SUPERVISOR
Hamidreza Salimi jazi,Morteza Shamanian esfahani
حميدرضا سليمي جزي (استاد راهنما) مرتضي شمعانيان اصفهاني (استاد راهنما)
STUDENT
Rouholah Ashiri
روح اله عشيري
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1390
TITLE
The mechanism involved in cracking and segregation phenomena of high manganese austenitic steel during resistance spot welding process
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).
چکيده: فولادهاي پرمنگنز آستنيتي با پوشش هاي بر پايه روي به ترکيدگي ناشي از روي مذاب حين جوشکاري مقاومتي نقطه اي حساس مي باشند که اين ترکيدگي عملکرد مکانيکي جوش هاي حاصله را متاثر مي نمايد. در اين پژوهش مکانيزم ايجاد و رشد ترک به صورت درجا مورد بررسي و تحقيق قرار گرفت. همچنين سعي شد تا با استفاده از نتايج تجربي، شبيه سازي و مشاهده هاي درجا به بيان مشخصه هاي ترکيدگي، شرايط لازم براي ترکيدگي، علت اصلي حساسيت به ترکيدگي و مکانيزم هاي درگير در پديده ترکيدگي اين فولادها درحين جوشکاري مقاومتي نقطه اي پرداخته شود. از معيار طول بزرگترين ترک ايجاد شده در مقطع جوش جهت ارزيابي حساسيت به ترکيدگي فولادها استفاده شد. از بررسي هاي آناليز عنصري FE-EPMA جهت نشان دادن وجود روي در درون ترک ها استفاده شد. از ميکروسکوپ الکتروني روبشي جهت نشان دادن ماهيت مرزدانه اي پديده ترکيدگي استفاده شد. شبيه سازي ها با استفاده از يک نرم افزار اجزاء محدود، SORPAS، انجام شد تا دما و تنش تجربه شده در حين جوشکاري را آشکار نمايد. بررسي هاي درجا با استفاده از تکنيک تصويربرداري پرسرعت (4000 فريم بر ثانيه) و نيز با استفاده از دوربين مادون قرمز پرسرعت انجام شد تا ماهيت پديده ترکيدگي و مکانيزم هاي درگير در آن را آشکار نمايد. همچنين از يک بررسي مقايسه اي براي يافتن علت اصلي حساسيت بالاي فولادهاي پرمنگنز آستنيتي به پديده ترکيدگي استفاده شد. نتايج نشان داد که فولادهاي با پوشش روي متفاوت (گالوانيزه، گالوانيل و الکتروگالوانيزه) همگي به ترکيدگي حساسند، اما ميزان حساسيت آنها به دماي ذوب پوشش و وجود ذخيره روي مذاب کافي براي ترکيدگي وابسته است. وجود يک اندازه دکمه جوش بحراني براي ترکيدگي و نيز رخ داد ترکيدگي در يک منطقه خاص، منطقه فوق بحراني ترکيدگي، از مهمترين مشخصه هاي پديده ترکيدگي مي باشند. شبيه سازي ها نشان داد که دکمه جوش بحراني نشانه اي از تنش بحراني لازم براي ترکيدگي است. همچنين منطقه فوق بحراني ترکيدگي منطقه اي است که بيشترين دماي سطحي، بيشترين تنش کششي سطحي را تجربه مي کند و همچنين ذخيره کافي از مذاب روي در اين منطقه وجود دارد؛ اين موارد شرايط لازم براي پديده ترکيدگي در فولاد حساس پرمنگنز آستنيتي درحين جوشکاري مقاومتي نقطه اي مي باشند. نتايج شبيه سازي ها و بررسي هاي درجا نشان داد که مذاب روي حداکثر 0393/0 ثانيه زمان دارد تا با مرزدانه هاي سطحي واکنش داده و سبب جوانه زني ترک شود؛ اين زمان اندک اين پيشنهاد را مطرح مي کند که مکانيزم هاي بر پايه نفوذ نمي توانند مشارکت عمده اي در جوانه زني ترک داشته باشند و جذب سطحي اتم هاي تردکننده ي روي مذاب در جوانه زني ترک نقش مؤثرتري ايفا مي نمايد. درادامه ترک جوانه زده رشد بسيار سريع با سرعت 86/. سانتي متر بر ثانيه را تجربه مي کند. در اين مرحله، مکش مذاب روي به دليل خلأ ايجاد شده در اثر رشد سريع ترک به همراه تردشوندگي سطوح مرزدانه هاي ايجاد شده در اثر رشد ترک، مذاب را به دهانه ترک منتقل مي نمايد. اين مرحله بوضوح در بررسي هاي درجا قابل مشاهده است. نتايج نشان داد که خواص ترموفيزيکي آلياژ نقش بسيار تعيين کننده اي در حساسيت فولادهاي پيشرفته خودروئي به پديده ترکيدگي ناشي از روي مذاب دارند. به طور مشخص، مقاومت الکتريکي ويژه ي و ضريب انبساط حرارتي بسيار بالا و نيز ضريب هدايت حرارتي بسيار پائين فولاد پرمنگنز آستنيتي سبب افزايش قابل توجه ميزان دما و ذخيره روي مذاب و تنش کششي در منطقه فوق بحراني ترکيدگي اين آلياژ مي شود که ترکيدگي شديد اين فولاد حساس را در پي دارد. مشاهده شد که طراحي هوشمندانه ي برنامه جوشکاري قادر است از ترک خوردن جوش ها حين فرآيند جوشکاري جلوگيري نمايد. بر اين اساس، يک روش ابداعي جهت جلوگيري از ترکيدگي ناشي از مذاب روي حين فرآيند جوشکاري مقاومتي نقطه اي ارائه شد. فرآيند جوشکاري ابداعي قادر است تا يک مديريت هوشمندانه بر سرعت گرمايش داشته باشد و از اين طريق جلوي تامين شرايط لازم براي ترکيدگي را گرفته و منجر به تشکيل جوش هاي عاري از ترک شود. همچنين اين فرآنيد ابداعي قادر است تا با به تأخير انداختن پديده بيرون زدگي محدوده جوش پذيري اين فولاد را افزايش دهد. کلمات کليدي: فولادهاي پرمنگنز آستنيتي؛ جوشکاري مقاومتي نقطه اي؛ ترکيدگي ناشي از روي مذاب؛ حساسيت به ترکيدگي؛ خواص ترموفيريکي؛ شرايط لازم براي ترکيدگي؛ دکمه ي جوش بحراني؛ منطقه فوق بحراني ترکيدگي.