عنوان

تاثیر پارامترهای جوشکاری فراصوتی بر ريزساختار و خواص مکانیکی اتصال غیرهمجنس تیتانیوم به فولاد ساده کربنیSt12

۴۸۳۷پ

فارسی

تاثیر پارامترهای جوشکاری فراصوتی بر ريزساختار و خواص مکانیکی اتصال غیرهمجنس تیتانیوم به فولاد ساده کربنیSt12

[پایان نامه]

ابراهیم کرده

صنعتی سهند

۱۴۰۱

۷۹ص.

مصور، جدول، نمودار

CD

کارشناسی ارشد

مهندسی مواد- جوشکاری

۱۴۰۱/۱۱/۰۱

استفاده از آلیاژهای تیتانیوم و فولادهای زنگ‌نزن در سیم‌های ارتودنسی و اجزای کاشتنی به دلیل خواص مکانیکی منحصر به فرد، مقاومت بالا در برابر خوردگی و سازگاری بیولوژیکی مناسب، توسعه پیدا کرده است. در برخی از کاربردهای مربوط به صنایع بیومواد برای بهره¬گیری از خواص هر دو دسته از آلیاژها نیاز به اتصال غیرهمجنس آنها به همدیگر موضوعیت یافته و بدست آوردن اتصال مقبول مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. مطالعات اخیر نشان داده که با روش¬های جوشکاری ذوبی بدلیل حرارت ورودی بالاتر و تشکیل ترکیبات بین¬فلزی، تخلخل، حفره¬های گازی نمی‌توان اتصال مطلوبی میان تیتانیوم و فولاد ایجاد کرد. به نظر می¬رسد در جوشکاری فراصوتی بعنوان فرایند حالت جامد به دلیل حرارت ورودی پایین و عدم ذوب در فصل ¬مشترک، مشکلات روش-های ذوبی وجود نداشته باشد. از مزایای روش جوشکاری فراصوتی، دستیابی به اتصال در زمان‌های کوتاه کمتر از 3 ثانیه است که از این رو این روش برای تولید انبوه مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش ورق با ضخامت 3/0 میلی‌متر برای فولاد ساده کربنی St12 و ضخامت 27/0 میلی‌متر از تیتانیوم خالص تجاری گرید 2 تهیه شد و بدون استفاده از لایه¬ی میانی با روش جوشکاری فراصوتی به یکدیگر متصل شدند. در راستای بررسی اثر پارامتر¬های جوشکاری بر ریزساختار و خواص مکانیکی، پارامتر توان ثابت و مقدار 1000 وات انتخاب شد و پارامتر فشار در بازه 4، 5، 6 و 7 بار در زمان¬های 1 الی 3 ثانیه بعنوان متغیر¬های جوشکاری مورد بررسی قرار گرفتند. در تمامی پارامترهای با فشار 4 بار و پارامتر فشار 5 بار و زمان 1 ثانیه اتصال برقرار نشد و اتصال از فشار 5 بار و زمان 5/1 ثانیه شروع شده است. یافته¬های این تحقیق نشان داد که ارتباط مثبت و معناداری با افزایش فشار و زمان جوشکاری در ایجاد ریزساختار و خواص مکانیکی مناسب در اتصال بین تیتانیوم خالص تجاری و فولاد St12در فرایند جوشکاری فراصوتی وجود دارد. افزایش زمان اعمال نیرو و افزایش فشار به محل اتصال، انرژی بیشتری به محل نقطه جوش وارد می¬کند و باعث افزایش دما در فصل مشترک ورق¬ها خواهد شد در ادامه نفوذ عناصر آلیاژی اتفاق می¬افتد در نتیجه استحکام جوش را افزایش می¬دهد. بررسی تصاویر میکروسکوپ نوری نشان داد که اعمال فشار 7 بار و زمان¬های 2 و 5/2 ثانیه باعث می‌شود در فولاد، فرایند تبلورمجدد دینامیکی رخ ‌دهد که موجب ریز-دانگی فولاد شده است و در فلز تیتانیوم، ریزساختار با دانه¬های سوزنی مشاهده شود. مشاهدات میکروسکوپ الکترونی روبشی مشخص کرد که فرایند نفوذ و اختلاط مکانیکی در ایجاد اتصال دخیل هستند. بررسی آنالیز شیمیایی صورت گرفته بر روی تمامی نمونه¬ها نشان داد که در پارامترهای انتخاب شده ترکیب بین¬فلزی در ناحیه-ی اتصال تشکیل نشده است. در بررسی آزمون کشش برشی، کمترین استحکام کشش مربوط به نمونه با فشار 5 بار و زمان 5/1 ثانیه با مقدار MPa 6/16 و بالاترین استحکام کشش در نمونه با فشار 7 بار و زمان 5/2 ثانیه به مقدار MPa 111 بود که نشان می‌دهد با بهینه شدن پارامترهای جوشکاری استحکام کششی تا 6 برابر افزایش پیدا کرده است. آنالیز سطح شکست نشان می‌دهد با افزایش فشار و زمان جوشکاری، شکست از نوع ترد به شکست نرم تبدیل می‌شود. نتایج حاصل از میکروسختی سنجی نشان داد که در فلز جوش تیتانیوم سختی بدلیل تشکیل فاز مارتنزیت در نمونه با فشار 7 بار و زمان 5/2 ثانیه تا 264 ویکرز افزایش یافته است و حداکثر سختی بدست آمده در فلز جوش فولاد فشار 5 بار و زمان 5/1 ثانیه مقدار 230 ویکرز محاسبه شده است که چگالی نابجایی و تبلورمجدد در افزایش و کاهش سختی فولاد تاثیرگذار بوده ¬است.

