Skip to main content
SUPERVISOR
Morteza Shamanian esfahani,MohammadReza Forouzan
مرتضی شمعانیان اصفهانی (استاد مشاور) محمدرضا فروزان (استاد راهنما)
 
STUDENT
Ahmad Safari
احمدرضا صفری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1383
Metals are usually developed their performance in associated applications and their weldability has been on the second degree of importance. Therefore, a great number of studies have focused on the weldability problems of new materials. Solidification cracking is only one of these proplems that is common in the welding of stainless steels, aluminum alloys and high strength steels. Solidification cracking usually takes place in the weld centerline in the mushy zone. Low ductility of weld metal in solidification temperature range combined with tensile stress-strain in this region prone the material to hot cracks. Most of the studies about hot cracking have been from the mettalurgical aspects. Improving the chemical composition of electrode and imroving welding parametrs to prevent hot cracking has usually been the subject of these studies. Because a huge number of parametrs affect on hot cracking and because its very diffcult to develop mathematical models that describle them, mechanical aspects of hot cracking have less been studied. The few studies that exist in this aspect are about the prediction of hot crackign in casting and hot cracking in welding (both prediction and propagation) has less been studied. The subject of this study is to model both initiation and propagation of hot crack in autogenous welding of austenitic stainless steel 310s. The ABAQUS finite element program has been used. Analysis is accomplished in two decouple steps. In the first step, a thermal analysis is done in which the heat input is imposed to the plate by a suitable heat flux. The temperature history of nodes is used as the thermal load for the subsecuent mechanical analysis in which the stress-strain responce is developed. For mechanical analysis, a thermo-viscoplastic constitutive equaion with kinematic work hardening was used as the material constitutive behavior. Parametrs of this equation was extracted from some static and dynamic tension tests at high temperature. The effect of viscosity at high temperature, anealing and solidification shrinkage was implemented in the constitutive equation. For mushy zone and cracked elements an elastic perfectly plastic constitutive equation with 0.01 Mpa yield strength was used. Strain relaxation method was used to treat the fusion zone. To verify the developed model and method of study some experiments were also accomplished. Finally, the effect of the above-mentioned parameters and the effect of welding parametrs on hot cracking were studied. This study showed that maximum strain criterion could be used to predict hot cracking initiation and propagation. A thermo-viscoplastic constitutive equation with kinematic work hardening and an elastic-perfectly plastic constitutive equation were used to describe the behavior of base and weld metals respectively. Eliminations of viscosity leaded to a larger crack. An isotropic work hardening leads to a larger crack too. Parameters that affect on the weld pool shape had the most effect on the hot crack length. An increase in the heat input such as reducing the welding velocity leaded to a considerably larger crack. Stress-strain relaxation effect of the weld pool was one the most important parameters. This causes the weld metal to cool from zero stress-strain and causes the tensile stress-strain devolopes behind the weld pool. Annealling effect of the weld pool had significant effect on the results too. The results showed that annealing could be considered as a linear function of temperature that starts from half of the melting temperature (in kelvin) and completes at the melting temperature. Keywords : solidification cracking, weld, finite element, anneal, strain relaxation, thermo-viscoplastic, solidification shrinkage.
