IR
۴۱۸۲پ
فارسی
IR
بهبود ریزساختار و خواص مکانیکی جوش لیزر سیمهای غیرهمجنس NiTi سوپرالاستیک به فولاد زنگ‌نزن آستنیتی
[پایان‌نامه]
Microstructure and mechanical properties improvement of dissimilar laser welding of superelastic NiTi to austenitic stainless steel wires
/سعید اسدی
: مهندسی مواد
، ۱۳۹۹
۱۴۲ص.
:
زبان: فارسی
زبان چکیده: فارسی
چاپی - الکترونیکی
مصور، جدول، نمودار
دکتری
مهندسی مواد
۱۳۹۹/۱۲/۰۱
صنعتی سهند
اتصال موفقیت‌آمیز آلیاژ NiTi به فولاد زنگ‌نزن بدلیل امکان ایجاد ترکیبی از خواص مکانیکی، مقاومت به خوردگی، حافظه-داری، سوپرالاستیسیته، زیست‌سازگاری، کارپذیری و دستیابی به قیمت مناسب می‌تواند در بسیاری از زمینه‌ها کاربرد داشته باشد .متاسفانه، جوشکاری غیرهمجنس NiTi به فولاد زنگ‌نزن با مشکلات متعددی مانند تشکیل ترکیبات بین فلزی ترد و از بین رفتن خواص حافظه‌داری و سوپرالاستیسیته در منطقه جوش همراه است .بنابراین هدف از این تحقیق اتصال موفقیت-آمیز این دو آلیاژ با کنترل پارامترهای فرآیند جوشکاری با پرتو لیزر (LBW) و تمرکز بر روش‌هایی برای جلوگیری از تشکیل ترکیبات بین فلزی ترد است .در این راستا برای حذف یا کمینه کردن ترکیبات بین فلزی ترد و حل مشکلات مرتبط با آن، در این پژوهش با افزودن پودر فلز نیکل خالص پخش شده در چسب PVA با غلظتهای مختلف( ۳۰، ۵۰ و ۷۰ درصد وزنی) در منطقه جوش، سعی در کنترل این ترکیبات شد .همچنین اثر عملیات آنیل بعد از جوشکاری بر ریزساختار، ساختار فازی منطقه جوش و خواص مکانیکی اتصال بررسی گردید .به این منظور نمونه‌های جوشکاری شده در دماهای ۱۰۰ ۲۰۰ و C ۳۰۰ به مدت یک ساعت آنیل شدند .ریزساختار، ساختار فازی و خواص مکانیکی اتصالات با استفاده از میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM) ، آنالیز تفکیک انرژی پرتو ایکس (EDS) و پراش پرتو ایکس در حالت متمرکزXRD)- (micro، میکروسختی سنج ویکرز و آزمون کشش مورد بررسی قرار گرفت .از مفاهیم ترمودینامیکی پایداری فازها برای تحلیل ساختارهای تشکیل شده در منطقه جوش استفاده شد .همچنین از نمودارهای فازی سه‌تایی متشکل از عناصرFe ،Ni ، Ti و Cr برای تحلیل تغییرات فازی در منطقه جوش با تغییر ترکیب شیمیایی استفاده شد .در شرایط اتصال بدون افزودن پودر نیکل، تحلیل نتایج آنالیز EDS با استفاده از نمودارهای سه‌تایی نشان داد که به دلیل شرایط انجماد غیرتعادلی فرآیندLBW ،Fe ۲ Tiترکیب غالب در منطقه جوش می‌باشد .