The use of titanium alloys and stainless steels in orthodontic wires and implant components has been developed due to their unique mechanical properties, high corrosion resistance and good biocompatibility. In some applications, such as biomaterials industries, in order to take advantage of the properties of both types of alloys, the need to join them dissimilarity to each other has been considered and obtaining an acceptable connection has been the focus of researchers. Recent studies have shown that with fusion welding methods, due to the higher heat input and formation of intermetallic compounds, porosity, gas cavities, it is not possible to create a desirable connection between titanium and steel. It seems that in ultrasonic welding as a solid state process, due to low heat input and lack of melting in the intersection, the problems of the melting method should not be seen in them. One of the advantages of the ultrasonic welding method is to achieve the connection in a short time, less than 3 seconds, which is why this method is considered for mass production. In this research, a sheet with a thickness of 0.3 mm was prepared for St12 plain carbon steel and a thickness of 0.27 mm for grade 2 pure titanium and they were joined to each other without using an intermediate layer by ultrasonic welding. In continuance to investigate the effect of welding parameters on microstructure and mechanical properties, constant power parameter and value of 1000 watts were selected, and pressure parameters in the range of 4, 5, 6 and 7 bar in 1 to 3 seconds were selected. In all samples 4 bar pressure and sample with 5 bar pressure and time 1 s, the connection was not jointed and the connection started from 5 bar pressure and time 1.5 s. The result of this research have shown that there is a positive and significant relationship with increasing pressure and welding time on the creation of appropriate microstructure and mechanical properties between pure commercial titanium and St12 steel with the ultrasonic welding process. Increasing the time of applying force and increasing the pressure to the joint exerts more energy to the place of the welding area and will increase the temperature at the junction of the sheets, and the diffusion of alloying elements will continue to happen, thus increasing the strength of the weld. Examining the optical microscope images showed that the application of pressure 7 bar and a welding time 2.5 s in the steel causes a dynamic recrystallization process and causing the steel to become fine grain, with acicular microstructure can be observed in the titanium metal. The observation of SEM determined, diffusion process and mechanical mixing are involved in creating the connection. The chemical analysis of all samples showed that with the selected parameters, the intermetallic compound was not created in the interface. The lowest tensile strength of the sample with a pressure 5 bar and a welding time 1.5 s was 16.6 MPa and the highest tensile strength was 110 MPa in the sample with a pressure 7 bar and a welding time 2.5 s, which shows that by optimizing the welding parameters, the tensile strength is up to 6 times. Fractographic analysis shows, with increasing pressure and welding time, fracture turns from brittle to ductile fracture. The results of micro hardness show that in titanium, hardness has increased up in the sample with a pressure 7 bar and a welding time 2.5 s to 264 Vickers due to the formation of martensite phase, and the maximum hardness obtained in the steel weld metal In the sample with a pressure 5 bar and a welding time 1.5 s is 230 Vickers, which shows that dislocation density and recrystallization have been effective in increasing and decreasing the hardness of steel.

Influence of ultrasonic welding parameters on the microstructure and mechanical properties of Ti to St12 carbon steel dissimilar joints

ريزساختار و خواص مکانیکی

فولاد ساده کربنی St12

جوشکاری فراصوتی

تیتانیوم، فولاد ساده کربنی St12، جوشکاری فراصوتی، ريزساختار و خواص مکانیکی

Titanium, St12 plain carbon steel, Ultrasonic welding, Microstructure and mechanical properties

کرده، ابراهیم

سعید

، توحید

، ۱۳۵۵ -‎

استاد راهنما

صنعتی سهند

ایران

دانشگاه صنعتی سهند

مواد، ۷۰۷۲۴، ۱۴۰۱

p

TF

92029

a

Y