ارزیابی مکانیزم پدیده های ترک خوردن و جدایش در فولاد پرمنگنز آستنیتی حین جوشکاری مقاومتی نقطه ای

STUDENT

DEGREE

YEAR

Liquid metal embrittlement is normally studied using hot deformation tests when the susceptible alloy has been immersed in the liquid embrittler during the tensile tests. This approach cannot simulate the conditions of a real resistance spot welding which is the main joining process used in assembly lines of automotive industry. This work concern the studying the basic aspects of liquid metal embrittlement of high manganese austenitic twinning induced plasticity steels during their resistance spot welding; a approach which has not been attempted ever. The nature of grain boundary decohesion induced by liquid zinc was disclosed using experimental results aided by simulations and in-situ observation. The phenomenological features of the liquid metal embrittlement was disclosed by explaining its characteristics, requirement for occurrence, underlying cause and mechanisms involved. Simulations indicated that LME occurs when the critical stress required for LME is satisfied while there is enough liquid zinc for LME at supercritical area for cracking; a location, which experiences the maximum temperature and maximum tensile stress. Simulation results indicate that liquid zinc has a maximum time of 0.0393 second to interact with the surface grain boundaries for the nucleation of LME induced cracks suggesting the diffusion-based mechanisms cannot have a significant contribution in the crack nucleation stage. The present study also gave a detailed description of the most promising mechanisms for LME of TWIP steels during RSW. Briefly, it can be said that LME induced cracking includes crack nucleation and crack propagation. In the nucleation stage, the liquid zinc has a dominant effect while in its propagation the role of the tensile stresses at the crack tip is more predominant. However, in-situ observations showed the evacuation of liquid zinc aided by grain boundary wetting rapidly traorts the liquid zinc to the tip of the propagating crack in order to weaken the grain boundary cohesion for more propagation. It seems that the better understanding of nature of LME described here will be beneficial in order to modify embrittlement behavior in the steels. Keywords: Liquid metal embrittlement (LME); Twinning induced plasticity (TWIP) steel; Grain boundary decohesion; Simulation; In-situ observation; Hot deformation test (HDT); Resistance spot welding (RSW).

