مطالعه ریزساختاری و خواص مکانیکی در حین فرایند جوشکاری اصطکاکی اختالطی در فوالد فریتی کم کربن

METALLURGICAL ENGINEERING The Journal of Iranian Metallurgical and Materials Engineering Society Winter 2018, Volume 20, number 4 Research Paper A study on microstructure development and mechanical properties during friction stir welding in a AISI 1018 mild steel Saman Karami 1, *Hamid Reza Jafarian 2, Shahram Kheirandish 3, Ali Reza Eivani 4 1- M.Sc. School of Metallurgy & Materials Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran. 2- Assistant Professor, School of Metallurgy & Materials Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran. 3- Professor, School of Metallurgy & Materials Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran. 4- Assistant Professor, School of Metallurgy & Materials Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran. Citation: Karami S, Jafarian H.R, Kheirandish Sh, Eivani A. R. A study on microstructure development and mechanical properties during friction stir welding in a AISI 1018 mild steel. Metallurgical Engineering 2018: 20(4): 240-248 http://dx.doi.org/10.22076/me.2018.68257.1144 doi : http://dx.doi.org/10.22076/me.2018.68257.1144 ABSTRACT In this study, change in microstructures and corresponding mechanical properties during friction stir welding are investigated. Microstructural analysis was carried out by optical microscope and electron microscope. The results proved that Abrasion of welding tool happened when the transverse speed is relatively low and as a result some WC particles originated from the welding tool is observed in the weldment. In contrast, in relatively high transverse speed causes formation of tunneling defect in weldment. The results from uniaxial tensile test illustrated that the specimen welded by transverse speed of 100 mm/min was fractured from base metal, however in case of transverse speed of 50 mm/min fractured was appeared in weldment area. Significant grain refinement in welded specimens resulted in increment of yield strength. Furthermore, harness measurements demonstrated that in weldment area the hardness value increased from 155 HV to 210 HV. Keywords: Friction stir welding; AISI 1018 mild steel; Microstructure; Mechanical properties. * Corresponding Author: Hamid Reza Jafarian, PhD Address: School of Metallurgy & Materials Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran. Tel: +98 (21) 77240540 E-mail: jafarian@iust.ac.ir 240

زمستان. 1396 دوره. 20 شماره 4 مطالعه ریزساختاری و خواص مکانیکی در حین فرایند جوشکاری اصطکاکی اختالطی در فوالد فریتی کم کربن 4 سامان کرمی 1 * حمیدرضا جعفریان 2 شهرام خیراندیش 3 علیرضا ایوانی 1- کارشناسی ارشد مهندسی مواد و متالورژی دانشگاه علم و صنعت ایران تهران ایران. 2- استادیار مهندسی مواد و متالورژی دانشگاه علم و صنعت ایران تهران ایران. 3- استاد مهندسی مواد و متالورژی دانشگاه علم و صنعت ایران تهران ایران. 