پدیده ترک خوردن در اتصالات جوشکاری شده
مدرس: دکتر مرتضی شمعانیان
هدف
درک اصول مکانیزم های ترک خوردن در اتصالات جوشکاری شده و راههای جلوگیری از وقوع ترک خوردن
مطالب شامل
برای فولادهای C-Mn ، کم آلیاژ ، آلیاژی و زنگ نزن بطور اختصاصی موارد زیر بررسی شود
– ترک خوردن سرد
– ترک خوردن گرم
– ترک خوردن پیشگرمایش
– پارگی سراسری
نتایج مورد انتظار
مقایسه مکانیزم های متالورژیکی برای هر کدام از انواع اصلی ترک خوردن
تشریح تاثیرات متغیرهای شیمیایی و فیزیکی برای هر کدام از انواع اصلی ترک خوردن
ارزیابی حساست به ترک خوردن با مراجعه به پارامترهای کلیدی و پیشنهاد روشهای مناسب برای جلوگیری از ترک خوردن
ارزیابی نوع ترک خوردن و دلیل رخ دادن آن با مطالعه مواد شکسته شده و تاریخچه آنها
انتخاب آزمایشهایی جهت حل مشکلات ترک خوردن
پیشنهاد روشهایی برای کاهش یا حذف ایجاد پارگی سراسری در قطعات جوشکاری شده
ارزیابی تاثیرات ناخالصی ها، شکل هندسی ، تنش و خستگی در کنترل ترک خوردن جوشها
– تاثیر پیشگرم
– در فلز جوش و HAZ
– تاثیر عناصر، سیکل های حرارتی، تنش کنترل ترک خوردن پیشگرمایش
– ترک خوردن طی عملیات حرارتی و جوشکاری چند عبوری
– مکانیزم های ترک خوردن در فلز جوش و HAZ
– کنترل منابع و نفوذ هیدروژن
– ساختار حساس و کنترل آن
– نوع فولادهای حساس به ترک خوردن پیشگرمایش
– تاثیر فلز جوش آستنیتی
– آزمایش حساسیت
– تاثیر هیدروژن، ریزساختار و تنش
– کنترل هیدروژن
– تاثیر عناصر بر حساسیت
ترک خوردن سرد
ترک خوردن گرم
– مکانیزم های ترک خوردن بخصوص در فلز جوش
– تاثیر عناصر، گرمای ورودی ، شکل بستر
– کنترل ترک خوردن گرم
– آزمایش حساسیت
ترک خوردن پیشگرمایش
– مکانیزم های ترک خوردن در فلز جوش و HAZ
– نوع فولادهای حساس به ترک خوردن پیشگرمایش
– تاثیر عناصر، سیکل های حرارتی، تنش
– ترک خوردن طی عملیات حرارتی و جوشکاری چند عبوری
– کنترل ترک خوردن پیشگرمایش
– آزمایش حساسیت
پارگی سراسری
– مکانیزم های ترک خوردن
– تاثیرات ناخالص ها، طراحی اتصال، تنش و خستگی
– کنترل پارگی سراسری توسط کنترل مواد و طرح اتصال
– آزمایش حساسیت ، بواسطه خواص ضخامت
مقدمه
بارسیدن موضعی تنش به تنش شکست، موضع مذکور دچارگسست شبکه ای شده و بین اتمهای موجود در آن نقطه از جسم فاصله و جدایی ایجاد شده که این گسست و جدایی را ترک می نامند.
تمامی عیوب موجود در داخل ساختار یک ماده مانند حفرات، ناخالصیها، ذوب ناقص، نفوذ ناقص در اتصال و…، به خودی خود هیچ مشکلی برای جسم (مثلا جوش) محسوب نمی شوند، فقط زمانی که در اثر اعمال تنش تبدیل به ترک شوند، برای ادامه کارکرد قطعه مشکل ایجاد می کنند. از این رو شاید به نوعی عیب ترک را بتوان بد ترین و زیان آورترین نوع عیب خصوصا در جوشکاری نامید
علل ایجاد ترک در جوش
1- تردی بیش از حد جوش
2- اعمال تنشهای کششی بالا
دسته بندی ترکها
ترکها را از جهات مختلف می توان دسته بندی نمود. یکی از مرسوم ترین دسته بندی های موجود به این صورت است
انواع ترک
شکل و مکان تشکیل
1- عرضی (transverse)
2- طولی ( (longitudinal
3-ترک چاله جوش (crater)
4- زیر گرده (under bead)
5- گوشه (toe)
علت ایجاد
1- گرم (hot)
2-سرد (cold )
3- پارگی لایه ای (lamellar tearing)
4- بازگرمی (reheat)
انواع ترک از نظر شکل و مکان تشکیل
1- ترکهای فلز جوش(Weld metal cracks)
(شامل طولی، عرضی و ستاره ای)
2- ترکهای فلز پایه (Base metal cracks)
( شامل طولی، عرضی، گوشه و زیر گرده)
ترکها را بر اساس موقعیت تشکیل بصورت زیر نیز دسته بندی می کنند
ترکهای فلز جوش
1- ترک چاله ای فلز جوش(Weld metal crater crack)
این ترک در محل قطع قوس ایجاد می شود از این رو به آن ترک چاله ای گویند. چون شبیه پنجه کبوتر می باشد به آن ترک پنجه ای (paw crack) نیز می گویند
این ترک از انتهای کار به ویژه در محل تعویض الکترود یا جایی که ضریب انتقال حرارت بالاست و باعث ایجاد ترک انقباضی می گردد، شروع می شود. برای جلوگیری از ایجاد این ترک باید قوس را دوباره از روی ترک شروع کرده و یا آنکه پس پایان کار الکترود را مقداری به عقب برگردانیم و یا آنکه قوس را خارج محدوده گرده خاموش نماییم
2- ترک طولی فلز جوش) (longitudinal weld metal crack
این ترک که موازی با محور جوش
ایجاد می شود می تواند ناشی از
انقباض فلز جوش و یا امتداد یک
ترک چاله ای در یک جوش سپری
و یا توسعه ترک ایجاد شده در پاس
ریشه باشد.
