده که دلیلی برای افزایش درصد ازدیاد طول نیز می باشد.
3-6- طیف سنج پراش اشعه ایکس XRD2) (
در شکل 14 تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از مقطع جوش نشان داده شده است. همان طور که شکل دیده می شود ، در ناحیه مرزی اتصال دو فلز ، ترکیبات بین فلزی نازکی تشکیل شده است. ضخامت این لایه کمتر از mµ 2 می باشد. به دلیل انتخاب مناسب پارامتر های جوشکاری در لایه مرزی و ترکیبات فلزی ایجاد شده هیچ نوع ترک خوردگی در شکل دیده نمی شود.

شکل 12 سطح مقطع شکست نمونه بدون عملیات آنیل در بزرگ نمایی های مختلف با شرایط جوشکاری : سرعت دورانی rpm500 و سرعت خطی mm/min80

شکل 13 سطح مقطع شکست نمونه آنیل شده در بزرگ نمایی های مختلف با شرایط جوشکاری : دمای ℃350 و زمان min60

شکل 14 تصویر میکروسکوپالکترونیروبشی از مقطع جوش
برای بررسی فاز های موجود در ناحیه اتصال ٬ از آنالیز XRD استفاده شده است. زاویه پراش اشعه X از صفر تا 120 درجه می باشد . همان گونه که در شکل 15 نشان داده می شود ٬ فاز های بین فلزی به وجود آمده در حین فرایند Al13Fe4 و Al5Fe2 می باشد و ترکیب بین فلزی دیگری مشاهده نشده است .

شکل 15 فاز های تشکیل شده در ناحیه اتصال اصل از آنالیز XRD
3-7- نتایج
در این تحقیق ٬ اتصال دو فلز غیر هم جنس آلیاژ آلومینیوم 5050 به فولاد زنگ نزن آستنیتی 304 به وسیله جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی مورد مطالعه قرار گرفته است . تاثیر برخی پارامتر های این تکنیک جوشکاری در اتصال فلزات غیر هم جنس نیز بررسی شده و نتایج حاصل به شرح زیر می باشد :
1 – افست ابزار نقش تعیین کننده ای در خواص مکانیکی ناحیه اتصال دارد. به طوری که با افزایش افست ابزار تا mm5/1 استحکام جوش از 38 به MPa125 افزایش یافته است .
2 – سرعت خطی تاثیر قوی روی استحکام کششی اتصال نداشت ٬ به طوری که با افزایش مقدار آن از 40 به mm/min 80 ٬ استحکام کششی از 155 به MPa 165 افزایش یافت.
3 – با انتخاب سرعت دورانی rpm 500 ٬ افست mm5/1 ٬ سرعت خطی mm/min 80 و شرایط مطلوب حاصل شده است .
4 – مقدار سختی ٬ با افزایش سرعت خطی ٬ کاهش یافته است.
5 – با عملیات آنیل روی نمونه جوشکاری شده ٬ مقدار استحکام به میزان 10درصد و ازدیاد طول به بیش از دو برابر افزایش یافته است.
منابع :
1- ” AWS Handbook , 1997 , vol.2 , chapter 6 ” submerged Arc Welding ”
2 – B.Yang , J. Yan , M.A. Sutton , AP. Reynolds ,” Banded microstructure in AA2024-T351 and AA2524-T351 Aluminium friction stir welds , part 10 Aluminum Alloys”
3 – Dalle Donne C., Raimbeaux G. “Residual Stress Effects on Fatigue Crack Propagation in Friction Stir Welds”
4 – http://fa.wikipedia.org/wiki/جوشکاری_اصطکاکی_اغتشاشی5 – Karimi N., Shakeri M., Habibnia M., Nourouzi S.,“Joining of 1100 Al Alloy to AISI 1045 CarbonSteel by Friction Stir Welding”, AppliedMechanics and Materials, Vols. 152-154, 2012, pp.418-423.
6 – N.T. Kumbhar, K. Bhanumurthy, Friction Stir Welding Of Al 6061 Alloy, Asian J. Exp. Sci, Vol 22 , 20087 – Taban E., Gould J.E., Lippold J. C., “Dissimilar Friction Welding of 6061-T6 Aluminum and AISI 1018 Steel

متن کامل و مطالب مشابه در سایت هماتز

« (Previous Post)
(Next Post) »

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *