ساختار میکروسکوپی و خواص مکانیکی فلز جوش

 در مقالات

چنانچه فرآیند سردشدن به اندازه کافی آرام باشد، می­توان از دیاگرام تعادل دوتائی آهن – کربن برای فولادهای معمولی و دیاگرام­های تعادل چندتائی برای فولادهای آلیاژی جهت مطالعه ساختار میکروسکوپی استفاده نمود.

در فولاد بر خلاف آهن خالص، عناصر دیگری نظیر کربن، سیلیسم و منگز وجود داشته که باعث می­شوند که ذوب و انجماد در یک درجه حرارت ثابت صورت نگرفته، بلکه بر طبق دیاگرام تعادلی مربوطه (دوتائی یا چندتائی) در یک دامنه درجه حرارت صورت پذیرد.

در اینجا برای سهولت فهم مطالب ابتدائا به بررسی فعل و انفعالات صورت گرفته در گرمایش (ذوب)، انجماد و سرد شدن آرام یک فولاد کربنی دارای 2/0 درصد کربن می­پردازیم. دیاگرام تعادلی دوتائی آهن– کربن در شکل 3: 5 نشان داده شده است.

ساختار میکروسکوپی اینگونه فولادها عمدتاً از فریت (آهن آلفا)، سمنتیت  ، پرلیت (فریت و سمنتیت بصورت لایه­ای)، آوستنیت (آهن گاما)، باینیت و مارتنزیت تشکیل شده است. از نقطه نظر ساختمان کریستالی، فریت از نوع BCC و آوستینت از نوع FCC می­باشد.

در حین جوشکاری، حرارت  اعمال شده در محل جوش باعث بالا رفتن درجه حرارت شده و ذوب موضعی را موجب می­شود. با توجه به دیاگرام تعادلی آهن – کربن، فولاد مزبور در حین گرم شدن در 727 درجه سانتی­گراد پرلیت آن به اوستنیت تبدیل می­شود.

از 849 درجه سانتی­گراد به بالا کریستالهای آوستینت شروع به رشد کرده و در 1490 درجه سانتی­گراد ذوب شروع شده و تا 1520 درجه سانتی­گراد آخرین کریستال­های جامد (آهن   ) نیز ذوب شده و به حوضچه جوش می­پیوندند.

در حین سرد شدن، کرستال­های کوچک با منظم شدن اتمها و قرار گرفتن در صفحات خاص جایگزن اتم­های نامنظم در مذاب می­شوند.

این کریستالها را بصورت شماتیک نشان می­دهد. رشد کریستالها عموما در جهت خلاف انتقال حرارت و عمود بر خطوط ایزوترم می­باشد.

ابتدا کریستالهای آهن  با درصد بسیار پائین کربن ( کمتر از 1/0 درصد) در دمای 1518 درجه سانتی­گراد ظاهر شده و با کاهش درجه حرارت بر میزان این کریستالها افزوده می­شود.

در 1496 درجه سانتی­گراد با تحول پر تکنیکی آهن  و باقیمانده مذاب موجود درحوضچه جوش به آوستنیت تبدیل شده و عمل انجماد در 1490 درجه سانتی­گراد خاتمه می­یابد.

در 849 درجه سانتی­گراد کریستال­های فریت بر روی مرز دانه­های آوستنیت شکل می­گیرند. همزمان با کاهش تدریجی درجه حرارت، کریستال­های فریت نیز رشد می­کنند.

در درجه حرارت 727 درجه سانتی­گردد تقریبا یک چهارم از حجم فولاد مزبور (2/0 درصد کربن) از آوستنیت 8/0 درصد کربن و بقیه از فریت تشکیل شده است. در درجه حرارت 727 درجه سانتی­گراد طی یک واکنش یوتکتوئیدی باقیمانده آوستنیت به پرلیت تبدیل می­شود.

فعل و انفعالات ساختاری فوق­الذکر بشرطی صورت می­گیرند که سرعت سرد شدن بحد کافی آرام بوده تا شرط استفاده از دیاگرام تعادلی آهن –کربن فراهم باشد.

در عمل، بواسطه انتقال سریع حرارت در اطراف جوش از طریق فلز پایه، سرعت سرد شدن در جوش بالا بوده و لاجرم جهت بررسی ساختار میکروسکوپی جوش باید از منحنی­های CCT استفاده نمود. در شکل 5:5 نمونه­ای از این منحنی­ها برای فولادهای معمولی نشان داده شده است.

بطور کلی چهار نوع ساختار میکروسکوپی در فلز جوش فولادهای جوشی قابل مشاهده بوده که عبارت از فریت پریوتکتوئیدی، فریت سوزنی (Accicular ferrit)، باینیت و مارتنزیت می­باشند. میزان نسبی وجود هر یک از این فازها در فلز جوش بستگی به ترکیب شیمیائی آن وسرعت سرد شدن دارد.

بعنوان مثال وجود برخی از عناصر آلیاژی نظیر منگنز، مولیبدن، نیکل و سیلیسیم تمایل تشکیل فریت سوزنی را تشدید می­کنند.

در سرد شدن سریع ( بعنوان مثال در جوشکاری قطعات ضخیم بدون پیش گرم کردن) و یا چنانچه فلز جوش دارای درصد بالائی از عناصر آلیاژی باشد، امکان تشکیل فازهای سخت باینیت و مارتنزیت وجود خواهد داشت.

ساختار میکروسکوپی که بطور معمول در فلز جوش دیده می­شود از فریت سوزنی و کمی فریت پریوتکتوئیدی تشکیل شده است.

وجود فریت پریوتکتوئیدی در سطح زیاد باعث کاهش خواص ضربه­پذیری (چترمگی) فولاد می­شود. فولادها در حین انجماد از فاز مذاب و سرد شدن تا درجه حرارت محیط حدود 8/3 درصد تغییر حجم می­دهند. بعبارتی تغییر فاز از مذاب به جامد در حوضچه جوش همراه با انقباض شدید موضعی در قطعه کار بوده که تنش­هائی را در جسم بوجود می­آورد.

این تنش­ها از آنجا ناشی می­شوند که از انقباض موضعی فلز جوش توسط فلز پایه در اطراف منطقه جوش ممانعت شده و همزمان بواسطه سرد شدن جسم و نزول درجه حرارت، تنش تسلیم فلز جوش افزایش یافته، باعث افزایش تنش­های انقباضی می­شود.

در عمل بزرگی اینگونه تنش­ها در جهت طولی جوش به حد تنش تسلیم جوش نیز بالغ می­شود. ممانعت از انقباض فلز جوش در حین سرد شدن تا درجه حرارت محیط نوعی کار پلاستیکی گرم و سرد در فلز جوش انجام داده که منجر بزرگتر شدن تنش تسلیم فلز جوش از تنش تسلیم فلز پایه می­شود (اگرچه ترکیبات شیمیائی آنها مشابه باشند).

مهمترین عواملی که در تعیین خواص مکانیکی فلز جوش مؤثرند عبارتند از: نوع و درصد ترکیبات فلز پایه و الکترود مصرفی، ساختار میکروسکوپی (اندازه کریستالها) و میزان وجود عناصر غیر فلزی در فلز جوش.

 

پست های توصیه شده

یک نظر بدهید

0

نوشتن را شروع کنید و اینتر را بزنید