ترکهای فلز جوش
این ترکها عمود بر محور جوش در کنار گرده و حتی کشیده شده تا فلز پایه می باشند. این ترکها انقباضی بوده و به دلیل وجود قیود شدید در گرده ایجاد می شوند.
3- ترک عرضی فلز جوش(Transverse weld metal crack )
ترکهای فلز جوش
ترکهای فلز پایه (Base metal cracks)
به طور کلی ترکهای فلز پایه در منطقه HAZ ایجاد می گردند.
1- ترکهای طولی فلز پایه
یکی از دلایل ایجاد این ترکها اختلاف ترکیب شیمیایی بین فلز پایه و الکترود می باشد که نتیجه مستقیم آن ایجاد تنشهای پس ماند در فصل مشترک گرده و HAZ می باشد. راه حل این مشکل لایه پوشانی بر روی فلز پایه با کمک یک الکترود نرم برای جذب تنشهای پس ماند می باشد.
2- ترکهای عرضی فلز پایه
در منطقه HAZ فلزات استحکام بالا ایجاد می شود. و برای تعیین موقعیت این ترکها نیاز به انجام NDT می باشد.
ترکهای فلز پایه (Base metal cracks)
3- ترکهای گوشه و زیر گرده Under bead & Toe Cracks))
این دو ترک در مجاورت گرده ودر منطقه HAZ ایجاد می شوند. ترک گوشه از گوشه جوش شروع شده وراه به سطح ورق دارد ولی زیر گرده در داخل ورق و نزدیک به سطح می باشد.
ترکهای فلز پایه (Base metal cracks)
* این ترکها در فولادهای با حداقل MPa 700 استحکام تسلیم ایجاد می شود
* در سرعتهای بالای سرمایش که هیدروژن فرصت خروج ندارد در اثر نفوذ در منطقه HAZ سبب ایجاد این عیب می شود.
عوامل ترغیب کننده ایجاد این دو عیب عبارتند از:
1- وجود هیدروژن اتمی
2- ضخامت و درصد عناصر آلیاژی
3- جوشکاری در مناطق مرطوب
انواع ترک از نظر علت تشکیل
1- ترک گرم (HOT CRACK)
2- پارگی لایه ای (LAMELLAR TEARING )
3- ترک باز گرمی (REHEAT CRACK)
4- ترک سرد (COLD CRACK)
ترک گرم (HOT CRACK)
مشخصات:
1-تشکیل بالاتر از دمای o C550
2- گسترش آن فقط در مرز دانه اتفاق می افتد بنابراین به خود دانه بندی آسیبی نمی رساند. (ترک بین دانه ای، ترک مرزی)
3- به دلیل نفوذ هوا به داخل آن، و نیز دمای بالای تشکیل، روی دیواره های آن لایه اکسیدی تشکیل می شود. از روی رنگ این لایه می توان دمای تشکیل آن را نیز پیش بینی نمود.
4- به دلیل وجود ناخالصی در ترکیب شیمیایی و ایجاد پدیده جدایش ایجاد می گردد.
انواع ترک گرم
1- ترک انجمادی (Solidification cracking)
2- ترک گداختی (Liquation cracking)
3- ترک در چاله جوش (Crater cracking)
1- ترک انجمادی (Solidification cracking)
در حین انجماد در گرده جوش ایجاد می شود. مکان تشکیل آن بیشتر در خط مرکزی جوش و در بین دندریتهای حاصل از انجماد می باشد.
انواع ترک گرم
مکانیزم تشکیل
مفهوم جدایش
مراحل تشکیل
1- تشکیل دندریتهای اولیه
در این مرحله دانه های جامد شده در داخل فاز مایع شناورند
2- قفل شدگی بین دندریتی
در این مرحله، دندریتها کاملا رشد کرده و هیچ گونه حرکتی ندارند فقط مذاب بین دندریتها بصورت آزادانه می تواند حرکت کند
3- به هم رسیدن موضعی دندریتها
در این مرحله دانه ها کاملا تشکیل شده و هیچ گونه ارتباط بین مذابهای باقیمانده نخواهد بود. در نتیجه انقباض دانه ها قابل جبران نبوده و فاصله ایجاد شده سبب تشکیل ترک می شود
عوامل موثر در ایجاد ترک انجمادی
1-ساختار انجمادی
2- جدایش
3-تنش پسماند
4- ضخامت و قیود
5- نسبت عرض به عمق
7- شکل گرده
8-ترکیب شیمیایی جوش
9- حساسیت به ترک در الکترود
10- جریان بالا
11- رقت بیش از حد الکترود
12- پیش گرم
13- روش جوشکاری
14- fit up ضعیف
1- ساختار انجمادی
هر اندازه ساختار دانه ریز تر باشد، مرز کمتر از ناخالصی غنی شده و خطر ترک انجمادی کاهش می یابد. بنا براین افزایش سرعت انجماد در این زمینه مفید است.
عوامل موثر در ایجاد ترک انجمادی
2- جدایش
K=XS/XL
عوامل موثر در ایجاد ترک انجمادی
3- تنش پسماند
تنش پسماند همراه با تنشهای انقباضی سبب ترغیب جدایش دانه ها وگسترش ترکهای انجمادی می شوند.
عوامل موثر در ایجاد ترک انجمادی
4- ضخامت و قیود
اثرات ضخامت بالا:
– افزایش حرارت ورودی و کاهش سرعت سرد شدن
– افزایش تنشهای پسماند به ویژه در پاس ریشه
– افزایش قیود در اتصال
در جوشهای چند پاسه که پخ دو طرفه دارند به ویژه در پاس ریشه طرف دوم، به دلیل ایجاد قید در طرف اول وکاهش درجه آزادی به شدت تنشهای پسماند ایجاد شده که شرایط مناسب برای رشد ترک را فرا هم می کنند.
عوامل موثر در ایجاد ترک انجمادی
برای رفع مشکل می توان سطوح طرف دوم را با سنگ خشن نموده و یا از سیمهای حا ئل استفاده نمود
5- نسبت عرض به عمق گرده
اگر W/D<2/3 باشد به دلیل سرمایش شدید جوش، احتمال ایجاد ترک به دلیل انقباضات شدید بالاست، در نسبتهای بالای 2 نیز به ویژه در روشهای با حرارت ورودی بالا، به دلیل کاهش شدید سرعت سرد شدن، فرصت برای ایجاد ترک گرم فراهم خواهد بود.
عوامل موثر در ایجاد ترک انجمادی
ترک گداختیLiquation crack) )
این ترک از نظر ماهیت و شرایط تشکیل همانند ترک انجمادی می باشد با این تفاوت که این ترک در منطقه ذوب جزئی و متاثر از حرارت ایجاد می گردد
فرآیند تشکیل
در اثر جوشکاری منطقه ای از HAZ که دمای آن به بازه دمایی مذاب و جامد (Liqudus & Solidus) می رسد، ترکیبات زود گدازی نظیر سولفید آهن که در مرز دانه تجمع یافته اند را ذوب یا خمیری نموده و در اثر اعمال تنشهای حرارتی در حین جوشکاری دانه های مرتبط با این مرز از یکدیگر فاصله گرفته و ترکهای گداختی ایجاد می شوند. این فرآیند را می توان به نوعی خزش با مکانیزم لغزش مرز دانه ای نیز نامید.
عوامل موثر بر تشکیل ترک گداختی
1- میزان ناخالصی موجود در ترکیب
2- حرارت ورودی بالا
3- میزان مهار و قیود (ضخامت، طرح اتصال)
4- زمان قرار گرفتن در دمای بالا
ترک چاله جوش (crater crack)
این ترک نوعی از ترک انجمادی است که در انتهای گرده جوشکاری ایجاد می شود. علت تشکیل آن تنشهای انقباضی شدید و نیز تجمع عناصر آلیاژی و ناخالصی نظیر فسفر، گوگرد، مس، روی، نایوبیوم و… می باشد. این ترک در محل قطع قوس بیشتر تشکیل می شود که برای رفع آن می بایست از موقع شروع مجدد قوس از روی آن جوشکاری را آغاز نمائیم و یا آنکه قبل از قطع قوس الکترود را اندکی بر گردانیم تا انقباض کاهش یابد.(از سیستم کاهش آمپر نیز می توان استفاده نمود).
به این نوع ترک dovetail نیز گفته می شود.
همانگونه که از بحث مشخص می شود حضور عناصر ناخالصی مهمترین نقش را در تشکیل ترک گرم بازی می کنند. از این رو نقش اساسی را در کنترل ترک گرم ایفا می کنند.
C×[S+P+Si/25+Ni/100]×103
3 Mn+Cr+Mo+V
[HCS]=
[HCS]≤4 good resistance
[HCS]>4 not suitable
یک فولاد مقاوم به ترک گرم دارای ترکیب حدودی زیر می باشد:
S<0.035% Ni<1.00% Mn>0.8 C<0.15% Mn/S>35
پارگی لایه ای (Lamellar Tearing)
این عیب که گاهی با ترک زیر گرده (Toe crack) که ناشی از تردی هیدروژنی است اشتباه گرفته می شود. این ترک معمولا در اتصالات سپری (fillet) و یا T شکل ایجاد می شود. محل تشکیل آن در منطقه HAZ و بیشتر در راستای جهت نورد می باشد.
علت تشکیل
سر منشاء ایجاد این عیب وجودآخالهای سولفیدی، اکسیدی، سیلیکاتی نظیر MnS, Al2O3, FeMnS و… در حین فرآیند شمش ریزی می باشد. این آخالها در اثر فرآیند نورد، در راستای نورد کشیده شده و فولاد را مستعد به ایجاد این ترک می نمایند.
فرآیند تشکیل
فرآیند تشکیل به دو بخش تقسیم می شود:
1- جوانه زنی ترک
2- رشد ترک
جوانه زنی ترک در اثر اعمال تنش به فصل
مشترک آخال با زمینه و ایجاد کرنش در
زمینه وآخال شروع می شود. یکسان نبودن
میزان کرنش زمینه وآخال، سبب قطع شدن
اتصال می شود.
ناچیز بودن انرژی سطحی اتصال اتمهای زمینه با ذرات آخال نقش مهمی در قطع شدن اتصال بازی می کند. بنابراین جوانه های ترک به سادگی در فصل مشترک زمینه و آخال شکل می گیرند. با ادامه اعمال تنش ترکهای ایجاد شده در نقاط مختلف ترکها بصورت عمودی یا زاویه دار رشد نموده وتبدیل به
ترکهای بسیار بزرگ در داخل قطعه
می شوند. این ترک در اتصالات با قیود
بالا (ضخیم، T joints و…) که دارای
تنشهای پس ماند بالایی هستند بیشتر
تشکیل می شود.
عوامل موثر در ایجاد ترک
1-مقدار ناخالصیهای موجود
2- شکل ناخالصیها (کروی ها مطلوب ترند، ولی گرانتر زیرا از عناصر نادر خاکی نظیر سریم یا منیزیم باید استفاده نمود.)
3- استحکام زمینه و الکترود مورد استفاده ( بیشتر در مرحله رشد موثرند).
4- ضخامت وطرح اتصال
5- مقدار هیدروژن (ایجاد تردی هیدروژنی)
راههای کنترل
1- استفاده از فولادهای با گوگرد اندک کمتر از 0/01 %
2- استفاده از فلزات نادر خاکی مانند سریوم برای بهبود مورفولوژی آخالها نظیر MnS
3- استفاده ازمواد مصرفی کم هیدروژن یا استفاده از عمل پیش گرم و پس گرم برای خروج هیدروژن وافزایش انعطاف پذیری زمینه
4- استفاده از طرح اتصالهای صحیح برای کاهش تنش پسماند
5- استفاده از مواد با انعطاف پذیری بالاتر
مواردی که باید به کنترل این عیب توجه نمود
1- اتصالات T شکل و سپری در سازه ها و قابهای ماشین آلات سنگین که ورقهای ضخیم بکار می روند
2- سازه های فراساحلی
3-الحاقات خارجی بویلرها و مخازن تحت فشار ضخیم
ترک باز گرمایی(Reheat Cracking)
این نوع ترک جزء موارد نادر ترک خوردگی می باشد و فقط در منطقه HAZ برخی از فولادهای زنگ نزن آستنیتی و به ویژه فولادهای کم آلیاژ مقاوم به خزش (Cr-Mo) خصوصا آنانکه دارای عنصر وانادیوم، نایوبیوم ونیز ناخالصیهایی نظیر P S,Cu,Sn, As, و… می باشند، در طی عملیات پس گرمایی یا تنش گیری ایجاد می شود. این مشکل خصوصا زمانی که از روشهای جوشکاری با حرارت ورودی بالا استفاده شده باشد، زیاد اتفاق می افتد.
علت و فرآیند تشکیل
ساختار میکروسکوپی این فولادها معمولا مارتنزیت دانه ریز با مقدار زیادی رسوبات کاربیدی پایدار می باشد که منجر به بهبود خواص خزشی فولاد در درجه حرارتهای بالا می شود. در حین جوشکاری این گونه فولادها، رسوبات کاربیدی در قسمتی از HAZ که درجه حرارتش از C o 1200 تجاوز می کند، در فلز اصلی حل شده و باعث بالا رفتن غلظت عناصر آلیاژی در آن می شود. در این درجه حرارت رشد دانه نیز اتفاق می افتد.
در حین سرد شدن و به واسطه سرعت نسبتا بالای آن، این گونه کاربیدها فرصت رسوب مجدد را پیدا نکرده و عناصر آلیاژی مربوط همچنان در فلز پایه باقی می مانند. بالا بودن غلظت عناصر آلیاژی و نیز درشت بودن اندازه دانه ها در فلز پایه باعث بالا رفتن سختی پذیری منطقه HAZ می شود که نتیجه آن ایجاد ساختار مارتنزیتی در این منطقه می باشد.
زمانی که HAZ درشت دانه جهت تنش زدایی در دماهای بالا حرارت داده می شود، کاربیدهای ریز در نابجایی های موجود در درون دانه ها رسوب کرده وقبل از آنکه تنش گیری انجام شود در حرکت نابجاییها اختلال ایجاد شده که در نتیجه استحکام دانه ها به شدت بالا می رود.
با بالا رفتن استحکام دانه ها نسبت به مرز در حین آزاد شدن تنشها، به دلیل استحکام کمتر مرز دانه، شرایطی شبیه به شرایط خزشی ایجاد شده و در اثر اعمال تنش مرز دانه ها شروع به لغزش نموده که در نتیجه آن به دلیل ایجاد فاصله در مرز دانه ها حفرات بزرگی ایجاد می گردد که پس از اعمال تنش و رشد، تبدیل به ترکهای ریز شده و در ادامه با به هم پیوستن این ترکهای ریز ترکهای بزرگ ایجاد شده و به سرعت رشد می کنند.
در اثر حضور ناخالصیها (به دلیل نفوذ به مرز دانه) در دمای تنش گیری استحکام مرز بیشتر افت نموده و خطر ترک بازگرمی بیشتر خواهد شد. خصوصا اگر دانه ها درشت شده باشند به دلیل کاهش طول مرزها دانسیته ناخالصیها بالاتر می رود و علاوه برآنکه در این آلیاژها استحکام دانه بالا می رود، مرزها نیز بسیار سست شده که در نتیجه شرایط برای ایجاد ترک مناسب خواهد بود. برخی این ترک را تاحدی مشابه ترک گرم می دانند.
عوامل موثر بر ایجاد ترک
1- وجود ساختار ترد مستعد به ترک در دمای بالا
2- دانه درشت
3- استفاده از فرآیندهای با حرارت ورودی بالا نظیر SAW، ESW و…
4- استفاده از ورقهای ضخیم (حرارت ورودی و تنش پسماند بالا)
5- طرح اتصالات با قیود بالا
6- دمای تنش گیری (منطبق بر بازه خزشی)
راههای کنترل وجلوگیری از تشکیل ترک
1- کاهش وانادیوم به کمتر از 0/1% در فلز پایه
2- تغییر طراحی برای کاهش قیود
3- استفاده از دمای بالاتر عملیات حرارتی که البته به قیمت از دست دادن مقداری از استحکام خواهد بود.
4- استفاده از فرآیندهای با حرارت ورودی کم
5- استفاده از مواد با ناخالصی کم
6- افزایش تعداد پاسهای جوش
7- درصورت امکان استفاده از موادی که بر اساس فرمولهای پیش رو حساسیت کم به این ترک داشته باشند
RCS = Cr+3.3 Mo+ 8.1V (Nakamura E q.)
RCS = Cr +Cu+ 2Mo+10V+7Nb+ 5Ti (Ito E q.)
If RCS ≥ 2 material is susceptible to reheat cracking.
(COLD CRACK) ترک سرد
مشخصات:
1- رشد آن بیشتر از داخل دانه اتفاق می افتد.
2- در بازه دمایی oc320 تا دمای محیط اتفاق می افتد.
3- بصورت ناگهانی و بلافاصله یا با گذشت مدت زمان زیاد پس از خاتمه جوشکاری به وجود می آید.
4- بیشتر در فولادهای با استحکام بالا ایجاد می گردد.
5- بیشتر در HAZ اتفاق می افتد.
ایجاد و رشد این ترک دلایل گسترده ای می تواند داشته باشد. حتی هنوز توجیه برخی از انواع ترک سرد امکان ندارد. یک ترک می تواند به دلیل ترک گرم پدیدار شده و رشد آن به صورت سرد باشد.
عوامل موثر در ایجاد ترک سرد
1- ریز ساختار ترد
2- گسترش تنشهای پسماند در کار و تنشهای واکنشی
3- حضور هیدروژن (تردی هیدروژنی)
ریز ساختار ترد
به دلیل سرد شدن سریع جوش، مناطقی از جوش در فولادهای با قابلیت سختی پذیری بالا (فولادهای ساده کربنی با کربن بالای 3/0% و فولادهای آلیاژی با کربن بالای 0/1%) که آستنیته شده اند به جهت عدم وجود فرصت برای تبدیل به فریت و سمانتیت تبدیل به فازهای ترد با حداقل انعطاف پذیری می شوند. این نواحی ممکن است در اثر تنشهای ایجاد شده ناشی از استحاله مارتنزیتی، تنشهای پسماند حرارتی، و یا تنشهای اعمال شده در حین کار که معمولا تنشهای بزرگی نیز می باشند، به دلیل عدم جذب انرژی به دلیل تغییر شکل پلاستیک ناچیز، دچار شکست و ترک خوردگی شوند.
در این میان ساختارهایی که دارای آستنیت باقیمانده نیز می باشند، نظیر فولادهای کروم- مولیبدنی در اثر عملیات تمپر و یا تنش گیری تبدیل به مارتنزیت شده و ترک در آنها نیز ایجاد گردد.
تنشهای پسماند وتنشهای واکنشی
اگر ضخامت جسم بالا باشد تنشهای ایجاد شده در جسم سه محوری خواهد بود، تنشهای پس ماند و نیز تنشهای کاری مقدار قابل توجهی خواهند داشت، و اگر هم جسم ترد باشد، این تنشها به سرعت سبب بروز ترک در جسم خواهند شد.
نقاط تمرکز تنش نظیر حفرات و اتصالات نادرست، بریدگی لبه جوش، نفوذ ناقص در اتصال و… همگی جزء عوامل تشدید کننده شرایط برای ترک سرد می باشند.
هیدروژن
هیدروژن کوچکترین عنصر با یک الکترون می باشد. از این رو حلالیت و نفوذ قابل توجهی در فولاد خواهد داشت این عامل سبب آن می شود که این عنصر اهمیت ویژه ای در فولاد بازی نماید. این عامل مهمترین علت ایجاد ترک سرد می باشد. از این رو ابتدا به بررسی منابع جذب و سپس نحوه جذب، نفوذ و متصاعد شدن ودر نهایت تردی هیدروژنی می پردازیم.
منابع جذب هیدروژن
1-رطوبت موجود در پوششها در روشهای مختلف
2- باقی ماندن روانسازهای موجود بر روی الکترودها
3- ترکیبات حاوی هیدروژن بر روی سطوح
4- رطوبت در گاز محافظ، نشتی تورچ های دارای آبگرد
5- رطوبت موجود در اتمسفر و محیط قوس
هیدروژن برای جذب در حوضچه مذاب ابتدا باید بصورت اتمی در آید زیرا هیدروژن ملکولی بزرگتر از آن است که بتواند به راحتی جذب و محلول در مذاب گردد. این عمل به راحتی به کمک انرژی قوس قابل انجام است. پس از این تبدیل، نفوذ و جابجایی هیدروژن در داخل شبکه فولاد به راحتی انجام پذیر خواهد بود. عمل جذب تا آنجا ادامه پیدا می کند که بین هیدروژن جذب شده در مذاب وهیدروژن موجود در قوس تعادل برقرار گردد.
زمانیکه بخارات آب با فولاد مذاب موجود در ستون قوس تماس برقرار می کند، بر اساس واکنش زیر بخار آب احیاء شده و به صورت هیدروژن در می آید:
Fe +H2O FeO +2H
– در روشهای با گاز خنثی رطوبت آنقدر کم است (1ml/100gr Fe)که هیدروژن جذب شده کوچکترین خطری را ایجاد نخواهد نمود، بنابراین اغلب در این فرآیندها اگر جذب هیدروژن اتفاق افتد، از آلودگیهای سطحی نشات گرفته است.
پس از جذب هیدروژن بصورت اتمی در داخل حوضچه مذاب در حین سرد شدن تا دمای محیط سه اتفاق می افتد:
1- در حین سرد شدن مذاب تا قبل از انجماد به دلیل کاهش حد حلالیت، هیدروژن اضافی به سمت سطح آزاد مذاب حرکت کرده و خارج می شود. اگر سرعت انجماد بالاتر از سرعت خروج هیدروژن باشد، حجم قابل توجهی از هیدروژن در لابلای دندریتها و جبهه مذاب حبس شده که منجر به ایجاد تخلخل و حبابهای گازی در جوش می شود.
2- قسمتی دیگر از هیدروژن پس از انجماد توسط نفوذ در حالت جامد و دمای بالا سعی در رساندن خود به سطح قطعه کار دارند. این عمل بیشتر در 24 ساعت اول اتفاق می افتد اما بعد از گذشت سه هفته تکمیل می شود. حال اگر بعد از جوشکاری انرژی داده شود این مدت ممکن است به چند ساعت تقلیل یابد. به این هیدروژن، هیدروژن نفوذی یا Diffusible Hydroge گویند .
3- مابقی هیدروژن به صورت محلول جامد بین نشین در کار باقی می ماند، که به آنResidual Hydrogen گویند. این هیدروژن فقط با بازپخت در دمای بین 150 تا 480 درجه سانتیگراد، از قطعه کار خارج خواهد شد.
هیدروژنهای باقیمانده در جوش به یکی از طرق زیر در جوش عمل می کنند
1- با عناصری نظیر اکسیژن، گوگرد، کربن، سلنیوم و گازهای نامحلول در فولاد ترکیب شده، که محصول آن حبابهای گاز و تخلخل در جوش می باشد.
2- نفوذ به فضاهای خالی نظیر حفرات انقباضی و گازی از قبل تشکیل شده، ترکهای داخلی، آخالها و… و سپس تبدیل شدن به هیدروژن ملکولی به دلیل وجود فضای کافی.
هیدروژن های باقیمانده
3- جذب به منطقه مجاور جوش
4- نفوذ به سطح قطعه کار و متصاعد شدن با تاخیر زمانی
– واضح است که درجه حرارت بین پاسی و زمان نگهداری جوش در درجه حرارت محیط واحتمالا بالاتر، می تواند بر میزان هیدروژن باقیمانده بر موارد فوق تاثیر گذار باشد.
مکانیزم تردی هیدروژنی
تئوری های مختلفی برای توجیه ترک سرد ناشی از هیدروژن یا همان تردی هیدروژنی ارائه شده است مهمترین تئوری های آن عبارتند از:
1- تئوری فشار سطحی
2- تئوری کاهش انرژی سطحی
3- تئوری نفوذ تنش زای هیدروژن
تئوری فشار سطحی
بر اساس این نظریه هیدروژن در شبکه کریستالی فولاد حل می گردد ولی با گذشتن از حد حلالیت، هیدروژن با پناه بردن به فضاهای خالی از هر نوع و با هر اندازه سعی در فرار از شبکه دارد. از آنجا که به طور قطع ساختار فولاد دارای نارسایی هایی در مرز دانه ها، ترکهای میکروسکوپی و فضاهای خالی در اطراف ذرات ناخلصی می باشد، مقداری از این هیدروژن، علیرغم کوچک بودن ابعاد این گسستگی ها، جذب آنها می گردد و پس از جذب از حالت اتمی به حالت ملکولی تبدیل می گردد.
تئوری کاهش انرژی سطحی
این نظریه بیان می دارد هیدروژن پس از جدا شدن از شبکه، توسط سطوح نارسایی های داخلی شبکه و ترکهای میکروسکپی جذب می گردند. براساس این مکانیزم هیدروژن جذب شده پس از واکنش با سمانتیت تولید یک فیلم نازک از متان نموده که به شدت سبب کاهش انرژی سطحی می شود. ازاینجا می توان پیش بینی نمود در فولادهای پر کربن تر حجم این واکنش بیشتر خواهد بود.
Fe3C + 4H CH4+ 3 Fe
پس از این اتفاق مقدار کم تنش هم قادر خواهد بود ترکهای موئینه میکروسکوپی را تا حد گسست گسترش دهد.
تئوری نفوذ تنش زای هیدروژن
دو تئوری قبل، با وجود تشریح قابل قبول پدیده تردی هیدروژنی، اما پدیده ترک خوردگی تاخیری را که در بسیاری از جوشهای جاذب هیدروژن پس از مدت زمان طولانی اتفاق افتاده اند را نمی تواند توجیه نماید. همچنین این پدیده را که ساختار ترد شده توسط هیدروژن را پس از باز پخت می توان با تبدیل هیدروژن ملکولی به هیدروژن اتمی و نفوذ و متصاعد شدن آن به حالت عادی برگرداند را نمی توانند توجیه نمایند.
تئوری جدید که امروزه همه آن را پذیرفته اند با این فرض شروع می شود که هیدروژن در شبکه اتمی فولاد وجود دارد و لزومی هم ندارد که مقدار آن آنقدر بالا باشد که به حد فوق اشباع برسد، در حقیقت همان گونه که در عمل هم اثبات شده است مقدار خیلی کم هیدروژن هم می تواند در فولادهای استحکام بالا سبب شکست شود.
در اثر اعمال تنش فاصله بین اتمها اندکی افزایش یافته که برای جذب هیدروژن اتمی کافی است. اتمهای جذب شده با یکدیگر تشکیل ملکول داده و فشار داخلی در موضع تشکیل ملکول به شدت بالا می رود. مثلا جذب 1cc/100grFe می تواند فشارهای داخلی را تا Ksi 200 بالا ببرد و این فشار داخلی به سهولت در ناحیه جذب تنشهای سه بعدی ایجاد نموده که نتیجه آن حساس شدن شدید ناحیه جذب به بروز ترک و شکستهای ترد می باشد.
