مهندسی ساخت و تولید ایران

مهندسی ساخت و تولید ایران

اثر عملیات حرارتی تمپر و کوئنچ بر خواص مکانیکی و ریزساختار اتصال فولاد AISI 4130 به AISI 4340 با فرایند GTAW

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانش آموخته کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی عمران و منابع زمین، واحد تهران مرکز، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
2 استادیار، دانشکده مهندسی عمران و منابع زمین، واحد تهران مرکز، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
چکیده
فولادهایAISI 4130­ و AISI 4340 به دلیل مجموعه­ای از خواص مطلوب مانند استحکام بالا، انرژی ضربه مناسب، جوش‌پذیری مطلوب از پرکاربردترین فولادها در صنایع دفاعی و هوافضا به شمار می­ روند. در این پژوهش اثر دمای تمپر و نوع محیط خنک کننده بر روی خواص مکانیکی و ریزساختار مقطع جوش اتصال فولاد کم آلیاژ با کربن متوسط AISI 4340 به فولاد 4130 AISI بررسی گردید. ریزساختار جوش شامل فازهای مارتنزیت و فریت بود. ریزساختار مارتنزیت به همراه بینیت و فریت در منطقه HAZ هر دو فولاد مشاهده شد با این تفاوت که در منطقه HAZ فولاد AISI 4340 فریت سوزنی بیشتری جایگزین مارتنزیت شده و در منطقه HAZ فولاد AISI 4130 مارتنزیت کمتر نسبت به بینیت و افزایش کسر حجمی فریت مشاهده شد. نتایج استحکام تسلیم و استحکام نهایی نمونه‌ها نشان داد که با افزایش دمای تمپر، استحکام تسلیم و استحکام نهایی کاهش یافته است. مشاهده پروفیل سختی در منطقه جوش و منطقهHAZ  هر دو فلز نشان می­ دهد که با افزایش دمای تمپر از 250 به 450 درجه سانتی‌گراد بدلیل کاهش چگالی نابجائی­ ها در مرز دانه­ ها، سختی کاهش یافته است. نتایج ریزساختاری نشان داد، نمونه ­های سرد شده در محیط پلیمر، بدلیل تشکیل مارتنزیت بیشتر و آستنیت باقیمانده کمتر، از­ استحکام بالاتری برخوردار است. مقادیر استحکام نهایی، استحکام تسلیم و درصد ازدیاد طول در نمونه تمپر شده در دمای 250 درجه سانتی‌گراد و سرد شده در محیط خنک کننده پلیمر به ترتیب مقادیر 1705 مگاپاسکال، 1480 مگاپاسکال و 7.4 درصد می­ باشد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

The effect of temper heat treatment and quench environment on the mechanical properties and microstructure of AISI 4130 to AISI 4340 steel connection by GTAW

نویسندگان English

Mehdi MizabiAsl 1
Majid Belbasi 2
Mohammad Ammar Mofid 2
1 MSc Graduate, Faculty of Civil and Earth Resources Engineering, Central Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 Assistant Professor, Faculty of Civil and Earth Resources Engineering, Central Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
چکیده English

AISI 4130 and 4340 steels are among the most widely used steels in the defense and aerospace industries due to a set of desirable properties such as high strength, suitable impact energy, and desirable weldability. In this research, the effect of tempering temperature and the type of cooling inviroment on the mechanical properties and microstructure of the weld joint of low alloy steel with medium carbon 4340 to 4130 steel was investigated. The weld microstructure consisted of martensite and ferrite phases. The microstructure of martensite with bainite and ferrite was observed in the HAZ of both steels, in the HAZ of 4340 steel, more acicular ferrite replaced martensite, and in the HAZ of 4130 more acicular ferrite and less martensite, in the HAZ of 4130, martensite was observed. The results of the yield and Ultimate strength of the samples showed that with the increase in tempering temperature, the yield and ultimaite strength decreased. Observing the hardness profile in the weld zone and the HAZ of both metals shows that with the increase of the tempering temperature from 250 to 450 ℃, the hardness has decreased due to the decrease in the density of dislocations in the grain boundaries. Microstructural results showed that samples cooled in polymer have higher strength due to the formation of more martensite and less residual austenite. The values of ultimate strength, yield strength and percentage of elongation in the sample tempered at 250 ℃ and cooled in the polymer are 1705 Mpa, 1480 Mpa and 7.4%.