محاسبات ترمودینامیکی نیز پیش بینی کرد که حتی در حالت انجماد تعادلی هم ترکیبFe ۲ Tiغالب بوده و علاوه بر آن، ترکیباتCr ۲Ti،Ni ۳ Tiو فازهای وB ۲ نیز محتمل هستند .این ترکیبات در نتایج آنالیز XRD شناسایی شدند .همچنین مناطق نزدیک به فصل مشترک ذوب و فلز پایه NiTi بدلیل تمرکز ترکیباتFe ۲ Tiمحل تمرکز تنش و شکست این اتصالات شناسایی شد .جوشکاری با پودر نیکل با غلظت ۳۰ تاثیر بارزی در کاهش مقدارFe ۲ Tiمنطقه جوش نداشته در مقابل افزودن پودر نیکل با غلظت ۵۰ باعث تغییر ترکییب شیمیایی منطقه جوش و در نتیجه تغییر منطقه فازی انجماد اولیه ازFe ۲ Tiبه مناطق فازهای نرمترNi ۳ Tiو گردید .نتایج محاسبات ترمودینامیکی نیز پیش بینی کرد در این شرایط و حالت انجماد تعادلی، ترکیبNi ۳ Tiو فازهای وB ۲ محتمل هستند .علاوه بر این، افزایش درصد نیکل منطقه جوش باعث کاهش تحت انجماد ترکیبی شده و در نتیجه ساختار منطقه جوش را از دندریتی به دندریتی-سلولی تغییر می‌دهد .در شرایط جوشکاری با غلظت بالای پودر نیکل( ۷۰) ، در ریزساختار منطقه جوش مناطق اختلاط نشده نیکل و حفرات گازی مشاهده شد .بهترین خواص مکانیکی در شرایط جوشکاری با افزودن پودر نیکل با غلظت ۵۰ بدست آمد .نتایج میکروسختی سنجی نشان داد که در این شرایط میانگین سختی منطقه جوش از HV ۶۶۷( حالت بدون افزودن پودر نیکل) به HV ۳۲۵ کاهش می‌یابد .مطالعات فازی نشان داد این افت سختی ناشی از کاهش تشکیل ترکیبات بین فلزی ترد در منطقه جوش می‌باشد .این افت سختی با کاهش تفاوت سختی بین جوش و ناحیه HAZ فلز پایه NiTi مانع تمرکز تنش و در نتیجه بهبود خواص مکانیکی اتصال می‌شود .بررسی استحکام اتصالات نشان داد که با افزودن پودر نیکل با غلظت ۵۰ ، استحکام شکست به MPa ۳۱۰ و کرنش شکست به ۲/۹ افزایش می‌یابد، این مقادیر در شرایط جوشکاری بدون افزودن پودر نیکل بترتیب MPa ۱۵۰ و ۱/۷ بود .نتایج بررسی عملیات آنیل بعد از جوشکاری نشان داد که آنیل در دمای C ۱۰۰، ریزساختار و خواص مکانیکی اتصالات را تحت تاثیر قرار نمی‌دهد درحالیکه آنیل در دمای C ۲۰۰، استحکام شکست اتصالات را ۱/۹۱ برابر حالت بدون عملیات آنیل و بدون افزودن پودر نیکل افزایش می‌دهد .با وجود این آنیل در دمای C ۳۰۰، باعث رشد ساختار دندریتی منطقه جوش شده و با افزایش ترکیبات بین فلزی ترد منطقه جوش، استحکام اتصالات را بشدت کاهش می‌دهد.
