بررسی تغییرات ریزساختاری و خواص مکانیکی در فرایند جوشکاری همزن اصطکاکی فولاد زنگ نزن آستنیتی به فولاد کربنی

یکی از پرکاربردترین جوشکاری های غیر همجنس، جوشکاری فولادهای کربنی و فولادهای زنگ نزن آستنیتی است که به صورت گسترده در صنایع مختلف استفاده می شود. با این وجود، روشهای جوشکاری ذوبی این فولادها به یکدیگر با مشکلات متعدد مهندسی و متالورژی همراه است که از جمله آنها می توان تشکیل مارتنزیت و کاربیدهای کروم، افت خواص در ناحیه تحت تاثیر حرارت، ترک انجمادی و ترک هیدروژنی را نام برد. از طرفی دیگر جوشکاری همزن اصطکاکی یکی از روشهای جدید اتصال فلزات می باشد که توسعه فراوانی داشته است. به نظر می رسد که ماهیت حالت جامد جوشکاری همزن اصطکاکی، می تواند مشکلات جوشکاری ذوبی اتصالات غیر همجنس را حل کرده و جوش با استحکام بالا و نرمی مطلوب ایجاد کند. با توجه به آنچه گفته شد، در این تحقیق روش جوشکاری همزن اصطکاکی جهت اتصال فولاد زنگ نزن آستنیتی 304 به فولاد کم کربن st37 استفاده شده است. جوشکاری به صورت لب به لب و با تغییر سرعت چرخش ابزار در محدوده rpm 800-400 و سرعت جوشکاری 50 و mm/min 100 صورت گرفت. ساختار جوشها توسط پراش پرتو ایکس، میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی، پراش الکترونهای برگشتی و میکروسکوپ الکترونی عبوری بررسی شد. خواص مکانیکی جوشها نیز توسط آزمونهای سختی سنجی و کشش مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که ریزساختار فلز پایه فولاد st37 حاوی پرلیت و فریت درشت است در حالی که نواحی ناحیه تحت تاثیر حرارت دچار ریزدانگی کامل و جزئی شده اند. ناحیه همزده این فولاد نیز حاوی فریت - پرلیت ریز، فریت مرزدانه ای و ویدمن اشتاتن، مقدار اندکی بینیت، مارتنزیت و مارتنزیت اتوتمپر حاصل از استحاله آستنیت در حین سرد شدن جوشها می باشد. با افزایش سرعت چرخش ابزار یا کاهش سرعت جوشکاری به دلیل حرارت ورودی بالاتر، اندازه دانه فریت در ناحیه همزده فولاد st37 افزایش می یابد. در طرف دیگر جوشها، ریزساختار فلز پایه فولاد 304 حاوی دانه های درشت آستنیت است. در ناحیه تحت تاثیر عملیات ترمومکانیکی دانه ها تغییر شکل داده و چگالی نابجایی و دانه های فرعی زیاد دارند که نشان دهنده وقوع بازیابی پویا است. ناحیه همزده نیز حاوی دانه های ریز بازبلوری شده است که برخی دانه ها نابجایی کم و برخی نابجایی زیاد دارند. با افزایش سرعت چرخش ابزار یا کاهش سرعت جوشکاری، دمای تغییر شکل آستنیت در حین جوشکاری همزن اصطکاکی بیشتر بوده و در نتیجه اندازه دانه افزایش می یابد. نتایج سختی سنجی نشان داد که سختی نواحی همزده به دلیل وجود ریزساختار ظریفتر، از سختی فلزهای پایه مربوطه بیشتر است. همچنین سختی نواحی همزده دو فولاد با اندازه دانه طبق رابطه هال-پچ ارتباط معکوس دارد. آزمون کشش نیز استحکام و نرمی مناسبی برای جوشها نشان می دهد ولی در دو مورد از جوشها وجود عیوب اکسیدی و ذرات کاربید تنگستن باعث افت استحکام کششی و نرمی شده است. با توجه به نتایج به دست آمده، جوشکاری همزن اصطکاکی غیرهمجنس فولاد زنگ نزن 304 به فولاد کم کربن st37 روی هم رفته ریزساختاری ظریف با مقدار مارتنزیت و بینیت اندک و بدون رسوبات کاربید کروم در جوشها ایجاد می کند که قابلیت این روش را برای جایگزینی با روشهای جوشکاری ذوبی نشان می دهد. همچنین جوشها علاوه بر ریزساختار مناسب از استحکام و نرمی بیشتر از فلز پایه st37 برخوردار هستند.