اثر فرآیند ترکیبی لیزر ضربانی و همزن اصطکاکی بر تشکیل نانوساختار در فولاد ابزار d2

هدف از انجام این تحقیق، ایجاد لایه‏ی سطحی نانوساختار حاوی توزیع همگن نانوذرات رسوبی در زمینه‏ی نانودانه، با استفاده از روش ابداعی منحصر به فرد فرآیند ترکیبی متشکل از فرآیندهای ذوب لیزری ضربانی و همزن اصطکاکی بر روی سطح فولاد ابزار aisi d2 می‏باشد. در این تحقیق هریک از فرآیندهای ذوب لیزری ضربانی و همزن اصطکاکی بررسی و متغیرهای بهینه هر یک انتخاب شدند. فرآیند ذوب لیزری ضربانی با سه متغیر سرعت روبش لیزر 3، 7 و 10 میلی‏متر بر ثانیه انجام شد. سپس فرآیند همزن اصطکاکی در سرعت خطی ثابت 385 میلی‏متر بر دقیقه، با سرعت چرخشی 400 و 600 دور در دقیقهبر روی سطح لیزری شده صورت گرفت. نتایج نشان داد که استفاده از فرآیند ترکیبی، موجب کاهش اندازه دانه‏ها از حدود 40 تا 50 میکرومتر به حدود 20 تا 50 نانومتر، و کاهش اندازه ذرات از حدود 2 تا 40 میکرومتر در فاز مادر، به حدود 10 تا 30 نانومتر می‏شود. با توجه به نتایج میکروآنالیز پروب الکترونی، انحلال قابل توجه عناصر آلیاژی به ویژه کروم در زمینه، سبب پایداری فاز آستنیت در فرآیند ترکیبی می‏شود. بنابراین به دلیل تشکیل فازآستنیت با انرژی نقص چیدن پایین، سازوکار تشکیل ساختار نانو در فرآیند ترکیبی، سازوکار تبلور مجدد پویای ناپیوسته شناخته می‏شود. در نمونه‏های همزن اصطکاکی فاز فریت و ذرات کاربیدی 5/0 تا 7/1 میکرومتری مشاهده شد. به دلیل وجود فاز فریت با انرژی نقص چیدن بالا و حضور ذرات کاربیدی 5/0 تا 1 میکرومتری‏ به دلیل پدیده‏ی تحریک جوانه‏زنی ذرات، سازوکار تشکیل ساختار زیرمیکرون، سازوکار تبلور مجدد پویای پیوسته دانسته می‏شود. افزایش کسر حجمی مرز دانه‏های زاویه‏کوچک و شدت بازتابش اجزای برشی در شکل‏های قطبی و توابع توزیع جهت‏گیری نمونه‏های همزن اصطکاکی، روند فزاینده کرنش اعمالی و غالب بودن کارسختی نسبت کارنرمی را طی افزایش سرعت چرخشی نشان می‏دهد. با توجه به دمای شروع پایین مارتنزیت حرارتی (ms) فولاد aisi d2 و با توجه به اینکه فرآیند همزن اصطکاکی، فرآیندی کرنشی شناخته شده، می‏توان نتیجه گرفت که سازوکار تشکیل فاز مارتنزیت در فرآیند ترکیبی، سازوکار اعمال تغییرشکل پلاستیک و از نوع مارتنزیت کرنشی می‏باشد. بنابراین، افزایش چگالی نابجایی‏ها در اثر افزایش سرعت سرمایش ذوب لیزر ضربانی عامل تقویت فاز مارتنزیت و افزایش سرعت چرخشی و نرخ کرنش اعمالی عامل کاهش شناخته می‏شود. در نمونه‏های ذوب لیزری ضربانی، تنش پسماند کششی بالا مشاهده شد. منشأ آنها به دلیل وقوع ذوب، حرارتی بوده که با انجام فرآیند همزن اصطکاکی بر روی سطح ناحیه‏ی ذوب لیزری، به دلیل استحاله‏ی فازی و تشکیل فاز مارتنزیت و تشکیل نانوساختار فشرده، تنش پسماند کششی به تنش‏ پسماند فشاری در نمونه‏ای ترکیبی تبدیل شده است. خواص مکانیکی نمونه‏های فرآیند ترکیبی به ویژه مقاومت سایشی آنها تا 7 برابر مقدار فلز مادر، نمونه‏های تنها ذوب لیزری ضربانی شده و تنها همزن اصطکاکی شده، بهبود پیدا کرد. علت آن، به تشکیل ساختار نانو و افزایش سختی نمونه‏های فرآیند ترکیبی نسبت داده می‏شود. تشکیل فاز مارتنزیت در فرآیند ترکیبی نیز به دلیل تردی این فاز می‏تواند عامل کاهش مقاومت سایش باشد. سازوکار سایش نمونه‏های ترکیبی سایش ساینده ملایم شناخته شد، در حالیکه در نمونه‏های ذوب لیزری ضربانی و همزن اصطکاکی سازوکار سایش، سایش ساینده و پوسته‏ای شدن شناخته شد.