SUPERVISOR
احمد رضائیان (استاد راهنما) محمدرضا طرقی نژاد (استاد راهنما) قاسم دینی ترکمانی (استاد مشاور)
STUDENT
Hamid Vahid dastjerdi
حمید وحیددستجردی
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.
فولادهای پرمنگنز با انرژی نقص چیدن پایین به دلیل تغییر شکل پلاستیکی ناشی از دوقلویی شدن (TWIP)، در کرنشهای بالا مانند تصادفات قابلیت جذب انرژی بالایی دارند. این نوع فولادها به دلیل این ویژگی مورد توجه صنعت خودرو سازی و محققان قرار گرفتهاند. استفاده از ورقهای این فولاد در بدنه خودرو در کنار دیگر فولادهای با شکلپذیری بالا مانند فولادهای عاری از عناصر بیننشین (IF) باعث شده است خاصیت جوشپذیری این فولاد از اهمیت بالایی برخوردار گردد. در این پژوهش از جوشکاری با پرتو پر انرژی لیزر ضربانی به دلیل حرارت ورودی پایین، منطقه متاثر از حرارت کوچک و سرعت بالا نسبت به دیگر روشهای متداول جوشکاری، برای اتصال همجنس TWIP/TWIP و غیرهمجنس TWIP/IF استفاده شد. بدین منظور فولاد TWIP اولیه (با ضخامت mm 3) تا 70 درصد کاهش ضخامت (mm 1) برای اتصال TWIP/TWIP و تا 80 درصد کاهش ضخامت (mm 7/0) برای اتصال TWIP/IF نورد شدند و سپس برای بهدست آوردن ساختاری مطلوب، در دمای °C 800 به مدت 10 و 30 دقیقه آنیل شدند. ابتدا تاثیر میزان حرارت ورودی (توان پرتو لیزر) روی مورفولوژی رشد، حالتهای انجماد و تحولات ریزساختاری ناشی از فرایند جوشکاری با پرتو لیزر مورد بررسی قرار گرفت و سپس پارامترهای موثر بر فرایند جوشکاری لیزر (توان پرتو، سرعت جوشکاری و نقطه اثر پرتو) شناسایی و آزمونها براساس طراحی ترکیبی مرکزی (CCD) در پنج سطح (مجموعا 20 آزمون) طراحی و انجام شد. با استفاده از روش آماری رویه پاسخ (RSM) یک مدل ریاضی جهت پیشبینی خواص مکانیکی و ترکیب شیمیایی منطقه ذوب ارائه شد. با توجه به مدل ارائه شده شرایط بهینه ( توان= w 2595، سرعت= m/min 54/0، قطر اثر پرتو= mm 48/0) استخراج و براساس این شرایط جوشکاری انجام شد. نتایج حاصل از آزمون واقعی (استحکام نهایی= Mpa 800 ) و پیشبینی مدل (استحکام نهایی= Mpa 839 ) مقایسه و صحهگذاری گردید که توانایی بالای مدل در پیشبینی خواص را تایید نمود. نتایج حاصل از تحلیل و آنالیز روش رویه پاسخ، نشان داد که سرعت جوشکاری و توان پرتو لیزر بیشترین اثر را روی استحکام نهایی و درصد منگنز منطقه ذوب دارند. ریزساختار، ترکیب شیمیایی و فازهای تشکیل دهنده فلز پایه و منطقه ذوب اتصال TWIP/TWIP و TWIP/IF توسط میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، طیف سنجی پراش انرژی پرتو ایکس (EDS) و پراش پرتو ایکس (XRD) مورد ارزیابی قرار گرفتند. بهمنظور یررسی خواص مکانیکی اتصال از آزمون کشش تک محور و میکروسختی سنجی ویکرز استفاده شد. برای بررسی ارتباط جهت گیری کریستالوگرافی مناطق مختلف جوش، توزیع مرزهای ویژه و دوقلویی و اثر آنها بر مقاومت شکست، تحولات بافت در حین تغییر شکل و میزان کرنشهای داخلی از آنالیز EBSD استفاده شد. نمودار توزیع اندازه دانهها نشان داد که میانگین اندازه دانه در فلز پایه برابر با mµ 4/0±3 و در منطقه ذوب برابر با mµ 1±8 است و بعضی از دانهها تا mµ 45 نیز رشد کردهاند و منجر به پدیده نرم شدن در منطقه ذوب شدهاند. بهطوریکه کاهش سختی از میانگین HV 4±315 در فلز پایه به HV 6±275 در منطقه ذوب، این نرم شدن را تایید نمود. بررسی تصاویر قطبی مربوط به فلز پایه و منطقه ذوب در مرز جوش( منطقه رشد رونشستی) حاکی از آن است که ارتباط جهتگیری مکعبی-مکعبی ( 100 // 100 و{100}//{100}) در طول مرز شکل گرفته است. نتایج آزمون کشش اتصال بهینه نشان داد که استحکام نهایی اتصال (Mpa 805) در مقایسه با استکام فلز پایه (Mpa 846) مقدار قابل توجه و مطلوبی است. در حالیکه شکست از منطقه ذوب اتفاق افتاد که دلیل آن علاوه بر کاهش سختی در اثر درشت شدن دانهها به کاهش مرزهای ویژه و دوقلویی و افزایش مرزهای تصادفی در منطقه ذوب نسبت داده شد. بررسی تحولات بافت و مکانیزم شکست منطقه ذوب بعد از تغییر شکل نشان داد که بافت ضعیف مکعبی موجود در منطقه ذوب در حین تغییرشکل حذف و بافت برنج که ناشی از تغییرشکل دوقلویی است شدت گرفته است. ارزیابی خواص مکانیکی اتصال غیرهمجنس TWIP/IF نشان داد که در آزمون کشش برخلاف انتظار، شکست از منطقه IF-BM که سختی بالاتری نسبت به IF-HAZ دارد اتفاق افتاد که دلیل آن وجود بافت خیلی قوی(111) یا رشته گاما در منطقه IF-HAZ است که در مقابل تغییرشکل مقاومت بالایی نشان داده است. کلمات کلیدی: فولادهای پرمنگنز، مدل ریاضی، روش رویه پاسخ، ارتباط جهتگیری، بافت، مرزهای ویژه، زوایای عدم تطابق