4- استادیار مهندسی مواد و متالورژی دانشگاه علم و صنعت ایران تهران ایران. چکیده در مقاله حاضر تغییرات ریزساختاری و خواص مکانیکی در حین فرایند جوشکاری اصطکاکی اختالطی با سرعتهای دورانی و پیشروی متفاوت بهوسیله آزمو نهای کشش سختی سنجی و متالوگرافی مورد بررسی قرار گرفت. جوشکاری توسط دستگاه فرز سنگین روی فوالد کم کربن فریتی انجام شد. بررسیهای ریزساختاری توسط میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی انجام شدند. نتایج حاصل از این تحقیق نشان داد که در سرعت پیشروی خیلی کم سایش ابزار و ورود ذرات ماده ابزار اتفاق میافتد و همچنین انتخاب سرعت پیشروی خیلی باال سبب تشکیل عیب کانال در سطح جوش میگردد. همچنین نتایج آزمون کشش نشان داد که نمون ههای جوشکاری شده با سرعت پیشروی 100 mm/min از فلز پایه شکست و نمونه جوش شده 50 mm/min از ناحیه جوش شکست. و همچنین درصد ازدیاد طول به دلیل تحوالت آلوتروپیک و ریزدانه شدن ساختار کاهش و استحکام تسلیم افزایش پیدا کرد. عالوه براین نتایج سختی سنجی نشان داد که سختی نواحی مختلف نسبت به فلز پایه افزایشیافته است و سختی از 155 ویکرز در فلز پایه به 210 ویکرز در ناحیه اختالط افزایش پیدا کرد. واژههاي کلیدی: جوشکاری اصطکاکی اختالطی ریزساختار خواص مکانیکی فوالد کم کربن 1. مقدمه جوشکاری اصطکاکی اختالطی FSW 1 یک فرایند جوشکاری حالت جامد است در سال 1991 توسعه یافت و در حال حاضر توجه قابل مالحظهای را به خود جلب کرده است. ماهیت فرآیند حالت جامد بوده و متکی بر آهنگری موضعی منطقه جوش برای ایجاد اتصال است. جوشکاری اصطکاکی اختالطی با استفاده از یک ابزار استوانهای شکل دارای یک پین استوانهای با قطر کوچکتر از شانه ابزار انجام میشود. مهمترین پارامترهای فرآیند شامل سرعت دوران سرعت حرکت ابزار ابعاد ابزار و نیروی فرو روی ابزار است] 1 [. جوشهای اصطکاکی اختالطی روی فوالدها شامل منطقه اختالط یا دکمه جوش 2 SZ منطقه تحت تأثیر عملیات ترمومکانیکی 3 TMAZ اطراف منطقه اختالط و یک منطقه تحت تأثیر حرارت 4 HAZ هستند] 2 [. در دکمه جوش تغییر شکل شدید و حرارت باالی اصطکاکی اغلب از طریق تبلور مجدد دینامیکی سبب تولید ریزساختار ریزدانه میشود. در ناحیه TMAZ نیز ماده دمای نسبتا باال و تغییر شکل را تجربه کرده اما به دلیل کرنش ناکافی بهجای تبلور مجدد بازیابی دینامیکی رخ میدهد. ناحیه HAZ دچار هیچگونه تغییر شکل مکانیکی نشده و تنها در اثر حرارت ورودی خواص مکانیکی ماده تغییر میکند ]3[. تکامل ریزساختار در مناطق جوش به چرخهی ترمودینامیکی موضعی که در طی اتصال تجربهشده بستگی شدیدی دارد کرنش نرخ کرن شود ما پارامترهایی مهمی هستند که ریزساختار را کنترل م یکنند. از آنجاییکه ابزار جوشکاری با شرایط حاد تنش و سایش دمای باال مواجه است در ابتدا FSW به جوشکاری مواد با دمای ذوب پایین مانند آلومینیم منیزیم مس و آلیاژهای آنها محدود بوده 4. Heat Affected Zone 1. Friction Stir Welding 2. Stir Zone 3. Thermo-Mechanical Affected Zone * نویسنده مسئول: دكتر حمیدرضا جعفریان نشانی: تهران دانشگاه علم و صنعت ایران دانشكده مهندسی متالورژی و مواد. تلفن: )21( 77240540 +98 پست الکترونیکی: jafarian@iust.ac.ir 241

زمستان. 1396 دوره. 20 شماره 4 مطالعه ریزساختاری و خواص مکانیکی در حین فرایند جوشکاری اصطکاکی اختالطی در فوالد فریتی کم کربن است [.]6,5,4 پیشرفت های اخیر در زمینه ابزار تمایل به اتصال فوالدها را با این روش جوشکاری افزایش داده است. در این فرایند تغییرات متالورژیکی در ناحیه HAZ فوالدها به سبب حرارت ورودی پایین تر نسبت به روش های دیگر جوشکاری کاهش یافته و اعوجاج و تنش های پسماند در فوالدها به حداقل می رسد[.]7 به صورت کلی این امتیازات FSW را برای اتصاالت فوالد در کاربردهای زیادی مورد توجه قرار می دهد. اخیرا فرایند FSW بر روی چندین نوع فوالد از قبیل فوالدهای نرم فوالدهای سخت شده و فوالدهای زنگ نزن انجام شده است [.]10,9,8 چو 5 و همکارانش ریزساختار و سختی برای فوالد زنگ نزن 409 به روش جوشکاری اصطکاکی اختالطی را آزمایش کردند. به این نتیجه رسیدند که افزایش عمق فروروی مقدار حرارت ورودی و تغییر شکل پالستیک مواد جوش شده در طول