SUPERVISOR
Masoud Atapoor
مسعود عطاپور (استاد راهنما)
STUDENT
Hamid Abbasi
حميد عباسي
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394
TITLE
The addition of TiO2 nanoparticles to the friction stir spot weldments of Interstitial free steel (IF) and
Today, the use of Interstitial-free steels (IF) in the automotive industry is expanding. One of the main challenges of these steels is their connection and final welding quality. Therefore, in this study, the friction stir spot welding of galvanized interstitial free steel was studied on sheets with thickness of 0.8 mm. Also, the effect of different welding parameters including the tools rotation speed (710, 900, 1120 and 1400 rpm) and the dwells time (3, 6 and 9S) on the mechanical properties of the joints were investigated. With doing shear tensile test and study result, tool rotation speed 1120 rpm and the dwells time 9S was selected as the optimal parameter. Titanium dioxide (TiO 2 ) nanoparticles with an average diameter of 30 nm and different weight percent (0.002, 0.005 and 0.009 g) were used to improve the mechanical properties of the weld and inhibit the grain growth in the stir zone in the friction stir spot welding was used. Optical microscopy, stereography, scanning electron microscopy, energy emission spectrometry and X-ray diffraction were used to study the macroscopic and microstructural properties of different weld regions. To evaluate the mechanical properties of the weld point, done a shear tensile test and micro hardness test. Analysis of surfaces fracture and evaluation of fracture behavior of samples were also studied using stereography and scanning electron microscopy. In order to study the corrosion behavior of the weld surfaces, a potentiodynamic polarization test and immersion test done in the 0.1M sodium chloride solution and sulfuric acid. The results of this study showed that increasing the tool rotation speed from 710 rpm to 1120 rpm reduced grain size in the stir zone to less than 2.4 ?m. However, the increase in the tool rotating speed from 1120 rpm to 1,400 rpm has an adverse effect and has led to the grain growth in the stir zone. Also, the addition of a sufficient amount of titanium dioxide nanoparticles in the stir zone controlled the grain growth, adding a value of 0.005 g of these particles reduced the grain size in the stir zone to less than 0.5 ?m. The data obtained from the hardness test indicated an increase of hardness of about 30 Hv as a result of the presence of titanium dioxide nanoparticles. In addition, the presence of titanium dioxide nano-powders led to an increase in failure load of about 780 N. However, the addition of more than 0.005 g of reinforcing particles results in the agglomerate and disintegration of these particles in some regions of the stir zone, which reduces the failure load of the joints. In examining the fracture mode of the samples obtained from the shear tensile test, three fracture mode were found, including interfacial mode, combined fracture mode and fracture in the TMAZ region. The fracture mode in the TMAZ region, has a higher energy absorption capacity and is more favorable for industrial applications. The results of the potentiodynamic polarization and immersion tests indicated a higher resistance to corrosion of the base metal than to different welding points. Also, the density of the corrosion current (i corr ) was less than that of the various welding samples. In addition, the results of potentiodynamic polarization tests showed that the sample containing 0.005 g of titanium dioxide nanoparticles, had higher corrosion resistance and less corrosion density than other welding samples. Keywords: friction stir spot welding, galvanized interstitial free steel, microstructure, mechanical properties, fracture mode, potentiodynamic polarization tests.
