توصيفگر ها :
جوشكاري پلاسماي جرقه¬اي , اتصال مس-فولاد , استحكام اتصال , سطح شكست , ميكروگلويي , لايه مياني
چكيده فارسي :
هدف اصلي از پژوهش حاضر ارزيابي ريزساختارها و خواص مكانيكي اتصالات حالت جامد مس- فولاد AISI4140 ايجاد شده به روش جوشكاري پلاسماي جرقه¬اي (SPW) بدون قالب و با قالب، بدون لايه مياني و با لايه مياني تحت متغيرهاي مختلف دما، زمان و فشار است. جهت بررسي تأثير قالب در اتصالات ايجاد شده، فرايند SPW در دماي oC650 به¬مدت min30 و فشار MPa20 بدون قالب و با قالب انجام شد. به¬منظور ارزيابي تأثير متغيرهاي دما، فشار و زمان، اجراي فرايندها در دماهاي 650، 700 و oC750، زمان¬هاي 5، 15، 30 و min60 و فشارهاي 20 و MPa40 صورت گرفت. همچنين جهت بررسي لايه مياني، فرايند SPW در دماي oC700 به-مدت min15 و فشار MPa20 همراه با لايه مياني نيكل انجام شد. بررسي¬هاي ريزساختاري اتصالات ايجاد شده توسط ميكروسكپ-هاي نوري و الكتروني روبشي انجام شد. تهيه منحني¬هاي تغييرات غلظت توزيع عناصر، آناليز نقطه¬اي و نقشه¬هاي عنصري با استفاده از طيف¬سنجي پراكندگي انرژي (EDS) صورت گرفت. به¬منظور ارزيابي خواص مكانيكي اتصالات از آزمون¬هاي سختي¬سنجي و كشش استفاده شد. شناسايي فازهاي سطح شكست اتصالات بعد از آزمون كشش با استفاده از آزمون پراش¬سنجي پرتوايكس گريزينگ (GIXRD) انجام شد. همچنين بررسي¬هاي سطوح شكست اتصالات توسط ميكروسكپ الكتروني روبشي گسيل ميداني صورت گرفت. نتايج نشان داد، در تمامي اتصالات مس-فولاد بدون لايه مياني، انحلال اجباري مس در فولاد و آهن در مس رخ داده و هيچ گونه تركيب بين فلزي در فصل مشترك اتصال شناسايي نشده است. همچنين نفوذ اتم¬هاي مس در فولاد در حين فرايند SPW به-صورت نفوذ تك بعدي و از طريق نواحي اتصال يافته صورت گرفته است. انجام فرايند SPW در دماي oC650 در قالب فلزي، در اثر عدم تشكيل لايه اكسيدي و ناحيه مرده در فصل مشترك اتصال در مقايسه با فرايند بدون قالب، باعث كاهش نواحي اتصال نيافته وتشكيل ميكروحفره¬ها در فصل مشترك اتصال شده و درنتيجه استحكام اتصال از 42 به MPa90 افزايش يافته است. افزايش فشار اعمالي از 20 به MPa40 در دماي oC650 تأثير محسوسي در افزايش استحكام اتصال نداشته است. با افزايش دماي فرايند از 650 به oC700 به¬علت حذف نواحي اتصال نيافته و ميكروحفره¬ها و افزايش مسافت¬هاي نفوذ مس و آهن در فصل مشترك اتصال، استحكام اتصال تا حد قابل توجهي تا حدود MPa179 افزايش يافته و شكست اتصال از ترد-نرم به نرم تبديل شده است. از طرف ديگر، افزايش دماي فرايند تا oC750 به¬علت تغيير ساختار فولاد از فريت و سمنتيت به فريت وآستنيت و كاهش ضريب نفوذ مس در فاز آستنيت فولاد، منجر به كاهش مسافت نفوذ مس در فولاد در نواحي قابل¬توجهي از اتصال شده و درنتيجه استحكام اتصال تا حدود MPa157 كاهش يافته است. بررسي¬ها نشان مي¬دهد كه در دماي oC700 با افزايش زمان فرايند از 5 تا min60،، مسافت نفوذ مس و آهن در فصل مشترك اتصال و استحكام اتصال از 46 تا MPa211 (نزديك به استحكام نهايي مس خالص) افزايش يافته است. با بررسي¬هاي سطح شكست اتصالات ايجاد شده در زمان¬هاي مختلف مشخص شده كه در اتصال ايجاد شده به¬مدت min5 جدايش ترد در ناحيه الاستيك رخ داده، با افزايش زمان فرايند تا 15 و min30، با وجود افزايش نفوذ اتم¬هاي مس و آهن در فصل مشترك اتصال، به¬علت وجود نواحي با پيوند متالورژيكي ضعيف¬تر، قبل از رسيدن به استحكام اتصال در اين نواحي به¬ترتيب جدايش ترد و نرم از فصل مشترك اتصال اتفاق افتاده است. در اتصال ايجاد شده به¬مدت min60،به¬علت نفوذ قابل¬توجه مس در فولاد و ايجاد پيوند متالورژيكي قوي در تمامي فصل مشترك اتصال، قبل از رسيدن به استحكام اتصال، جدايش در فصل مشترك اتفاق نيافته است و بعد از استحكام اتصال با ايجاد ميكروگلويي¬ها در نواحي متعددي از فصل مشترك اتصال، شكست نرم رخ داده است. با انجام فرايند SPW با لايه مياني نيكل، نواحي نفوذي قابل¬توجهي در هر دوطرف لايه مياني تشكيل شده و باعث افزايش استحكام اتصال از 130 تا MPa166 شده است. استفاده از لايه مياني نيكل در اتصال مس-فولاد باعث تشكيل تركيب بين¬فلزي ترد FeNi3 در فصل مشترك لايه مياني-فولاد و منجر به افزايش پراكندگي استحكام اتصالات و جدايش ترد در حين آزمون كشش شده است.