فرایند را افزایش می دهد که سبب افزایش مرزهای زاویه کوچک کاهش اندازه دانه و افزایش سختی در ناحیه اختالط می شود[.]11 ساتو 6 و همکارانش گزارش کردند که یک جوش به روش اصطکاکی اختالطی موفق بدون عیوب جوش در فوالد کربن باال دارای ساختار دوتایی (فریت و سمانتیت) با استفاده از ابزار 7PCBN تولید کرده اند و فرایند FSW ساختار دوتایی فریت و سمانتیت را به مارتنزیت در دکمه جوش تبدیل کرده است[.]12 اهداف عمده این پژوهش نشان دادن امکان پذیری FSW برای اتصال فوالد نرم به دست آوردن نسبت سرعت دوران به سرعت جوشکاری مناسب برای ایجاد اتصال سالم بررسی ریزساختارها و خواص مکانیکی مربوط به جوشکاری اصطکاکی اختالطی روی فوالدهای نرم و تأثیر تغییر سرعت پیشروی بر این دو می باشد..2 مواد و روش تحقیق در این پژوهش از ورق های فوالد AISI 1018 به ضخامت 2 mm استفاده شد. سطح ورق ها با استفاده از برس سیمی تمیز شد و از استون برای چربی زدایی استفاده گردید. جوشکاری توسط ابزاری از جنس کاربید تنگستن - کبالت با قطر شانه 16 mm قطر پین 8 mm و طول پین 1/8 mm انجام شد. جوشکاری توسط دستگاه فرز سنگین NC با توان 8 KW انجام شد. ابزار نسبت به خط عمود بر راستای جوشکاری 3 درجه در جهت جوشکاری انحراف داشت زیرا این حالت ماده باالترین سیالنرا دارد [.]13 جهت بررسی تأثیر سرعت پیشروی ابزار نمونه ها با سرعت دورانی 700 rpm و سرعت های پیشروی 100 50 و 200 mm/min جوشکاری شدند. متالوگرافی با محلول حکاکی 2% نایتال انجام گردید. بررسی ریزساختاری توسط میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ 5. Cho 6. Sato 7. Polycrystalline Cubic Boron Nitride 242 شکل.1 تصاویر مربوط به سطح نمونه های جوشکاری شده در سرعت دورانی 700 rpm و سرعت های پیشروی مختلف الف) 50 mm/min ب) 100 mm/min و ج).200 mm/min الکترونی روبشی صورت گرفت و متوسط اندازه دانه ها توسط نرم افزار تحلیل تصویر ( )cleme xvision با استانداردهای مختلف اندازه گیری دانه به دست آمد. خواص مکانیکی نمونه ها به وسیله آزمایش کشش نمونه های عرضی ساخته شده طبق استاندارد ( )ASTM E8M- 04 با استفاده از دستگاه کشش با سرعت حرکت فک 1mm/min و آزمایش ریز سختی با دستگاه میکروویکرز با بار 500 gr و زمان 15 sec انجام شد..3 نتایج و بحث ریزساختار جوش شکل 1 تصویر سطح جوش مربوط به نمونه های جوشکاری اصطکاکی اختالطی شده با سرعت دوران ابزار 700 rpm و سرعت های جوشکاری مختلف را نشان می دهد. همان گونه که در شکل مشاهده می شود نمونه های جوشکاری شده با سرعت پیشروی ابزار 50 و 100 mm/min دارای سطح سالم و عاری از پلیسه هستند. با افزایش سرعت پیشروی تا 200 mm/min یک شیار روباز در منطقه جوش ایجاد گردید. که تشکیل آن می تواند به سبب جریان پالستیک بی قاعده و غیرعادی 8 مواد نرم شده در داخل دکمه جوش باشد. زیرا در 8. Abnormal Plasticity Flow

زمستان. 1396 دوره. 20 شماره 4 سامان کرمی و همکاران: 241-248 شکل 2. الف( ذرات کاربید تنگستن ناشی از سایش ابزار در نمونه جوش شده تحت شرایط 710 rpm و 50 mm/min ب( نتایج EDS از شکل )الف( نشاندهنده وجود تنگستن سرعتهای دورانی بسیار زیاد به دلیل سیالن بیشازحد مواد توسط ابزار در حال دوران و حرارت ورودی باال حجم زیادی از مواد نرم و خمیری میشود. در این حالت با توجه به تغییر ضریب اصطکاک بین ابزار و ماده نرم شده این مواد دیگر بهطور منظم به دور پین نمیچرخند و یک جریان بیقاعده در زیرشانه ابزار شکل میگیرد و افزایش سرعت پیشروی ابزار سبب خارج شدن مقداری از ماده در کنار شانه ابزار بهصورت پلیسه میگردد. در حقیقت این پلیسه همان موادی است که میبایست به پشت ابزار در سمت پیشرونده برای پر کردن حفره آن منتقل شود. دلیل دیگری که برای تشکیل این عیب بیانشده است سر خوردن مواد بر روی ابزار جوشکاری میباشد] 