در کاربردهای مهندسی معمولاً فلزات برمبنای بهبود خواص عملیاتی شان گسترش می یابند و جوش پذیری آنها در درجه دوم اهمیت قرار دارد. این امر سبب شده است با پیدایش آلیاژهای جدید حجم عمده ای از تحقیقات برروی رفتار جوش پذیری آنها و رفع مشکلات مربوطه متمرکز شود. یکی از مشکلات رایج در جوشکاری آلیاژهایی مانند فولادهای زنگ نزن، آلومینیم و فولادهای پراستحکام، وقوع ترک انجمادی در آنها است. ترک انجمادی معمولاً در خط مرکزی جوش و در منطقه فلز جوش درحال انجماد رخ می دهد. کاهش انعطاف پذیری فلز جوش در محدوده دمایی انجماد از یک طرف و توسعه تنش-کرنش های کششی ناشی از انجماد ناحیه خمیری از طرف دیگر، این منطقه را مستعد بروز ترک گرم می کند. عمده تحقیقاتی که برروی ترک انجمادی انجام شده است از دیدگاه متالورژیکی بوده است. در این تحقیقات معمولاً تلاش می شود با بهبود ترکیب شیمیایی الکترود و با تنظیم پارامترهای جوشکاری از ترک انجمادی جلوگیری نمود. با توجه به تعدد عواملی که در بروز ترک انجمادی مؤثر هستند از یک طرف و پیچیدگی تعیین مدل ریاضی برای آنها از طرف دیگر، تحقیقات از دیدگاه مکانیکی در این حوزه بسیار کم بوده است. این تعداد کم تحقیقات نیز عمدتاً برروی پیش بینی وقوع ترک در فرآیند ریخته گری بوده است و تحقیقات مربوط به ایجاد و رشد ترک انجمادی در جوش بسیار کم است. هدف از این تحقیق، شبیه سازی ایجاد و رشد ترک انجمادی در فولاد زنگ نزن s310 است. برای این منظور از روش اجزاء محدود و نرم افزار آباکوس استفاده شده است. تحلیل در دو مرحله مجزا انجام می شود. در ابتدا حل حرارتی انجام می شود. در این تحلیل گرمای ناشی از قوس الکتریکی به صورت شار گرمایی به قطعه اعمال و تاریخچه تغییرات دمای گره ها بدست می آید. در تحلیل مرحله دوم برای یافتن میدان تنش-کرنش قطعه، تاریخچه دمایی حاصل از تحلیل مرحله اول پس از تصحیح توسط سابروتین ویژه ای به عنوان بارگذاری حرارتی استفاده می شود. در این قسمت از تحلیل از یک مدل ترموویسکوپلاستیک با کارسختی سینماتیکی به عنوان مدل ساختاری فلز اصلی و از یک مدل ساختاری الاستیک-پلاستیک کامل برای فلز جوش استفاده می شود. پارامترهای این مدل از طریق آزمایش های کشش استاتیکی و دینامیکی دمای بالای نمونه های کشش استخراج شدند. در این مدل ساختاری اثر رفتار ویسکوز ماده در دمای بالا، پدیده آنیل شدن و اثر انقباض انجمادی درنظر گرفته شده است. برای مدل کردن اثر ذوب حوضچه از روشی بنام روش آزادسازی کرنش ها استفاده شده است. با توجه به اینکه پروژه مشابهی در دست نبود تا بتوان نتایج حاصل از این تحقیق را با آن مقایسه کرد لذا برای صحه گذاری مدل مورد استفاده چند نمونه آزمایش تجربی نیز انجام شد. با تایید مدل و روش تحلیل اثر هریک از پارامترهای فوق و اثر پارامترهای جوشکاری بر رفتار ترک گرم فولاد s310 بررسی شده است. نتایج این تحقیق نشان داد استفاده از معیار کرنش ماکزیمم هم برای پیش بینی ایجاد ترک گرم و هم برای بررسی رشد آن معیار مناسبی است. برای رفتار ساختاری فلز اصلی مدل ترموویسکوپلاستیک با کارسختی سینماتیکی و برای فلز جوش مدل الاستوپلاستیک کامل مدلهای مناسبی هستند. صرفنظر کردن از اثر ویسکوزیته در رفتار ماده سبب می شود طول ترک بیشتر از مقدار واقعی آن بدست آید. استفاده از مدل کارسختی ایزوتروپیک نیز سبب شد طول ترک بیشتر از مقدار واقعی آن بدست آید. پارامترهایی که برروی شکل حوضچه جوش تأثیر گذار هستند بیشترین تأثیر را برروی ترک گرم داشتند. اندک افزایشی در گرمای ورودی مانند کاهش سرعت جوشکاری سبب افزایش قابل توجه طول ترک گرم گردید. یکی از مهمترین پارامترها در بررسی ترک گرم درنظر گرفتن اثر آزادسازی کرنشها توسط حوضچه جوش است. این اثر سبب می شود فلز جوش در پشت حوضچه از وضعیت بدون تنش-کرنش شروع به سرد شدن نماید و درحین انجماد در آن تنش-کرنش های کششی که عامل ترک هستند توسعه یابند. پارامتر تأثیرگذار دیگر اثر آنیل حوضچه بود. آنیل را می توان به صورت تابع خطی از دما درنظر گرفت که از نصف دمای ذوب شروع و تا دمای ذوب تکمیل می گردد. واژه های کلیدی : ترک انجمادی، جوش، اجزاء محدود، آنیل ، آزادسازی کرنشها، ترموویسکوپلاستیک، انقباض انجمادی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی