ترک گرم در جوشکاری
ترک گرم در جوشکاری یـک ناپیوسـتگی از نـوع شكسـت اسـت كـه حـین انجمـاد فلـز جـوش یـا سـرد شـدن آن در منطقـه متـاثر از حـرارت رخ مـیدهـد. بـر اسـاس محـل و دماهـای تشـكیل آن دارای سـه نـوع تـرک انجمــادی (Crack Solidification)، تــرک ذوبــی (Crack Liquation) و تــرک افــت انعطــاف پــذیری (DDC) اســت.
تــرک انجمــادی در فلــز جــوش و تــرک ذوبــی در منطقــه ذوب جزیــی رخ داده و هــر دو در محــدوده دمــای تــردی فلــز جوش (BTR) یا در محدوده دمای تردی كـه تـا دمـای یوتكتیـک گسـترش یافتـه، اتفـاق مـیافتـد. تـرک افـت انعطـاف پـذیری، بیشـتر در فلـزات بـا سـاختار FCC در فلـز جـوش یـا در منطقـه متـاثر از حـرارت، در محـدوده دمـای افـت انعطـاف پذیری (DTR) اتفاق مـیافتـد. عـواملی از قبیـل دامنـه انجمـاد، فـاز اولیـه انجمـاد، كشـش سـطحی مـذاب در مـرز دانـههـا، مقدار و توزیع مذاب حین انجماد نهایی، سـاختار دانـه فلـز جـوش، تـنشهـای انقباضـی و هندسـه جـوش بـر حساسـیت فلـز جوش به ترک گرم موثر است.
انواع ترک گرم
ترک انجمادی
تـرک انجمــادی معمــولاً در خــط مركــزی فلــز جــوش در حــال انجمــاد و در محــدوده دمــای تــردی فلــز جــوش (BTR) اتفـاق مـیافتـد. بـه دلیـل غلظـت بیشـتر عناصـر در جلـوی جبهـه انجمـاد، دمــای مــذاب جبهــه انجمــاد، كمتــر از دمــای انجمــاد كــل مــذاب اســت.
در صــورتی كه ضــریب جــدایش بیشــتر از یــک باشد، مـذاب بـاقی مانـده حـین انجمـاد، مـیتوانـد بین دانهها جاری شـده و یـک لایـه نـازک در مـرز دانـههـا تشـكیل دهـد. انقبـاض منـاطق انجمـاد یافتـه و نیـز انقبـاض فلـز پایـه هنگـام سـرد شـدن، باعـث وارد شـدن تـنشهـای كششی از دو طـرف بـه لایـههـای مـذاب شـده و در صـورتی كــه مقــادیر تــنشهــای انقباضــی بیشــتر از یک باشد این تنشها میتواننـد لایـههـای نـازک مـذاب موجـود در مــرز دانــههــا را بــاز و تــرک انجمــادی را تشــكیل دهند.
در واقـع تشـكیل تـرک انجمـادی، رقابـت بین مقاومت ماده بـه تـرک و نیروی محركـه تـرک حـین انجمـاد فلــز جــوش اســت. پــارامتر تعیــین كننــده مقاومــت مــاده، نمــودار انعطــاف پــذیری در BTR، حــین انجمــاد اســت. در حــالی كــه پــارامتر تعیــین كننــده نیــروی محركــه تــرک، كــرنشهــای مكــانیكی انباشــته شــده در BTR اســت كــه هـر دو پـارامتر، تـابعی از دمـا هسـتند. تـرک انجمـادی زمـانی اتفـاق مــیافتــد كــه نیروی محركــه تــرک بزرگتــر از مقاومــت ماده به ترک در BTR شود.
ترک ذوبی
بــا عبور منبــع حرارتــی، مــذاب یوتكتیــک تشــكیل شــده از منــاطق ذوب شده با گسترش در مرزدانههـا یـا بـا تشـكیل حوضـچههـای مذاب درون دانهها، شـرایطی شـبیه تـرک گـرم را بـه وجـود مـیآورد كـه در نهایـت باعـث تـرک ذوبـی خواهـد شـد. تــرک ذوبــی نســبت بــه تــرک انجمــادی محدودكننــدهتــر است. چون در فلـز پایـه اتفـاق مـیافتـد و تركیـب شـیمیایی آن در فراینــد جوشــكاری تحــت كنتــرل نیســت.