14 [. شکل 2 تجمع ذرات کاربید تنگستن در ناحیه اختالط مربوط به نمون هی جوشکاری شده در شرایط 700 rpm - 50 mm/min را نشان میدهد. بعالوه وجود پیک مربوط به تنگستن در نتایج آنالیز EDS از نوار سفیدرنگ که در شکل 3 آمده است حضور ذرات تنگستن در ساختار جوش را تائید نمود. بنابراین میتوان نتیجه گرفت که این نوار سفیدرنگ در ساختار جوش از تجمع ذرات کاربید تنگستن ورودی در اثر سایش فیزیکی ابزار در مقادیر زیاد نسبت سرعت دوران بهسرعت پیشروی )گام جوش( به ناحیه جوش تشکیلشده است. افزایش گام جوش و به طبع آن افزایش حرارت ورودی به قطعه کار اگرچه سبب یکنواختی و همگنتر شدن ساختار جوش و عدم تشکیل عیوبی از قبیل نفوذ ناقص ریشه 9 و عیب اکسید حبس شده 10 در ساختار میگردد] 15 [. اما باید توجه داشت که اگر گام جوش از یک حدی باالتر رود به دلیل انتقال و اختالط مکانیکی ماده ابزار با فلز پایه تحت دما و فشار باال پدیده سایش فیزیکی ابزار اتفاق میافتد] 16 [. وجود ذرات کاربید تنگستن اگرچه مانع تشکیل جوش سالم نخواهد شد اما بر خواص مکانیکی جوش بسیار تأثیرگذار هستند. نتایج اندازهگیری عرض ناحیه متأثر از حرارت برای نمونههای جوشکاری شده در سرعتهای پیشروی مختلف ابزار در این پژوهش نشان داد که عرض این ناحیه از جوش با افزایش سرعت پیشروی کاهش پیدا میکند. ازآنجاییکه حرارت ورودی با سرعت پیشروی رابطه عکس دارد] 17,16 [. بنابراین با افزایش سرعت پیشروی )در سرعت دوران ثابت( به سبب کاهش مدتزمان قرارگیری نمونه در دمای جوش مقدار حرارت ورودی به منطقه HAZ کاهش مییابد] 18 [. تغییرات مربوط به عرض ناحیه HAZ در شکل 3 آمده است. 9. Incomplete Root Penetration 10. Entrapped Oxide Defect 243

زمستان. 1396 دوره. 20 شماره 4 مطالعه ریزساختاری و خواص مکانیکی در حین فرایند جوشکاری اصطکاکی اختالطی در فوالد فریتی کم کربن شکل.3 تغییرات عرض ناحیه ( HAZ در قسمت پیش رونده جوش) در فواصل 0/5 و 1 mm از سطح جوش با تغییر سرعت پیشروی در سرعت دورانی ثابت 700 rpm شکل.4 تصویر کلی از سطح مقطع عرضی عمود بر جهت جوشکاری. ( :BM فلز پایه :SZ ناحیه اختالط :HAZ ناحیه مات تر از حرارت :AS قسمت پیش رونده و :RS قسمت پس رونده) جهت بررسی ریزساختار نمای کلی از سطح مقطع عرضی نمونه جوشکاری شده حاوی مناطق مختلف جوش با سرعت دوران 700 rpm و سرعت پیشروی 100 mm/min در شکل 4 نشان داده شده است. در این شکل سمتی که جهت سرعت پیشروی و مماس بر سرعت دورانی در یک سو قرار می گیرند را قسمت پیش رونده 11 و سمت دیگر را که سرعت پیشروی و مماس بر سرعت دورانی خالف جهت هم قرار می گیرند را قسمت پس رونده 12 شده است[.]19 شکل 5 تصاویر میکروسکوپ نوری مربوط به نواحی مختلف شکل 4 را نشان می دهد. شکل 5 الف) تصویر ریزساختار فلز پایه را نشان می دهد. فوالد از دانه های هم محور فریت با قطر تقریبی µm12 و ساختار پرلیتی در بین آن ها تشکیل شده است. همان گونه که مشاهده می شود ناحیه اختالط مربوط به جوش FSW دارای دو نوع ریزساختار متفاوت است. نوع اول حاوی محصوالت آلوتروپیک مانند فریت مرزدانه ای فریت ویدمن اشتاتن و توده های از فریت و ذرات ریز سمانتیت بوده[ ]20 شکل ( 5 ب) که بخش مرکزی ناحیه اختالط را تشکیل داده و نوع دوم که حاوی دانه های فریت و پرلیت تبلور مجدد یافته بوده شکل ( 5 ج) که در دو طرف ناحیه اول تشکیل شده است. الزم به ذکر است که این 11. Advancing side 12. Retreating side 244 شکل.5 تصاویر میکروسکوپی از نواحی مختلف نمونه جوشکاری شده در شرایط 100 mm/min 700 rpm را نشان می دهد. الف) فلز پایه ب) ناحیه اختالط حاوی محصوالت آلوتروپیک : فریت مرزدانه ای [( ]PF)G فریت ویدمن اشتاتن [ ]FS و توده فریت + سمانتیت [ ]FC ج) ناحیه اختالط حاوی دانه های فریت و پرلیت تبلور مجدد یافته و د) ناحیه تحت تأثیر حرارت.