کلیدواژه‌ها English

AISI 4130
4340 Steels
Tempering Temperature
Cooling Environment
GTAW Welding
[1] Jandejsek I, Gajdoš L, Šperl M, Vavřík D. Analysis of standard fracture toughness test based on digital image correlation data. Engineering Fracture Mechanics. 2017 Sep 1;182:607-20. doi: 10.1016/j.engfracmech.2017.05.045
[2] Bakhshi S, Asadi Asadabad M, Bakhshi S, Bakhshi S. Influence of the heat treatment on the quantitative features of the fracture surfaces and the mechanical properties of AISI 4340 steel sheets. Ironmaking & Steelmaking. 2023 Mar 16;50(3):295-309. doi: 10.1080/03019233.2022.2107111
[3] Zare A, Ekrami A. Influence of martensite volume fraction on impact properties of triple phase (TP) steels. Journal of materials engineering and performance. 2013 Mar;22:823-9. doi: 10.1007/s11665-012-013-2 ]In Persian[.
[4] Chentouf SM, Jahazi M, Fortin R. Influence of the quench process on microstructure evolution in a landing gear steel. InASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition 2014 Nov 14 (Vol. 46569, p. V08BT10A068). American Society of Mechanical Engineers. doi: 10.1115/IMECE2014-38636
[5] Tomita Y. Morphology control of ductile second phase and improved mechanical properties in high-strength low-alloy steels with mixed structure. Journal of materials science. 1992 Apr;27:1705-15.
[6] Tomita Y, Okabayashi K. Improvement in lower temperature mechanical properties of 0.40 pct C-Ni-Cr-Mo ultrahigh strength steel with the second phase lower bainite. Metallurgical Transactions A. 1983 Feb;14:485-92. doi: 10.1007/BF02644225
[7] Puga-Patlán C, Lopez-Garcia RD, Medina-Juárez I, Maldonado-Reyes A, Reyes-Gallegos MM. Study of Cooling Medium Variables during Quenching in SAE 4340 Steel Using Statistical and Modeling Tools. Metals. 2023 Sep 20;13(9):1627. doi: 10.3390/met13091627
[8] Blaoui MM, Zemri M, Brahami A. Effect of Heat Treatment Parameters on Mechanical Properties of Medium Carbon Steel. Mechanics and Mechanical Engineering. 2018 Nov;22(4):909-18. doi: 10.2478/mme-2018-0071
[9] Vahdat SE, Nategh S, Mirdamadi S. Effect of microstructure parameters on tensile toughness of tool steel after deep cryogenic treatment. International journal of precision engineering and manufacturing. 2014 Mar;15:497-502. doi: 10/1007/s12541-014-0363-4 ]In Persian[
[10] Mehrabi A, Sharifi H, Asadi Asadabad M, Amini Najafabadi R, Rajaee A. Improvement of AISI 4340 steel properties by intermediate quenching–microstructure, mechanical properties, and fractography. International Journal of Materials Research. 2020 Sep 16;111(9):711-79. ]In Persian[
[11] Irving B. The challenge of welding heat-treatable alloy steels. Welding journal. 1995;74(2):43-8. [In Persian]
[12] Mirak A, Rezaimanesh M, Gaeeni M. Effect off heat input on the. microstructure and mechanical properties off the low alloy quench and tempered steel welded joint (AISI 4340). Metallurgical Engineering. 2019 Oct;22:225-38. doi: 10.22076/ME.2020.113138.1258 [In Persian]
[13] Mishler HW, Monroe RE, Rieppel PJ. Welding of high-strength steels for aircraft and missile applications. Defense Metals Information Center: Battelle Memorial Institute; 1959. doi: 10.21236/ada278522
[14] Talebi A, Bakhtiari R, Abbasi Khazaei B, Ghobeiti-Hasab M. Effect of tempering temperature microstructure and work hardening behavior of a triple-phase AISI 4140 steel. Journal of Iron and Steel Research. 2021 Sep;23-9. dio: 10.22034/IJISSI.2022.76669.1132
[15] Yudo H, Jokosisworo S. The effect of low tempering, medium tempering, and high tempering heating temperature variations in the type of medium carbon steel ST 60 on microstructure, hardness, and toughness. InIOP Conference Series: Materials Science and Engineering 2021 (Vol. 1052, No. 1, p. 012047). IOP Publishing. doi: 10.1088/1757-899X/1/012047
[16] Wang KL, Li X, Dong XJ. Effect of tempering temperature on mechanical properties and microstructures of 800MPa microalloy low carbon bainitic steel. Advanced Materials Research. 2014 May 8;893:406-9. doi: 10.428/www. Scientific.net/AMR.893.406
[17] Lim NS, Bang CW, Das S, Jin HW, Ayer R, Park CG. Influence of tempering temperature on both the microstructural evolution and elemental distribution in AISI 4340 steels. Metals and Materials International. 2012 Feb;18:87-94. doi: 10.1007/s12540-012-0011-4
[18] AWS D17. 1. Specification for Fusion Welding for Aerospace Applications. 2nd ed. 2010.
[19]­ Golzar MA. Principles and Applications of Heat Treatment of Steels. 2nd ed. Materials Engineering Isfahan University of Technology; 2014. [In Persian]
[20] Thompson SW. A two-tilt analysis of electron diffraction patterns from transition-iron-carbide precipitates formed during tempering of 4340 steel. Metallography, Microstructure, and Analysis. 2016 Oct;5:367-83. doi: 10.1007/s13632-016-0302-0
[21] He BB, Xu W, Huang MX. Increase of martensite start temperature after small deformation of austenite. Materials Science and Engineering: A. 2014 Jul 15;609:141-6. doi: 10.1016/j.msea.2014.04.108
[22] Akbarpour MR, Ekrami A. Effect of ferrite volume fraction on work hardening behavior of high bainite dual phase (DP) steels. Materials Science and Engineering: A. 2008 Mar 25;477(1-2):306-10. doi: 10.1016/j.msea 2007.05.051 [In Persian]
[23] Bakhtiari R, Ekrami A. The effect of bainite morphology on the mechanical properties of a high bainite dual phase (HBDP) steel. Materials Science and Engineering: A. 2009 Nov 15;525(1-2):159-65. doi: 10.1016/j.msea.2009.07.042 [In Persian]
[24] Dieter GE. Mechanical Metallurgy. 2nd ed. Mc Graw-Hill; 1976.
[25] Lu W, Herbig M, Liebscher CH, Morsdorf L, Marceau RK, Dehm G, Raabe D. Formation of eta carbide in ferrous martensite by room temperature aging. Acta Materialia. 2018 Oct 1;158:297-312. doi: 10.1016/j.actamat.2018.07.071