Skip to main content
SUPERVISOR
احمد رضائيان (استاد راهنما) محمدرضا طرقي نژاد (استاد راهنما) قاسم ديني ترکماني (استاد مشاور)
 
STUDENT
Hamid Vahid dastjerdi
حميد وحيددستجردي

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391

TITLE

Investigation of properties and microstructure of similar and dissimilar joint of a laser welded TWIP steel
High manganese steels with low stacking fault energy due to twinning induced plasticity (TWIP) are capable of absorbing high energy at high strains such as accidents. This type of steel has been considered by the automotive industry and researchers because of this feature. Application of this steels in the car body along with other high ductility steels, such as Interstitial free steels (IF), has made the weldability of this steel very important. In this study, high energy beam welding (laser) was used for similar TWIP / TWIP and dissimilar TWIP / IF joint due to low input temperature, low heat affected zone and high speed compared to other common welding methods. For this purpose, primary TWIP steel (thickness 3 mm) was rolled up to 70% thickness reduction (1 mm) for TWIP / TWIP joint and up to 80% thickness reduction (0.7 mm) for TWIP / IF joint. Then they were annealed at 800 ° C for 10 and 30 minutes to obtain the desired structure. First, the effect of input heat (laser beam power) on growth morphology, solidification mode and microstructural changes due to laser beam welding process was investigated. Then the parameters affecting the laser welding process (beam power, welding speed and spot size) were identified and tests were designed and performed based on central composite design (CCD) in five levels (20 tests in total). Using the Response surface method (RSM), a mathematical model was proposed to predict the mechanical properties and chemical composition of the fusion zone. According to the proposed model, optimal conditions (power = 2595, speed = 0.54 m / min, spot size = 0.48 mm) were extracted and welding was performed based on these conditions. The results of actual test (final strength = 800 MPa) and model prediction (final strength = 839 MPa) were compared and validated, which confirmed the high ability of the model to predict properties. The results of response surface methodology analysis, showed that the welding speed and laser beam power have the maximum effect on the ultimate strength and the percentage of manganese in the melting zone. The microstructure, chemical composition and phases of the base metal and the fusion zone of the TWIP / TWIP and TWIP / IF joint were evaluated by optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), electron diffraction spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction (XRD). In order to investigate the mechanical properties of the joint, the tensile test and microhardness (HV) test were used. EBSD analysis was used to investigate the crystallographic orientation relationship of different welding zones, distribution of special and twin boundaries and their effect on fracture resistant, texture transformations during deformation and the internal strain measurement. The grain size distribution diagram showed that the average grain size in the base metal is 3±0.4µm and in the fusion zone is 8±1µm, and some grains have grown up to 45µm , which has led to softening of the fusion zone. The decrease of the hardness from the mean of 315±4 HV in the base metal to 275±6 HV in the fusion zone, confirmed softening phenomena. Pole figures of the base metal and fusion zone at the fusion boundary region (epitaxial growth) indicates that the cube-cube orientation relationship ( 100 // 100 and {100} // {100}) along the boundary it is formed. The results of the optimal joint tensile test showed that the joint ultimate strength (805 MPa) is noticeable compared to the base metal ultimate strength (846 MPa). While the fracture occurred from the fusion zone, the reason for which, in addition to the decrease in hardness due to the coarseness of the grains, was attributed to the decrease of special and twin boundaries and the increase of random boundaries in the fusion zone. Investigation of texture evolution and fracture mechanism of the fusion zone after deformation showed that the weak cube-type texture in the fusion zone was removed during the deformation and the brass-type texture due to twin deformation intensified. Evaluation of the mechanical properties of the TWIP / IF dissimilar joint showed that in the tensile test, no fractures occurred in the IF-HAZ (fracture occurred from the IF-BM) due to the presence of very strong texture (111) or gamma fibers in the IF-HAZ region, which has a high resistance to deformation. Keywords : high manganese steels, Mathematical model, Response surface methodology, Orientation relationship, Texture, Special boundaries, misorientation angles.