4 شماره. 20 دوره. 1396 زمستان 241-248 همکاران: و کرمی سامان در کربن آهن دوتایی نمودار با مطابق HAZ مختلف نواحی 7. شکل ذوبی] 25 [ جوشکاری کامل بهطور و بوده مخلوط مناطق برخی در ساختار نوع دو نیستند. قابلتفکیک جوشها مرکزی قسمت دمای باال دوران سرعت در سبب که میشود بیشتر آستنیت تشکیل دمای از خیلی آستنیتی کامال ساختار و آستنیتی دانههای شدن درشتتر شدن سرد و حرارتی چرخه ادامه در میشود. ناحیه این در تبدیل آلوتروپیک محصوالت به آستنیتی ساختار این دگرگونی و دما غالب مکانیسم باال دماهای در زیرا میشوند. انواع میرود. بین از ماده در مجدد تبلور عالئم و بوده فاز فریت- مجموعههای و روشن رنگ به ب( 5 شکل در فریت های مرزدان فریت و یشوند م دیده تیره رنگ به سمانتیت معموال و تشکیلشده بازسازی استحاله دماهای در PF(G) آستنیت دانههای مرز روی در شده کشیده دانههای شکل به مجموعههای و اشتاتن ویدمن فریت اما میشوند. دیده اولیه جابجایی استحاله که پایین دماهای در سمانتیت و فریت سمانتیت الیههای یشوند] 22,21 [. م تشکیل میدهد رخ فریت تیغههای بین یا مرزدانهای فریت دانههای مرز در حاللیت قابلیت فریت زیرا تشکیلشدهاند اشتاتن ویدمن کربن شدن تشکیل حین در بنابراین دارد. کمی کربن سرد طی در و یزند م پس آستنیت داخل به را اضافی ساختار بعالوه میشود. تبدیل کاربید فریت توده به شدن فریت درون در سمانتیت ریز بسیار ذرات بهصورت دیگری تا شده سبب باال شدن سرد سرعت زیرا شد مشاهده نیز فریت دانههای از شدن خارج و نفوذ به قادر اضافی کربن سمنتیت ریز بسیار ذرات بهصورت و نداشته را شده تشکیل میکروسکوپ تصویر 6 شکل کند] 18 [. رسوب فریت در نشان را اختالط مرکزی ناحیه )SEM( 13 روبشی الکترونی رد سفیدرنگ تیغههای بهصورت سمانتیت که میدهد وجود فریت درون در ریز ذرات بهصورت یا دانهها مرز دارد] 24,23 [. دانههای با پرلیتی فریتی ریزساختار حاوی ناحیه در مکانیسم که گفت میتوان اختالط ناحیه به مربوط هممحور ریزدانگی قسمت از باالتر دما اگرچه است. رخداده مجدد تبلور تشکیلشده آستنیت دانههای و بوده HAZ ناحیه در 14 کامل نتایج اما شدهاند درشتتر جوشکاری حین دما افزایش در ساختار که داد نشان د( و )ج 5 شکل مطابق میکروسکوپی ناحیه از ریزدانهتر شدن سرد از بعد ناحیه این به مربوط نهایی 1(. )جدول میباشد HAZ دانه رشد ناحیه مشابه FSW جوش از ناحیه این درواقع این با است. 7( شکل در D )ناحیه ذوبی جوشهای HAZ در حرارت درجه بر عالوه ناحیه این FSW روش در که تفاوت ابزار دوران از ناشی شدید شکل تغییر و کرنش تأثیر تحت درنتیجه و دینامیکی مجدد تبلور وقوع به منجر که دارد قرار مجدد تبلور میشود. ناحیه این در دانه اندازه شدن کوچکتر نقص انرژی و کرنش نرخ کرنش میزان به توجه با دینامیکی میشود. انجام ناپیوسته و پیوسته صورت دو به شدن چیده در فوالد و بوده باال ناحیه این دمای فرایند حین در ازآنجاییکه حدود در کرنش نرخ همچنین و دارد قرار آستنیت منطقه در ناپیوسته بهصورت دینامیکی مجدد تبلور است 10 2 S 1- یگیرد] 7 [. م صورت ریزساختار شد مشاهده د( 5 شکل در که همانطور پایه فلز ریزساختار همانند HAZ ناحیه در تشکیلشده حرارت تأثیر تحت فقط ناحیه این است. پرلیتی فریتی این ندارد وجود ناحیه این در شکلی تغییر هیچگونه و بوده تنها است. ذوبی جوشکاریهای در HAZ نواحی مشابه ناحیه نسبت FSW فرایند در پایینتر ورودی حرارت آنها تفاوت تغییرات سبب که است ذوبی جوشکاری فرایندهای به 13. Scanning Electron Microscope 14. Fully Grain Refinement تحت شده جوشکاری نمونه اختالط ناحیه مرکز از SEM تصویر 6. شکل ویدمن فریت های مرزدان فریت حاوی 100 mm/min 700 rpm شرایط سمانتیت + فریت توده و اشتاتن 245