چکيده امروزه استفاده از فولادهاي عاري از عناصر بين نشين (IF) در صنعت خودروسازي در حال گسترش است. يکي از چالش هاي مهم اين فولادها بحث اتصال آن ها و کيفيت جوش نهايي است. در اين پژوهش به بررسي جوشکاري نقطه اي اصطکاکي اغتشاشي فولاد گالوانيزه عاري از عناصر بين نشين به ضخامت 8/0 ميلي متر پرداخته شده است. همچنين اثر پارامترهاي مختلف جوشکاري شامل سرعت چرخش ابزار (710، 900، 1120 و 1400 دور بر دقيقه) و زمان جوشکاري (3، 6 و 9 ثانيه) بر خواص مکانيکي اتصالات مورد بررسي قرار گرفت. با انجام آزمون کشش/ برش و بررسي نتايج حاصل، سرعت چرخش ابزار1120 دور بر دقيقه و زمان جوشکاري 9 ثانيه به عنوان پارامتر بهينه انتخاب گرديد. سپس از نانو ذرات دي اکسيد تيتانيوم (TiO 2 ) با قطر ميانگين nm 30 و درصدهاي وزني مختلف (002/0، 005/0 و 009/0 گرم) به منظور بهبود خواص مکانيکي جوش و ممانعت از رشد دانه ها در ناحيه اغتشاش فرايند جوشکاري نقطه اي اصطکاکي اغتشاشي استفاده شد. ميکروسکوپ نوري، استريوگرافي، ميکروسکوپ الکتروني روبشي، طيف سنج نشر انرژي و پراش پرتو ايکس جهت بررسي تغييرات ماکروساختاري و ريزساختاري نواحي مختلف جوش به کار گرفته شدند. جهت ارزيابي خواص مکانيکي نقطه جوش ها، آزمون کشش برش و آزمون ريزسختي سنجي صورت گرفت. آناليز سطوح شکست و ارزيابي رفتار شکست نمونه ها نيز به کمک استريوگرافي و ميکروسکوپ الکتروني روبشي مورد بررسي قرار گرفت. به منظور بررسي رفتار خوردگي سطوح جوش، آزمون پلاريزاسيون پتانسيوديناميک و آزمون غوطه وري در محلول 1/0 مولار سديم کلريد و 1/0 مولار اسيد سولفوريک انجام گرفت. نتايج حاصل از اين پژوهش نشان داد که افزايش سرعت چرخش ابزار از 710 دور بر دقيقه تا 1120 دور بر دقيقه موجب کاهش اندازه دانه در ناحيه اغتشاش به کمتر از 4/2 ميکرومتر شد. با اين وجود، افزايش سرعت چرخش ابزار از 1120 دور بر دقيقه تا 1400 دور بر دقيقه اثر معکوسي داشته و رشد دانه ها در ناحيه اغتشاش را در پي داشت. همچنين، افزودن مقدار کافي از نانو ذرات دي اکسيد تيتانيوم در ناحيه اغتشاش موجب کنترل رشد دانه ها گرديد؛ به نحوي که با افزودن مقدار 005/0 گرم از ذرات مذکور، موجب کاهش اندازه دانه ها در ناحيه اغتشاش به کمتر از 5/0 ميکرومتر شد. داده هاي حاصل از آزمون سختي سنجي حاکي از افزايش سختي در حدود 30 ويکرز در نتيجه حضور نانو ذرات دي اکسيد تيتانيوم بود. افزون بر اين حضور نانو پودرهاي دي اکسيد تيتانيوم منجر به افزايش نيروي شکست اتصالات در حدود 560 نيوتن شد. با اين وجود، افزودن بيش از 005/0 گرم از ذرات تقويت کننده، تجمع و کلوخه اي شدن اين ذرات در برخي قسمت هاي ناحيه اغتشاش را در پي دارد که موجب کاهش نيروي شکست اتصالات مي شود. در بررسي حالت شکست نمونه هاي به دست آمده از آزمون کشش/ برش سه حالت شکست مشخص شد که شامل حالت شکست فصل مشترک، شکست ترکيبي و شکست در ناحيه ترمومکانيکي بود. حالت شکست در ناحيه ترمومکانيکي قابليت تحمل نيرو و جذب انرژي بالاتري را دارد و از لحاظ صنعتي مطلوب تر است. نتايج آزمون هاي پلاريزاسيون پتانسيوديناميک و غوطه وري حاکي از بالاتر بون مقاومت به خوردگي فلز پايه نسبت به نقاط جوش مختلف بود. همچنين، دانسيته جريان خوردگي (i corr ) کمتري در مقايسه با نمونه هاي مختلف جوشکاري شده به دست آمد. علاوه بر اين، نتايج حاصل از آزمون هاي پلاريزاسيون پتانسيوديناميک نشان داد که نمونه حاوي 005/0 گرم از نانو ذرات دي اکسيد تيتانيوم، مقاومت به خوردگي بالاتر و دانسيته جريان خوردگي کمتري نسبت به ساير نمونه هاي جوشکاري دارد. کلمات کليدي: جوشکاري نقطه اي اصطکاکي اغتشاشي، فولاد گالوانيزه عاري از عناصر بين نشين، ريزساختار، خواص مکانيکي، حالت شکست، آزمون پلاريزاسيون پتانسيوديناميک.