ترک افت انعطاف پذیری
این نوع ترک یـک پدیـده حالـت جامـد بوده كـه ناشـی از افـت ناگهـانی انعطـاف پـذیری در دمـایی بـالاتر از نصـف نقطـه ذوب مـاده است. ترک بـه دلیـل جـدایش ناخالصـیهـا در مـرز دانـه یـا تــنشهــای موضــعی مــرز دانــهای تولیــد شــده توســط رســوبات اســت. پارامترهــای مــوثر بــر این نوع ترک شامل تركیــب شــیمیایی فلــز جــوش، ناخالصــیهــا، موانع و مهاجرت مـرز دانـههـا، جـدایش در مـرز دانـههـا و جهت گیـری مـرزدانـه نسـبت بـه كـرنشهـای اعمـالی است.
در جوشـــكاری فولادهای زنـگ نـزن آسـتنیتی تشـكیل تركیبـات یوتكتیـک زود ذوب باعـــث تشـــكیل تـــرک گـــرم خصوصـــاً از نـــوع انجمـادی و DDC خواهـد شـد. ممكـن اسـت در جوشـكاری، چنـد پاسـی از طریـق ذوب مجـدد و افـزایش حـرارت ورودی، بتــوان از تــرک انجمــادی جلــوگیری نمــود امــا در شــرایط تـنشهـای خسـتگی و خسـتگی خـوردگی ،DDC نیـاز بـه توجه بیشتر دارد.
مورفولوژی سطح شكست ترک گرم
اســـتفاده از میكروســـكوپ الكترونـــی روبشـــی (SEM) و طیف سنجی تفكیـک انـرژی (EDS) نشـان مـیدهـد سـطح شكسـت حاصـل از تـرک انجمـادی، اغلـب دارای مورفولـوژی دندریتی بـا لایـهای از یوتكتیـک زود ذوب بوده كه گاهی همراه بـا حفـرات و گسـیختگی در پـلهـای فلـزی است.
عوامل حساسیت به ترک گرم
جدایش و دامنه انجماد
هر چه محدوده دمایی انجمـاد بیشـتر باشـد منطقـه ضـعیف و حساس به ترک خوردن انجمادی نیز وسیعتر خواهد بـود. در فولادها و آلیاژهای پایه نیكل جـدایش ناخالصـیهـا (خصوصـاً گوگرد و فسفر) و عناصر آلیاژی (مانند تیتـانیوم و نیوبیـوم) در مرز دانه و تشكیل تركیبات بـا نقطـه ذوب پـایین، همچنـین وقوع واكنشهای یوتكیتیک پس از انجمـاد (مـثلاً در سـوپر آلیاژهای حاوی نیوبیوم) باعث گسترش دامنه انجماد و تشویق تشكیل ترک انجمادی خواهد شد.
همچنـین در فولادهـای زنـگ نـزن آستنیتی و دو فازی، ذوب ناشی از جـدایش عناصـر آلیـاژی یـا ناخالصیها به درون مرز دانهها، باعث كـاهش نقطـه ذوب مرز دانهها شده و عامل تـرکهـای ذوبـی اسـت. البتـه در برخی آلیاژها مانند آلیاژهای پایه نیكل ذوب شدن بـه تنهـایی برای نفوذ مایع در مرز دانهها كافی نیست و مهاجرت مرزهای دانــه نیــز لازم اســت.
كشش سطحی مذاب
كشــش ســطحی كــم مــذاب، باعــث تشــكیل لایــه پیوســته مذاب در مـرز دانـه خواهـد شـد. هر چـــه زاویـــه تمـــاس مـــذاب مرزدانـــهای در آلیاژهـــای آلومینــویم بیشــتر و مورفولــوژی آنهــا كــرویتــر باشــد حساسیت به ترک خوردن انجمادی كاهش مییابد.
ریز ساختار
ریـز سـاختار دنـدریتی هـم محـور بـا مقـدار زیـاد مـذاب در بین دانـههـا بسـیار راحـتتـر از سـاختار دنـدریتی سـتونی درشت تغییر شكل میدهد. ریـز سـاختار بـا دانـههـای هـم محور ریز، بـه دلیـل انعطـاف پـذیری بیشـتر در برابـر كـرنشها، امكـان تغذیـه مـوثرتر مـذاب و تـرمیم تـرکهـای اولیـه، حساســیت كمتــری نســبت بــه تــرک گــرم دارند. همچنــین دانـههـای ریـز بـه دلیـل سـطح دانـه بیشـتر، امكـان تجمـع كمتــر عناصــر مضــر در مــرز دانــه را فــراهم مــینماینــد.
برخورد دانـههـای سـتونی رشـد كننـده از جهـات مقابـل در حوضچه جوش اشـكی شـكل و تشـكیل لایـه مـذاب پیوسـته از جــدایشهــای بــا نقطــه ذوب پــایین در خــط مركــزی جــوش، حساســیت بــه تــرک انجمــادی در خــط مركــزی جوش را نسبت بـه جـوشهـای بـا حوضـچه جـوش بیضـوی شكل تشدید مینماید.
تنشهای انقباضی
بدون حضور تـنشهـای كششـی، هـیچ تـرک گرمـی وجـود نخواهـد داشـت. منشـاء ایـن تـنشهـای كششـی اخـتلاف میـزان انقبـاض فلـز جـوش و انقبـاض فلـز پایـه است. انقبــاض فلــز جــوش ناشــی از انقبــاض حرا رتــی و انقبــاض ناشـی از انجمــاد اســت. در تــنشهــای انقباضــی ضــریب انبســاط فلــز جــوش خیلــی مهــم اســت. ضــریب انبســاط سـاختار آسـتنیتی ۱/۵ برابر بیشـتر از سـاختار فریتـی اسـت پــس تمایــل بــه تــرک گــرم در ســاختار آســتنیتی خیلــی بیشــتر اســت. بــه همــین دلیــل فــولاد زنــگ نــزن آسـتنیتی مسـتعد تـرک انجمـادی اسـت. امـا تـرک خـوردن انجمــادی در آلیاژهــای آلومینیــوم (مخصوصــاً آلیاژهــای بــا دامنه انجماد وسیع) بـه دلیـل ضـریب انبسـاط حرارتـی زیـاد و انقبــاض زیــاد ناشــی از انجمــاد جــدیتــر اســت.
اســتفاده از منبــع حرارتــی بــا شــدت زیــاد باعــث كــاهش پیچیـدگی قطعـه كـار و كـاهش كـرنشهـای حرارتـی مـیشود. استفاده از مهار كـم و پیشـگرم مناسـب نیـز مـیتوانـد باعث كـاهش ایـن كـرنشهـا شـود.
هندسه جوش
جوش گلویی تـک پاسـه بـا پروفیـل مقعـر، بـه دلیـل كشـیده شـــدن از طـــرف گوشـــه و ریشـــه جـــوش، حساسـیت بیشـتری بـه تـرک انجمـادی نسـبت بـه پروفیـل محـدب دارد. در جـوشهـای لـب بـه لـب چنـد پاسـه نیـز در صورتی كه پـاسهـای جـوش عـریض و مقعـر باشـند، تـرکهای انجمـادی از سـطح شـروع مـیشـود. همچنـین جـوشهـای باریـک عمیـق كـه معمـولاً در جوشـكاریهـای پرتـو الكترونی و جوشـكاری زیر پـودری ایجـاد مـیشـود، بـه دلیـل زاویـه تنـد بـین دانـههـای سـتونی و رسـیدن آنهـا در خـط مركـزی جـوش بـه یكـدیگر، بـه تـرک انجمـادی حسـاستـر است.