کربن کم فریتی فوالد در اختالطی اصطکاکی جوشکاری فرایند حین در مکانیکی خواص و ریزساختاری مطالعه 4 شماره. 20 دوره. 1396 زمستان HAZ منطقه همچنین و HAZ منطقه در کمتر متالورژیکی شدن ریز است. شده ذوبی جوشکاری به نسبت کوچکتر دمای بیشینه در که است دلیل این به ناحیه این دانههای دارند قرار 7( شکل در C )ناحیه Ac 3 بحرانی خط از باالتر مؤثر جوانه کامال آستنیت دانههای تا میدهد اجازه شرایط این که آستنیت ریز دانههای این نمیکنند. پیدا رشد فرصت اما بزنند و فریت دانههای به جوشکاری از پس شدن سرد حین در دانه اندازه تغییرات 1 جدول میشوند] 25 [. تبدیل ریز پرلیت میدهد. نشان FSW جوشهای مختلف نواحی برای را نمونه برای SZ و HAZ نواحی در فریت ههای دان متوسط اندازه تغییرات 1. جدول مختلف. پیشروی سرعتهای و 700 rpm دوران سرعت در شده جوشکاری پیشروی سرعت جوش ناحیه 200 mm/min 100 mm/min 5 µm 4 µm 4/6 µm 5/5 µm 50 mm/min 5/7 µm 3/6 µm HAZ ناحیه SZ ناحیه جدول در دانهها متوسط اندازه بهاندازهگیری مربوط نتایج سرعت افزایش با ثابت دوران سرعت در که داد نشان 1 کاهش SZ و HAZ ناحیه هردو در دانه متوسط اندازه پیشروی سرعت شد اشاره نیز پیشتر که همانگونه میکند. پیدا دوران سرعت و جوش دمای در قرارگیری مدتزمان پیشروی قرار تأثیر تحت را جوش طول واحد در حرارت تولید نرخ ابزار کنترل در غالبتری نقش پیشروی سرعت درنتیجه میدهد. باال پیشروی سرعت که زیرا دارد. HAZ منطقه در دانه اندازه ناحیه به جوش دکمه از حرارت انتقال برای کمتری زمان کمتر HAZ منطقهی به ورودی حرارت درنتیجه میدهد. HAZ نهایی اندازه و افتاده اتفاق کمتری سرعت با دانه رشد و شده بود] 26,25 [. خواهد کوچکتر آن ار SZ ناحیه در فریت دانههای اندازه شدن کوچکتر رابطه داد. توضیح 15 هولمن زنر رابطه از استفاده با میتوان دما و کرنش نرخ به را دانه اندازه زیر بهصورت هولمن زنر میسازد] 24 [: مرتبط به وابسته ثابت دو b و a دانه اندازه d: رابطه این در که هستند. ماده جنس نرخ باالتر جوشکاری سرعتهای در باال روابط طبق بر میکند. پیدا کاهش شکل تغییر دمای و افزایش کرنش با مطابق که مییابد کاهش دانه اندازه و افزایش Z درنتیجه است. پژوهش این یافتههای مکانیکی خواص هب نسبت قابلمالحظهای افزایش FSW نمونههای سختی نمونههای به مربوط سختی بهطوریکه است. داشته پایه فلز به 100 mm/min و 50 پیشروی سرعت در شده جوشکاری افزایش ویکرز 210 و 200 به پایه فلز در ویکرز 155 از ترتیب از مخلوطی حاصل ساختار اختالط ناحیه در زیرا کرد. پیدا کاربید فریت توده و اشتاتن ویدمن فریت ریز پرلیت فریت HAZ ناحیه سختی هستند. برخوردار باالی سختی از که است بعالوه بود. بیشتر پایه فلز سختی از و کمتر اختالط ناحیه از با شده جوشکاری نمونه سنجی بهسختی مربوط دادههای در ویکرز 460 تا 420 سختی با نقاطی 50 mm/min سرعت بوده تنگستن ذرات تجمع مکانهای نقاط این شد. مشاهده شد. داده نشان 2 شکل در که که داد نشان عرضی کشش آزمون از بهدستآمده نتایج از 100 mm/min پیشروی سرعت در شده جوشکاری نمونه پیشرونده سمت از 50 mm/min نمونه و شکست پایه فلز استحکام که کرد تأکید بایستی شد. شکست دچار جوش ناحیه ناحیه ضعیفترین به مربوط عرضی کششی آزمون از حاصل در کرنش متوسط به مربوط طول تغییر درصد و بوده جوش استحکام که میشود مشاهده بنابراین است. سنجه ناحیه کل دچار پایه فلز ناحیه در که عرضی نمونههای نهایی کششی دلیل به همچنین است. پایه فلز استحکام برابر شدند شکست در اشتاتن ویدمن فریت حضور و ریزساختار شدن ریزدانه مربوط تسلیم استحکام بودن باالتر و جوش اختالط ناحیه طول تغییر جوش ناحیه پایه فلز به نسبت جوش ناحیه به چقرمگی و طول ازدیاد درصد بنابراین نداشته چندانی داد نشان نتایج است. پیداکرده کاهش عرضی کشش نمونههای 250 Mpa از شده جوشکاری نمونههای تسلیم استحکام که استحکام افزایش این است. افزایشیافته 320-310 Mpa به و SZ ناحیه در ریزساختار 16 شدن ریزدانه سبب به میتواند باشد] 27 [. HAZ که میشود مشاهده کرنش تنش- نمودار به توجه با 50 mm/min سرعت با شده جوشکاری نمونه در شکست تجمع میتواند آن دلیل میباشد. ترد شکست نوع از ساختار درون 2 شکل در دادهشده نشان تنگستن ذرات باشد. جوش 16. Grain refinement ε = expz ) Q RT ( 1. معادله R: دما T: کرنش نرخ : ε زنر پارامتر Z: معادله این در است. اکتیواسیون انرژی Q: و گاز ثابت به زیر رابطه مطابق یافته مجدد تبلور دانههای نهایی قطر دارد: بستگی زنر-هولمن پارامتر 15. Zener - Hollomon d = (a + b lnz) -1 2. معادله 246

