مهندسي جوش
مهندسي جوش

تماس با ما

نرم افزار

نويسنده

كتابخانه

آموزش

كلوپ مهندسي جوش

خانه

 

شنبه ٢۳ امرداد ،۱۳۸٩

 

ترک گرم و نقش فریت در جوشکاری فولادهای زنگ نزن آستنیتی

این مقاله قبلا در فصلنامه مهندسی جوش ، شماره 34 به چاپ رسیده است.

ترک گرم و نقش فریت در جوشکاری فولادهای زنگ نزن آستنیتی

امیر حسینی کلورزی

www.weldeng.net

 

فولادهای زنگ نزن آستنیتی در حین جوشکاری بشدت مستعد ترک گرم میباشند. بدین منظور در اغلب موارد برای جوشکاری این فولادها از فلز پرکننده ای استفاده میشود که جوش حاصل از آن دارای مقداری فاز فریت باشد. فاز فریت در احتمال ایجاد ترک گرم در جوش فولادهای زنگ نزن آستنیتی نقش موثری ایفا میکند. فریت در مقایسه با آستنیت، ناخالصیهایی مانند گوگرد، فسفر، سرب و قلع را بهتر در خود حل میکند. این عناصر میتوانند از ساختار خارج شده و در مرزدانه ها فازهای ثانویه با دمای ذوب پایین تشکیل دهند که در خلال سرد شدن فلز جوش میتوانند ایجاد ترک گرم نمایند. این موضوع، در ادامه مطلب تشریح شده است.

در خلال انجماد معمولا فلز جوش منجمد شده ترکیب شیمیایی متفاوتی از فلز مذاب دارد. این تفاوت ناشی از اختلاف اکتیویته شیمیایی عناصر آلیاژی در حالت جامد و مذاب در یک غلظت مشخص میباشد. در نتیجه این پدیده، در قسمت جلوی جبهه انجماد یک لایه نازک مذاب با غلظت بیشتر یا کمتر عناصر موجود تشکیل میشود.

در سیستم Fe-Cr-Ni و خصوصا فولادهای زنگ نزن آستنیتی این پدیده بسیار پیچیده تر است. حلالیت برخی از عناصر مانند گوگرد، فسفر، سرب و قلع در فاز آستنیت بسیار پایین میباشد، در نتیجه در خلال انجماد و تشکیل فاز جامد آستنیت، لایه مذاب ذکر شده از این عناصر غنی میگردد. با پیشرفت انجماد، به نقطه ای میرسیم که تنها مقدار کمی مذاب بین دانه های منجمد شده باقی میماند که دراصل تشکیل دهنده مرزدانه ها است(شکل 1). اما این لایه مذاب دارای درصد بالاتری از عناصر ناخالصی مانند گوگرد است در نتیجه با تشکیل ترکیبات زود ذوب حاصل از این عناصر، دمای انجماد آن پایین تر از فلز زمینه میباشد. وجود چند صدم درصد سولفور آهن در مذاب باقیمانده بین کریستالها، دمای انجماد آنرا تا حدود 980 درجه سانتیگراد کاهش میدهد.

شکل1- تشکیل ترک گرم حین انجماد در جوش فولاد زنگ نزن آستنیتی

 

از طرفی در حین سرد شدن، فلز پایه شروع به انقباض میکند و در اثر این انقباض یک تنش کششی به ناحیه جوش اعمال میگردد. اگر مقدار این تنش بیشتر از 1 bar باشد، باعث گسیختگی جوش از ناحیه لایه های مذاب باقیمانده بین دانه ها میشود. این موضوع متاثر از عامل نحوه انجماد و مقدار تنشهای انقباضی و یا به عبارت دیگر ضریب انقباض فلز جوش است.

اما در فاز فریت احتمال وقوع این مشکل بسیار کم است، چراکه از یک طرف مقدار حلالیت عناصر ناخالصی مزبور در فاز فریت بیشتر از آستنیت بوده و در نتیجه احتمال ایجاد فازهای زود ذوب ناشی از غنی شدن این عناصر در لایه های مذاب باقیمانده بین دانه ها بسیار کمتر خواهد شد. از طرف دیگر ضریب انبساط و انقباض فاز فریت تقریبا دو سوم فاز آستنیت بوده و به تبع آن تنشهای انقباضی ایجاد شده حین انجماد در آن نیز کمتر خواهد بود.

با توجه به توضیحات ارائه  شده میتوان نتیجه گرفت در صورتیکه بتوان ترتیبی اتخاذ کرد که جوش فولاد زنگ نزن آستنیتی در هنگام انجماد به فاز فریت تبدیل شود و یا به عبارت دیگر انجماد آن فریتی باشد، احتمال ایجاد ترک گرم بشدت کاهش خواهد یافت. برای توضیح بیشتر این موضوع از نمودار فازی آهن-کرم-نیکل در 72% آهن (شکل 2) استفاده میکنیم.

شکل 2- نمودار فازی آهن-کرم-نیکل در مقدار آهن 72%

 

 همانطور که در شکل 2 ملاحظه میکنید، چهار آلیاژ با مقادیر مختلف کرم و نیکل در خلال انجماد در نظر گرفته شده اند. آلیاژ 1 دارای 12% کرم و 16% نیکل میباشد و انجماد آن با ایجاد فاز آستنیت آغاز شده و در انتها نیز ساختار آن کاملا آستنیتی خواهد بود. در آلیاژ 2 انجماد با فاز آستنیت آغاز شده و مقادیری فریت نیز در بین دانه ها ایجاد میشود. آلیاژ 3 عکس آلیاژ 2 رفتار کرده و انجماد با فاز فریت شروع شده و مقداری آستنیت نیز بین دانه ها ایجاد میگردد. اما آلیاژ 4 بطور کامل در فاز فریت منجمد میشود. شکل 3 ساختار این چهار آلیاژ را در زمان انجماد، بصورت شماتیک نمایش میدهد.

شکل 3- شماتیک ساختار چهار آلیاژ مشخص شده در شکل 2 حین انجماد

 

در حین سرد شدن ساختار هر سه آلیاژ 2،3 و 4 باید استحاله یافته و به آستنیت تبدیل شوند. اما این پدیده در حالت تعادلی اتفاق می افتد و احتیاج به زمان بالا و سرد شدن آهسته دارد. در جوشکاری بدلیل بالا بودن سرعت سرد شدن امکان تکمیل فرآیند استحاله وجود نداشته و همواره مقداری فریت در ساختار این آلیاژ ها باقی میماند. این مقدار فریت باقیمانده میتواند شاخص خوبی در انتخاب صحیح مشخصات جوشکاری در مورد کاهش ریسک ترک گرم باشد. شکل 4 میکروساختار چهار نمونه فوق را پس از سرد شدن و استحاله نشان میدهد.

شکل 4 - میکروساختار چهار آلیاژ مشخص شده در شکل 2 پس از سرد شدن

 

از مجموع موارد گفته شده میتوان به این نتیجه رسید که برای کاهش خطر ترک گرم در جوشکاری فولادهای زنگ نزن آستنیتی باید فلز پرکننده جوش به گونه ای انتخاب شود که ترکیب فلز جوش حاصله بصورت فریتی منجمد شده و یا به عبارت ساده تر اینکه میزان فریت باقیمانده جوش از مقدار معینی بیشتر باشد.

مقدار فریت را میتوان بروشهای مختلفی تعیین نمود. بعنوان مثال میتوان آنرا طبق استاندارد ASTM E562 بر اساس نسبت حجمی مشخص کرد. هرچند که روش فوق دقیقترین روش است اما اجرای آن زمان بر بوده و هزینه بردار است. بهمین دلیل مقدار فریت اغلب از طریق استفاده از تجهیزاتی مثل سنجه (Gage) مغناطیسی یا فریت اسکوپ و یا بروش محاسباتی با استفاده از ترکیب شیمیایی فلز جوش تعیین میگردد. به این منظور، استاندارد AWS 4.2-91 دستورالعمل استانداردی تدوین نمود که به کمک آن میتوان اندازه فاز فریت دلتای موجود در فولاد زنگ نزن آستنیتی را با تکنیک خاص مغناطیسی اندازه گیری کرد.

در روش استفاده از آنالیز، مقدار فریت را میتوان بصورت درصد و یا بوسیله عدد فریتی (FN) نمایش داد. البته اغلب استفاده از عدد فریتی ترجیح داده میشود. عدد فریتی را میتوان با استفاده از نمودار دیلانگ (DeLong) و یا نمودار WRC-92 بدست آورد.

نمودار دیلانگ ابزار فوق العاده ایست برای تعیین فازها (مثلا مقدار فریت) در فلز جوش. باید این نکته را یادآور شد که نمودارها برای شرایط جوشکاری صادق است که فلز با سرعت نسبتا بالایی سرد میشود، نه برای شرایط ساخت فلز پایه که سرعت سرد شدن نسبتا کم است.

در این قسمت با کمک شکل 5 یک مثال از نحوه بکارگیری نمودار دیلانگ برای تعیین عدد فریتی جوش آورده شده است. اگر یک ورق از فولاد کربنی (نقطه 1) به یک ورق از فولاد زنگ نزن 316 (نقطه 2) با استفاده از الکترود AWS A5.4:E309MoL-17 (نقطه 5) جوشکاری شود، برای تعیین ساختار جوش حاصله بروش زیر عمل میشود:

شکل 5- نمودار دیلانگ و نحوه انتخاب فلز پرکننده

 

ابتدا دو نقطه 1 و 2 را که نشاندهنده محل قرارگیری دو فلز پایه در نمودار هستند، با یک خط مستقیم به یکدیگر متصل میکنیم. با فرض اینکه هردو فلز پایه بطور مساوی در جوش ذوب شوند، وسط این خط (نقطه 3) را مشخص میکنیم. اکنون خط دیگری از این نقطه به نقطه نمایانگر ترکیب الکترود در نمودار (نقطه 5) رسم میکنیم. با استفاده از این فرضیه که فلز جوش شامل 30% از فلز پایه و 70% از فلز پرکننده میگردد، نقطه 4 را که در محلی برابر 70% طول خط رابط نقاط 3 به 5 است، تعیین مینماییم. این نقطه آنالیز جوش نهایی را مشخص میکند که نشاندهنده عدد فریتی 6 برای این جوش است. از نمودار WRC-92 (شکل 6) نیز به همین روش میتوان استفاده کرد. البته در این مثال مقدار امتزاج فلز پایه 30% و برای هردو فلز پایه یکسان در نظر گرفته شده است که برای تعیین دقیقتر این مشخصات باید مقدار امتزاج واقعی محاسبه گردد. از آنجایی که هدایت حرارتی فولاد کربنی با فولاد زنگ نزن آستنیتی تفاوت زیادی دارد مسلما مقدار امتزاج ایندو در جوش به یک نسبت نخواهد بود. اما با این وجود این روش جواب قابل قبولی ارائه میدهد.

شکل 6- نمودار WRC-92

 

مقدار فریت کم (0-3 FN DeLong)  جوشی تولید میکند که ممکن است تا حدودی به ترک گرم حساس باشد. برای جلوگیری از ترک گرم باید از فلز پرکننده ای با مقدار فریت نسبتا بالا استفاده شود.

در برخی کاربردها مانند کارخانه تولید اوره و کاربردهای دمای پایین، استفاده از فلز پایه و جوش کاملا آستنیتی الزامی است. در این حالت باید از فلز پرکننده آستنیتی کامل یا مقدار کم فریت مانند AWS A5.4:E308L-15، EN 1600: 18 15 3 LR و AWS A5.4:ERNiCrMo-3 استفاده شود. در این حالت حرارت ورودی باید در حداقل مقدار ممکن کنترل شود و امتزاج فلز پایه باید در کمترین حد نگاه داشته شود.

عدد فریتی 3-12 FN DeLong مقاومت خوبی نسبت به ترک گرم ایجاد میکند. تمام فلزات پرکننده آستنیتی استاندارد مانند AWS A5.4:E304L-17, E316L-17, E309MoL-17, E347-15 جوشهایی با عدد فریتی در محدوده فوق الذکر ایجاد میکنند. در نتیجه این فلزات پرکننده مقاومت خوبی نسبت به ترک گرم ایجاد میکنند. آزمایشات مختلفی برای تعیین ترکیب مناسب جهت کاهش احتمال ترک گرم انجام گرفته که نتایجی با اختلاف جزئی از آنها بدست آمده است. بعنوان مثال در سال 1972 میلادی MoisioT Suutala  و Takalo رابطه بین نسبت کرم معادل به نیکل معادل، درصد وزنی گوگرد و فسفر موجود در فولاد و حساسیت فولاد نسبت به ترک گرم را برای فولادهای زنگ نزن آستنیتی بصورت منحنی شکل 7 نمایش دادند.

شکل 7- رابطه بین ترکهای انجمادی و نسبت کرم معادل به نیکل معادل

 

همانگونه که در شکل 7 دیده میشود وقتی نسبت کرم معادل به نیکل معادل بیشتر از 5/1 باشد احتمال بروز ترکهای انجمادی کاهش میابد. با توجه به این موضوع میتوان مرز ناحیه حساس به ترک و ناحیه غیر حساس را توسط یک خط با شیب 5/1 در نمودار دیلانگ مشخص نمود (شکل 8).

شکل 8- مرز نواحی حساس و غیر حساس به ترک گرم (خط چین) در نموار دیلانگ

 

در مقادیر بالاتر از 12 FN DeLong ممکن است یک شبکه فریتی پیوسته در ساختار ایجاد شود که در برخی محیط ها میتواند باعث ایجاد خوردگی انتخابی گردد. هنگامی که قطعه تحت عملیات حرارتی قرار گیرد بسته به مدت زمان و دمای عملیات، تمام و یا قسمتی از فریت میتواند به فاز سیگما تبدیل شود. این پدیده مقاومت به خوردگی و چقرمگی قطعه را کاهش میدهد.

جوش فولادهای دوبلکس دارای فریتی در محدوده 25-65 FN WRC-92 میباشد. مزیت مهم این شرایط افزایش استحکام کششی و تسلیم قطعه است. شکل 9 ساختار یک فولاد زنگ نزن دوبلکس را با مقدار فریت 50 FN WRC-92 نشان میدهد.

شکل 9- میکروساختار با عدد فریتی 50 از نمودار WRC-92

 

مقدار فریت در جوش ایجاد شده  به عوامل متعددی بستگی دارد. از جمله این عوامل میتوان به تکنیک جوشکاری، سرعت سرد شدن و مقدار امتزاج فلز پایه در جوش اشاره کرد. بعنوان مثال نفوذ مقدار قابل توجهی نیتروژن به ناحیه جوش، میتواند مقدار فریت جوش را از 8FN به 0FN کاهش دهد. طول قوس نامناسب میتواند باعث افزایش مقدار نیتروژن نفوذی به جوش گردد. در نتیجه تکنیک نامناسب جوش میتواند باعث کاهش مقدار فریت جوش گردد، بطوریکه با نفوذ 0.10% نیتروژن عددفریتی جوش، 8 واحد کاهش خواهد داشت. حتی در جوشهای چند پاسه و یا زنجیره ای، باید تغییرات میزان فریت را از هرپاس به پاس دیگر انتظار داشت. در نتیجه تعیین مقدار دقیق فریت باقیمانده در جوش تنها پس از اتمام جوشکاری و با روشهای دقیق متالورژیکی ممکن است. اما روشهای پیش بینی موجود نیز با تقریب قابل قبولی، در موارد طراحی و مهندسی بکار میروند.

 

مراجع:

  • 1- Dr. -Ing Mittelstädt, "Current Welding Engineer's Knowledges", 2004, SLV Duisburg.
  • 2- امیر حسینی کلورزی، "ترک گرم در جوش فولاد زنگ نزن آستنیتی"، 1386، وبلاگ مهندسی جوش، www.weldeng.net .
  • 3- Martin Larén, "Avesta Welding Manual", 2004, Avesta Welding AB.
  • 4- امیر حسینی کلورزی، "فریت در جوش فولادهای زنگ نزن آستنیتی"، 1385، وبلاگ مهندسی جوش، www.weldeng.net .
  • 5- مهرداد معینیان، "کلید جوشکاری"، جلد اول، 1380، انتشارات آزاده.
  • 6- Chuck Meadows, "Ferrite in Austenitic Stainless Steel Weld Metal", Avesta Welding AB.
  • 7- محمود حائری، "بررسی متالورژیک عیوب در جوشکاری"، 1377، موسسه فرهنگی و انتشاراتی اورس.

 

 

 

برای دریافت متن کامل مقاله با فرمت pdf میتوانید از لینک زیر استفاده نمایید.

 

دانلود مقاله با فرمت pdf

 پيام هاي ديگران ()

امير حسيني كلورزي

حاميان وبلاگ

كتاب جوش

كتاب الكترونيكي جوش

جوشكاري مقاومتي

(متن كامل فارسي)


برگرفته از سايت مركز علم مواد ايرانيان

اخبار

هشتمين كنفرانس ملي جوش و بازرسي ايران 11 الي 13 ارديبهشت ماه 86 تهران انجمن جوشكاري و آزمايشهاي غير مخرب ايران
.------------.
همايش ملي عمليات حرارتي 16 و 17 اسفندماه 85 دانشگاه آزاد واحد شهر مجلسي.
.------------.

اطلاعات مفيد

فلزات پايه

الكترود و سيم جوش

محاسبه پيشگرم

محاسبات جوش

CCT نمودارهاي

ASME Code Finder

لینک ها

مركز پژوهش و مهندسي جوش ايران

انجمن جوشكاري و آزمايشهاي غير مخرب ايران

انجمن مهندسي ساخت و توليد ايران

سايت علمي پژوهشي فلزات

بانك اطلاعات نشريات كشور

بانك اطلاعات متخصصين كشور

تالارهاي گفتگو

مبحث جوش

AWS اطلاعات فني

جوش و اتصالات

ASME استاندارد

AWS استاندارد

جوشكاران انگليس

دانلود

جدول متغيرهای WPS

ايزو 6520

ايزو 5817

ايزو 3834

ايزو 14731

مديريت مستندات

Weld Calculator

Turbo ASME IX

Welding E-Book

NDT Cabin

QW-484 Form

ASME Sec IX 2003

جزوه پاشش حرارتي

وبلاگ دوستان

مجله جوش

مجله بازرسي فني

مهندسي جوش

جوشكاران

نكاتي از جوشكاري

مهندسي آبادان

WELD.4T

وبلاگ علمي جوشكاري

درباره نويسنده

امير حسيني كلورزي

امير حسيني كلورزي

09166129654

اهواز صندوق پستي

61335-4116

خبرنامه

با عضويت در خبرنامه ميتوانيد از تغييرات وبلاگ توسط ايميل باخبر شويد





Powered by WebGozar

آمار بازديدها