چكيده انگليسي :
The main aim of of this study was to characterize the microstructures and mechanical properties of Cu-AISI4140 steel solid-state joints created via spark plasma welding (SPW), with and without the use of molds, with and without interlayers, under various temperatures, durations, and pressures. To investigate the influence of molds on the Cu-steel joining process, SPW was conducted at 650°C for 30 minutes under a pressure of 20 MPa, both with and without molds. The effects of temperature, duration, and pressure were explored by performing SPW at 650°C, 700°C, and 750°C for durations of 5, 15, 30, and 60 minutes under pressures of 20 and 40 MPa. Additionally, to assess the impact of interlayers, SPW was carried out at 700°C for 15 minutes under a pressure of 20 MPa with a nickel interlayer. Microstructural examinations of the joints were conducted using scanning electron microscopy (SEM) and optical microscopy. Elemental distribution profiles, point chemical analyses, and elemental mapping were generated using energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Mechanical properties of the joints were evaluated through hardness and tensile tests. Phase identification at the joint interface was performed using grazing incidence X-ray diffraction (GIXRD) on fracture surfaces after tensile testing. Fracture surfaces were examined via field emission scanning electron microscopy (FESEM). The results revealed unidimensional diffusion of Cu atoms into the steel during the SPW process, occurring predominantly within jointed areas. SPW facilitated the forced mixing of Cu into steel and Fe into copper, with no intermetallic compound identified at the joint interface. Employing a mold during SPW reduced unjointed areas and micropores at the joint interface, resulting in increased joining strength from 42 MPa to 90 MPa. Elevating the applied pressure from 20 MPa to 40 MPa at 650°C enhanced joininig strength to 106 MPa, without significantly affecting the diffusion-affected zone (DAZ). Increasing the temperature from 650°C to 700°C significantly increased joining strength to approximately 179 MPa, accompanied by a transition from brittle-ductile to ductile failure. However, further temperature increase to 750°C resulted in a decrease in joining strength to around 157 MPa due to phase transformation in the steel and reduction in the diffusion coefficient of Cu in the austenite phase. Examination of the fracture surfaces indicated brittle failure in the elastic zone for joints created over a 5-minute duration. As the process time increased to 15 and 30 minutes, brittle and ductile ruptures occurred, respectively, before reaching the maximum stress in the engineering stress-strain curve. In the joint created over a 60-minute duration, rupture did not occur at the joint interface before reaching the maximum stress in the engineering stress-strain curve. Instead, with the development of micro-necking at numerous areas of the joint interface, ductile failure occurred after reaching the maximum stress in the engineering stress-strain curve. Additionally, the strength of the joint created over a 60-minute duration approached that of copper. By applying the SPW process with the interlayer of nickel, significant diffusion areas formed on both sides of the interlayer and increased the joining strength from 130 to 166 MPa. However, the presence of the nickel interlayer led to the formation of a brittle intermetallic compound, FeNi3, at the interface of the interlayer-steel and brittle rupture during tensile testing.