: فولادهای پرمنگنز آستنیتی با پوشش های بر پایه روی به ترکیدگی ناشی از روی مذاب حین جوشکاری مقاومتی نقطه ای حساس می باشند که این ترکیدگی عملکرد مکانیکی جوش های حاصله را متاثر می نماید. در این پژوهش مکانیزم ایجاد و رشد ترک به صورت درجا مورد بررسی و تحقیق قرار گرفت. همچنین سعی شد تا با استفاده از نتایج تجربی، شبیه سازی و مشاهده های درجا به بیان مشخصه های ترکیدگی، شرایط لازم برای ترکیدگی، علت اصلی حساسیت به ترکیدگی و مکانیزم های درگیر در پدیده ترکیدگی این فولادها درحین جوشکاری مقاومتی نقطه ای پرداخته شود. از معیار طول بزرگترین ترک ایجاد شده در مقطع جوش جهت ارزیابی حساسیت به ترکیدگی فولادها استفاده شد. از بررسی های آنالیز عنصری FE-EPMA جهت نشان دادن وجود روی در درون ترک ها استفاده شد. از میکروسکوپ الکترونی روبشی جهت نشان دادن ماهیت مرزدانه ای پدیده ترکیدگی استفاده شد. شبیه سازی ها با استفاده از یک نرم افزار اجزاء محدود، SORPAS، انجام شد تا دما و تنش تجربه شده در حین جوشکاری را آشکار نماید. بررسی های درجا با استفاده از تکنیک تصویربرداری پرسرعت (4000 فریم بر ثانیه) و نیز با استفاده از دوربین مادون قرمز پرسرعت انجام شد تا ماهیت پدیده ترکیدگی و مکانیزم های درگیر در آن را آشکار نماید. همچنین از یک بررسی مقایسه ای برای یافتن علت اصلی حساسیت بالای فولادهای پرمنگنز آستنیتی به پدیده ترکیدگی استفاده شد. نتایج نشان داد که فولادهای با پوشش روی متفاوت (گالوانیزه، گالوانیل و الکتروگالوانیزه) همگی به ترکیدگی حساسند، اما میزان حساسیت آنها به دمای ذوب پوشش و وجود ذخیره روی مذاب کافی برای ترکیدگی وابسته است. وجود یک اندازه دکمه جوش بحرانی برای ترکیدگی و نیز رخ داد ترکیدگی در یک منطقه خاص، منطقه فوق بحرانی ترکیدگی، از مهمترین مشخصه های پدیده ترکیدگی می باشند. شبیه سازی ها نشان داد که دکمه جوش بحرانی نشانه ای از تنش بحرانی لازم برای ترکیدگی است. همچنین منطقه فوق بحرانی ترکیدگی منطقه ای است که بیشترین دمای سطحی، بیشترین تنش کششی سطحی را تجربه می کند و همچنین ذخیره کافی از مذاب روی در این منطقه وجود دارد؛ این موارد شرایط لازم برای پدیده ترکیدگی در فولاد حساس پرمنگنز آستنیتی درحین جوشکاری مقاومتی نقطه ای می باشند. نتایج شبیه سازی ها و بررسی های درجا نشان داد که مذاب روی حداکثر 0393/0 ثانیه زمان دارد تا با مرزدانه های سطحی واکنش داده و سبب جوانه زنی ترک شود؛ این زمان اندک این پیشنهاد را مطرح می کند که مکانیزم های بر پایه نفوذ نمی توانند مشارکت عمده ای در جوانه زنی ترک داشته باشند و جذب سطحی اتم های تردکننده ی روی مذاب در جوانه زنی ترک نقش مؤثرتری ایفا می نماید. درادامه ترک جوانه زده رشد بسیار سریع با سرعت 86/. سانتی متر بر ثانیه را تجربه می کند. در این مرحله، مکش مذاب روی به دلیل خلأ ایجاد شده در اثر رشد سریع ترک به همراه تردشوندگی سطوح مرزدانه های ایجاد شده در اثر رشد ترک، مذاب را به دهانه ترک منتقل می نماید. این مرحله بوضوح در بررسی های درجا قابل مشاهده است. نتایج نشان داد که خواص ترموفیزیکی آلیاژ نقش بسیار تعیین کننده ای در حساسیت فولادهای پیشرفته خودروئی به پدیده ترکیدگی ناشی از روی مذاب دارند. به طور مشخص، مقاومت الکتریکی ویژه ی و ضریب انبساط حرارتی بسیار بالا و نیز ضریب هدایت حرارتی بسیار پائین فولاد پرمنگنز آستنیتی سبب افزایش قابل توجه میزان دما و ذخیره روی مذاب و تنش کششی در منطقه فوق بحرانی ترکیدگی این آلیاژ می شود که ترکیدگی شدید این فولاد حساس را در پی دارد. مشاهده شد که طراحی هوشمندانه ی برنامه جوشکاری قادر است از ترک خوردن جوش ها حین فرآیند جوشکاری جلوگیری نماید. بر این اساس، یک روش ابداعی جهت جلوگیری از ترکیدگی ناشی از مذاب روی حین فرآیند جوشکاری مقاومتی نقطه ای ارائه شد. فرآیند جوشکاری ابداعی قادر است تا یک مدیریت هوشمندانه بر سرعت گرمایش داشته باشد و از این طریق جلوی تامین شرایط لازم برای ترکیدگی را گرفته و منجر به تشکیل جوش های عاری از ترک شود. همچنین این فرآنید ابداعی قادر است تا با به تأخیر انداختن پدیده بیرون زدگی محدوده جوش پذیری این فولاد را افزایش دهد. کلمات کلیدی: فولادهای پرمنگنز آستنیتی؛ جوشکاری مقاومتی نقطه ای؛ ترکیدگی ناشی از روی مذاب؛ حساسیت به ترکیدگی؛ خواص ترموفیریکی؛ شرایط لازم برای ترکیدگی؛ دکمه ی جوش بحرانی؛ منطقه فوق بحرانی ترکیدگی.