زمستان. 1396 دوره. 20 شماره 4 سامان کرمی و همکاران: 241-248 References [1] E. D. Nicholas, Friction processing technologies, Weld. World, vol. 47, no. 11 12, pp. 2 9, 2003. [2] M. Peel, A. Steuwer, M. Preuss, and P. J. Withers, Microstructure, mechanical properties and residual stresses as a function of welding speed in aluminium AA5083 friction stir welds, Acta Mater., vol. 51, no. 16, pp. 4791 4801, 2003. [3] R. S. Mishra and M. W. Mahoney, Friction stir welding and processing. ASM international, 2007. [4] H. Zhang, H. Wu, J. Huang, L. I. N. Sanbao, and W. U. Lin, Effect of welding speed on the material flow patterns in friction stir welding of AZ31 magnesium alloy, Rare Met., vol. 26, no. 2, pp. 158 162, 2007. [5] W. Lee and S. Jung, The joint properties of copper by friction stir welding, vol. 58, pp. 1041 1046, 2004. [6] H.-B. Chen, K. Yan, T. Lin, S.-B. Chen, C.-Y. Jiang, and Y. Zhao, The investigation of typical welding defects for 5456 aluminum alloy friction stir welds, Mater. Sci. Eng. A, vol. 433, no. 1, pp. 64 69, 2006. [7] T. J. Lienert, W. L. Stellwag Jr, B. B. Grimmett, and R. W. Warke, Friction stir welding studies on mild steel, Weld. JOURNAL-NEW YORK-, vol. 82, no. 1, p. 1 S, 2003. [8] S. A. Khodir, Y. Morisada, R. Ueji, and H. Fujii, Materials Science & Engineering A Microstructures and mechanical properties evolution during friction stir welding of SK4 high carbon steel alloy, vol. 558, pp. 572 578, 2012. [9] H. Fujii, L. Cui, N. Tsuji, M. Maeda, K. Nakata, and K. Nogi, Friction stir welding of carbon steels, Mater. Sci. Eng. A, vol. 429, no. 1, pp. 50 57, 2006. [10] L. Cui, H. Fujii, N. Tsuji, and K. Nogi, Friction stir welding of a high carbon steel, Scr. Mater., vol. 56, no. 7, pp. 637 640, 2007. [11] H.-H. Cho et al., Microstructural analysis of friction stir welded ferritic stainless steel, Mater. Sci. Eng. A, vol. 528, no. 6, pp. 2889 2894, 2011. [12] Y. S. Sato, H. Yamanoi, H. Kokawa, and T. Furuhara, Microstructural evolution of ultrahigh carbon steel during friction stir welding, Scr. Mater., vol. 57, no. 6, pp. 557 560, 2007. 4. نتیجهگیری 1- نتایج تغییر سرعت نشان داد که در سرعت پیشروی خیلی کم سایش ابزار و ورود ذرات ماده ابزار اتفاق میافتد و همچنین انتخاب سرعت پیشروی خیلی باال سبب تشکیل عیب کانال در سطح جوش میشود. بنابراین میتوان گفت در فوالدها سرعت دورانی و سرعت پیشروی منحصربهفردی منجر به ایجاد یک اتصال بهینه میشود. 2- نتایج نشان داد به دلیل دمای باال و درشتدانه شدن دانههای آستنیت در ناحیه مرکزی اختالط محصوالت آلوتروپیک از قبیل فریت ویدمن اشتاتن فریت مرزدانهای و مجموعه فریت و سمانتیت تشکیل شد. 3- برخالف جوشکاری ذوبی در FSW ناحیه رشد دانه در Ac 3 HAZ مشاهده نشد زیرا در دماهای بسیار باالتر از تغییر شکل )در اثر دوران ابزار( سبب تبلور مجدد شده و ساختارهای متفاوتی نسبت به جوشهای ذوبی ایجاد میکند. 