بر اساس این نظریه شکنندگی وترک ناشی از هیدروژن در سه مرحله ایجاد می گردد:
1- باروری و پیدایش
2- رشد آرام
3- رشد سریع وگسترش ترک در تمامی مناطق
در مرحله باروری و پیدایش ترک، هیدروژن تحت نیروی رانشی که ناشی از گرادیان تنشی است حرکت می کند. هیدروژن میل به حرکت ومتمرکز شدن در مناطقی را داراست که غلظت تنشهای سه بعدی در آن مناطق بالا بوده ودر نتیجه نیروی چسبندگی فلز درآن مناطق کم خواهد بود، از این رو هیدروژن به راحتی می تواند در آن مناطق نفوذ نموده و با اعمال تنش ناچیزی به شبکه در آن مناطق متمرکز شود. این پدیده در فولادهای استحکام بالا که تحت تنشهای شدیدی می باشند. در غلظتهای کمتر هیدروژن نیز قابل انجام می باشد.
با رسیدن مقدار هیدروژن در این مناطق به یک سطح بحرانی، پیدایش ترک آغاز می شود. این ترک بلافاصله شروع به رشد کرده و رشد آن تا خارج منطقه پر تنش ادامه می یابد. در این نقطه استحکام فلز به قدری است که سد راه حرکت ترک شده و رشد آن بصورت موقت متوقف می شود. در اثر توقف هیدروژن این مکان را مناسب برای تجمع می یابد که در نتیجه تمرکز آن بالا رفته سبب افزایش تنش موجود و فائق آمدن بر استحکام جسم و در نهایت ادامه رشد ترک می شود. پس از رسیدن اندازه ترک به ابعاد بحرانی، ترک به سرعت رشد نموده که باعث بروز شکست و گسیختگی ناگهانی در کار می گردد.
تردی هیدروژنی تابع عوامل زیر است:
1- استحکام فولاد (تنشهای عملی)
مثلا در مورد فلزات با حدود 2100 مگا پاسکال استحکام کششی مقدار 1cc/100grFe هیدروژن هم خطرناک می باشد.
2- درجه حرارت بین 100- تا 90 درجه سانتیگراد
در کمتر از این دما سرعت هیدروژن آنقدر کم است که نفوذ نمی کند تا انباشته شود و در بالاتر از این دما نیز هیدروژن به سطح قطعه کار نفوذ نموده و متصاعد می گردد.
3- ضخامت جسم (زمان طولانی تر برای خروج هیدروژن)
4- ناهمگنی در ترکیب شیمیایی(تجمع تنش در فصل مشترک مناطق ناهمگون)
5- ناهمسانگردی در خواص مکانیکی
ترک سرد هیدروژنی
ترک سرد هیدروژنی مهمترین نوع ترک سرد می باشد که نتیجه مستقیم تردی هیدروژنی می باشد. اگر تنش اعمال شده به جسم از حدی بالاتر باشد این ترک بلافاصله رشد وسریعا منجر به شکست خواهد شد. ولی اگر از حدی کمتر باشد منجر به ترک تاخیری خواهد شد. این ترک بیشتر در HAZ وبه ندرت در فلز جوش اتفاق می افتد که به تفکیک به بررسی آنها خواهیم پرداخت.
ترک سرد هیدروژنی در منطقه HAZ
این ترکها به دو نوع اصلی تقسیم بندی می شوند:
1- ترک زیر گرده Under bead crack
2- ترک گوشه (کناره جوش)Toe crack
پس از خاتمه انجماد به دلیل ایجاد فریت دلتا در فلز جوش و وجود فاز آستنیت به دلیل حلالیت بالاتر هیدروژن در آستنیت نسبت به فریت، تمایل به نفوذ به طرف منطقه آستنیت را خواهد داشت دمای بالای موجود نیز به این مسئله کمک خواهد نمود، از این رو غلظت هیدروژن در داخل منطقه متاثر از حرارت به شدت بالا رفته واین منطقه شدیدا مستعد به تردی هیدروژن و در ادامه ترک سرد هیدروژنی خواهد شد.
به دلیل کم کربن بودن فلز جوش و نیز مهاجرت هیدروژن به سمت HAZ، خطر ایجاد این ترک در این نقاط کمتر خواهد بود تنها مورد، عیبی مشهور به چشم ماهی eye Fish می باشد که بصورت لکه های ریز سفید رنگ در زمینه شکست خاکستری رنگ می باشد. این ترک معمولا به دلیل تجمع هیدروژن در اطراف یک ناخالصی در فلز جوش ایجاد می گردد.
ترک سرد هیدروژنی در فلز جوش
راههای کنترل ترک سرد
1- کاهش سختی فلز جوش وHAZ با استفاده از الکترودهای فولادهای زنگ نزن آستنیتی و استفاده از الکترودهای با استحکام کمتر
2- استفاده از عملیات حرارتی پیش گرم وپس گرم
3- استفاده از فرآیندهای کم هیدروژن
نظیر استفاده از فرآیندهای گاز محافظ
یا استفاده از الکترودهای قلیایی
کم هیدروژن
با تشکر از حسن توجه شما