فولادهاي پرمنگنز با انرژي نقص چيدن پايين به دليل تغيير شکل پلاستيکي ناشي از دوقلويي شدن (TWIP)، در کرنش‌هاي بالا مانند تصادفات قابليت جذب انرژي بالايي دارند. اين نوع فولادها به دليل اين ويژگي مورد توجه صنعت خودرو سازي و محققان قرار گرفته‌اند. استفاده از ورق‌هاي اين فولاد در بدنه خودرو در کنار ديگر فولادهاي با شکل‌پذيري بالا مانند فولادهاي عاري از عناصر بين‌نشين (IF) باعث شده است خاصيت جوش‌پذيري اين فولاد از اهميت بالايي برخوردار گردد. در اين پژوهش از جوشکاري با پرتو پر انرژي ليزر ضرباني به دليل حرارت ورودي پايين، منطقه متاثر از حرارت کوچک و سرعت بالا نسبت به ديگر روش‌هاي متداول جوشکاري، براي اتصال همجنس TWIP/TWIP و غيرهمجنس TWIP/IF استفاده شد. بدين منظور فولاد TWIP اوليه (با ضخامت mm 3) تا 70 درصد کاهش ضخامت (mm 1) براي اتصال TWIP/TWIP و تا 80 درصد کاهش ضخامت (mm 7/0) براي اتصال TWIP/IF نورد شدند و سپس براي به‌دست آوردن ساختاري مطلوب، در دماي °C 800 به مدت 10 و 30 دقيقه آنيل شدند. ابتدا تاثير ميزان حرارت ورودي (توان پرتو ليزر) روي مورفولوژي رشد، حالت‌هاي انجماد و تحولات ريزساختاري ناشي از فرايند جوشکاري با پرتو ليزر مورد بررسي قرار گرفت و سپس پارامترهاي موثر بر فرايند جوشکاري ليزر (توان پرتو، سرعت جوشکاري و نقطه اثر پرتو) شناسايي و آزمون‌ها براساس طراحي ترکيبي مرکزي (CCD) در پنج سطح (مجموعا 20 آزمون) طراحي و انجام شد. با استفاده از روش آماري رويه پاسخ (RSM) يک مدل رياضي جهت پيش‌بيني خواص مکانيکي و ترکيب شيميايي منطقه ذوب ارائه شد. با توجه به مدل ارائه شده شرايط بهينه ( توان= w 2595، سرعت= m/min 54/0، قطر اثر پرتو= mm 48/0) استخراج و براساس اين شرايط جوشکاري انجام شد. نتايج حاصل از آزمون واقعي (استحکام نهايي= Mpa 800 ) و پيش‌بيني مدل (استحکام نهايي= Mpa 839 ) مقايسه و صحه‌گذاري گرديد که توانايي بالاي مدل در پيش‌بيني خواص را تاييد نمود. نتايج حاصل از تحليل و آناليز روش رويه پاسخ، نشان داد که سرعت جوشکاري و توان پرتو ليزر بيشترين اثر را روي استحکام نهايي و درصد منگنز منطقه ذوب دارند. ريزساختار، ترکيب شيميايي و فازهاي تشکيل دهنده فلز پايه و منطقه ذوب اتصال TWIP/TWIP و TWIP/IF توسط ميکروسکوپ نوري، ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM)، طيف سنجي پراش انرژي پرتو ايکس (EDS) و پراش پرتو ايکس (XRD) مورد ارزيابي قرار گرفتند. به‌منظور يررسي خواص مکانيکي اتصال از آزمون کشش تک محور و ميکروسختي سنجي ويکرز استفاده شد. براي بررسي ارتباط جهت گيري کريستالوگرافي مناطق مختلف جوش، توزيع مرزهاي ويژه و دوقلويي و اثر آن‌ها بر مقاومت شکست، تحولات بافت در حين تغيير شکل و ميزان کرنش‌هاي داخلي از آناليز EBSD استفاده شد. نمودار توزيع اندازه دانه‌ها نشان داد که ميانگين اندازه دانه در فلز پايه برابر با mµ 4/0±3 و در منطقه ذوب برابر با mµ 1±8 است و بعضي از دانه‌ها تا mµ 45 نيز رشد کرده‌اند و منجر به پديده نرم شدن در منطقه ذوب شده‌اند. به‌طوريکه کاهش سختي از ميانگين HV 4±315 در فلز پايه به HV 6±275 در منطقه ذوب، اين نرم شدن را تاييد نمود. بررسي تصاوير قطبي مربوط به فلز پايه و منطقه ذوب در مرز جوش( منطقه رشد رونشستي) حاکي از آن است که ارتباط جهت‌گيري مکعبي-مکعبي ( 100 // 100 و{100}//{100}) در طول مرز شکل گرفته است. نتايج آزمون کشش اتصال بهينه نشان داد که استحکام نهايي اتصال (Mpa 805) در مقايسه با استکام فلز پايه (Mpa 846) مقدار قابل توجه و مطلوبي است. در حالي‌که شکست از منطقه ذوب اتفاق افتاد که دليل آن علاوه بر کاهش سختي در اثر درشت شدن دانه‌ها به کاهش مرزهاي ويژه و دوقلويي و افزايش مرزهاي تصادفي در منطقه ذوب نسبت داده شد. بررسي تحولات بافت و مکانيزم شکست منطقه ذوب بعد از تغيير شکل نشان داد که بافت ضعيف مکعبي موجود در منطقه ذوب در حين تغييرشکل حذف و بافت برنج که ناشي از تغييرشکل دوقلويي است شدت گرفته است. ارزيابي خواص مکانيکي اتصال غيرهمجنس TWIP/IF نشان داد که در آزمون کشش برخلاف انتظار، شکست از منطقه IF-BM که سختي بالاتري نسبت به IF-HAZ دارد اتفاق افتاد که دليل آن وجود بافت خيلي قوي(111) يا رشته گاما در منطقه IF-HAZ است که در مقابل تغييرشکل مقاومت بالايي نشان داده است. کلمات کليدي: فولادهاي پرمنگنز، مدل رياضي، روش رويه پاسخ، ارتباط جهت‌گيري، بافت، مرزهاي ويژه، زواياي عدم تطابق

ارتقاء امنیت وب با وف بومی