4- نتایج آزمون کشش عرضی نشان داد که نمونههای جوش شده با سرعت پیشروی 100 mm/min از فلز پایه شکست و نمونه جوش شده 50 mm/min از ناحیه جوش شکست. و همچنین درصد ازدیاد طول به دلیل تحوالت آلوتروپیک و ریزدانه شدن ساختار کاهش و استحکام تسلیم افزایش پیدا کرد. 5- نتایج سختی سنجی نشان داد که سختی نواحی مختلف نسبت به فلز پایه افزایشیافته است. سختی از 155 ویکرز در فلز پایه به 210 ویکرز در ناحیه اختالط افزایش پیدا کرد. ]13[ مصطفی جعفرزادگان فیروز کارگر توحید سعید امیر عبداله زاده فرشید مالک قائینی»اثر سرعت جوشکاری همزن اصطکاکی بر ریزساختار و خواص مکانیکی فوالد زنگ نزن 304«یازدهمین کنگره ساالنه انجمن مهندسین متالورژی ایران 1386. ]14[ م. صفرخانیان مسعود گودرزی محمد علی بوترابی»بررسی اثر پارامترهای جوشكاری اصطكاکی اختالطی بر ریز ساختار و خواص مكانیكی آلیاژ آلومینیم -T8 2024 قبل و بعد از عملیات حرارتی«دانشگاه علم و صنعت ایران 1388. [15] R. S. Mishra and Z. Y. Ma, Friction stir welding and processing, Mater. Sci. Eng. R Reports, vol. 50, no. 1, pp. 1 78, 2005. [16] A. K. Lakshminarayanan, V. Balasubramanian, and M. Salahuddin, Microstructure, tensile and impact toughness properties of friction stir welded mild steel, J. Iron Steel Res. Int., vol. 17, no. 10, pp. 68 74, 2010. [17] T. Saeid, H. Assadi, and F. M. Ghaini, Effect of friction stir welding speed on the microstructure and mechanical properties of a duplex stainless steel, vol. 496, pp. 262 268, 2008. [18] M. M. Husain, R. Sarkar, T. K. Pal, N. Prabhu, and M. Ghosh, Friction stir welding of steel: heat input, microstructure, and mechanical property co-relation, J. Mater. Eng. Perform., vol. 24, no. 9, pp. 3673 3683, 2015. شکل 8. نمودار تنش-کرنش مهندسی بهدستآمده از نتایج آزمون کشش نمونههای مختلف 247

زمستان. 1396 دوره. 20 شماره 4 مطالعه ریزساختاری و خواص مکانیکی در حین فرایند جوشکاری اصطکاکی اختالطی در فوالد فریتی کم کربن [19] M. Muneo, K. Yasushi, and I. Rinsei, Applicability of Friction Stir Welding ( FSW ) to Steels and Properties of the Welds, vol. 20, no. 20, pp. 133 140, 2015. [20] M. Matsushita, Y. Kitani, R. Ikeda, S. Endo, and H. Fujii, Microstructure and Toughness of Friction Stir Weld of Thick Structural Steel, vol. 52, no. 7, pp. 1335 1341, 2012. [21] H. K. D. H. Bhadeshia and L. E. Svensson, Modelling the Evolution of Microstructure in Steel Weld Metal, pp. 109 182, 1993. [22] M. Jafarzadegan, A. H. Feng, A. Abdollah-zadeh, T. Saeid, J. Shen, and H. Assadi, Microstructural characterization in dissimilar friction stir welding between 304 stainless steel and st37 steel, Mater. Charact., vol. 74, pp. 28 41, 2012. [23] Y. S. Sato, T. W. Nelson, and C. J. Sterling, Recrystallization in type 304L stainless steel during friction stirring, Acta Mater., vol. 53, no. 3, pp. 637 645, 2005. [24] A. Rollett, F. J. Humphreys, G. S. Rohrer, and M. Hatherly, Recrystallization and related annealing phenomena. Elsevier, 2004. [25] S. Kou, Welding metallurgy. John Wiley & Sons, 2003. ]26[ احسان غریب شاهیان عباس هنر بخش رئوف نادر پروین»بررسی خواص مکانیکی و ریزساختار فوالد خطوط لوله نفت جوش شده به روش اصطکاکی اغتشاشی«دومین همایش بینالمللی و هفتمین همایش مشترک انجمن مهندسی متالورژی ایران و انجمن علمی ریخته گری ایران 1392. [27] G. E. Dieter and D. J. Bacon, Mechanical metallurgy, vol. 3. Mc- Graw-hill New York, 1986. 248