In this study, dissimilar laser welding of NiTi to stainless steel (SS) orthodontic archwires was investigated. Two approaches were adopted to improve the mechanical properties of joints in laser welding of these alloys. First, as a novel and more operational approach, Ni powder was used as a weld filler metal. Therefore, different slurries (30 , 50 , and 60 ) were prepared by mixing Ni powder with 4 wt. polyvinyl alcohol (PVA) binder and the slurry was painted on the surface of the wire and then dried. Welding was performed in different conditions and the results were compared. On the second approach, annealing after welding adopted, and the effect of post welding annealing on the microstructure and mechanical properties of dissimilar laser-welded joints has been investigated. In order to do this, the laser-welded wires were annealed at temperatures of 100, 200, and 300 C for one hour and then they were quenched in water. Optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), and focused X-ray diffraction (micro-XRD) analysis were used to study the microstructure, chemical composition, and phase characteristics of joints. Thermodynamic concepts of phase stability were used to analyze the formed structures in the weld zone in different conditions. The ternary phase diagrams including Fe, Ni, Ti, and Cr elements were used as a tool to analyze the phase changes in the weld zone with chemical composition variations in different conditions. Results showed that brittle intermetallics of Fe2Ti were dominant in the weld zone of joint without Ni powder addition. In addition to Fe2Ti, other phases such as Cr2Ti, Ni3Ti, , and B2 were formed in this condition. These results were in agreement with the results of thermodynamic calculations and confirmed by the XRD analysis. Also, zones close to NiTi weld interface were detected as stress concentration and fracture zone in joints without Ni powder addition. Ni powder in low concentration (30 ) not affect the weld structure. however, Ni powder in 50 concentration had favorable effects on microstructure, chemical composition, and mechanical properties of laser welded joints. In this condition, the use of Ni powder changed the primary solidifying phase region from Fe2Ti to ductile phases of Ni3Ti and , and consequently promotes the formation of these ductile phases in the weld zone. Moreover, as a result of chemical composition dilution by Ni, the microstructure of the weld zone changed from dendrite to dendrite-cellular structure by suppressing the constitutional undercooling in Ni powder added condition. Further increasing weld Ni content resulted in unmixed Ni zones and gas pores in the weld metals. The highest mechanical properties of joint obtained in welding with 50 Ni powder addition. Microhardness tests revealed that in this condition the addition of Ni powder caused the average hardness of the weld zone to decrease from 667 HV down to 325 HV due to the aforementioned intermetallic phase replacement. On the other hand, the tensile properties of joints were improved and reached a tensile strength of 310 MPa and a fracture strain of 2.9 by adding Ni powder. These values for the welding without Ni powder addition was 150 MPa and, 1.7 , respectively. The results of annealing after welding show that post-weld annealing at 100 C does not affect the microstructure and mechanical properties. However, post-weld annealing at 200 C ends in an increase in the tensile strength to an order of 1.91 times the strength of non-heat-treated joints. Also, precipitation and increase of intermetallic compounds, such as Fe2Ti at the weld zone during heat treatment at 300 C, results in a reduction in the mechanical properties of joints. Therefore, post-welding annealing is an effective process for improving the mechanical properties of dissimilar joints of these two alloys. However, a suitable heat-treatment temperature is needed in order to achieve the desired results
ba
Microstructure and mechanical properties improvement of dissimilar laser welding of superelastic NiTi to austenitic stainless steel wires
آلیاژ نیکل-تیتانیم
فولاد زنگ‌نزن
پودر نیکل
جوشکاری لیزر
آنیل کردن
ترکیبات بین فلزی
NiTi alloy, Stainless steel, Ni powder, Laser welding, Annealing, Intermetallics
آلیاژ نیکل-تیتانیم، فولاد زنگ‌نزن، پودر نیکل، جوشکاری لیزر، آنیل کردن، ترکیبات بین فلزی
اسدی، سعید
سعید، توحید، استاد راهنما
علافی، جعفر خلیل، استاد مشاور
ایران
20230913
مواد ،۷۰۶۴۸ ،۱۳۹۹
س‌نجمهریغ ی‌اهمیس رزیل ش‌وج ی‌کیناکم ص‌اوخ و راتخاسزیر دوبهب NiTi ی‌تینتسآ ن‌زنگ‌نز دلاوف ه‌ب ک‌یتسلاارپوس.pdf
عادی
عادی
4182.pdf
p70648.pdf
0
ایمانی
متن
0
پ۴۱۸۲
فارسی
نمایه‌سازی قبلی
pe
TF
92029
1
a
Y
