ویژگی های خستگی حرارتی ورق استیل آستنیتی نوع 309 برای منیفولدهای خودرو
مقدمه:
برای کاهش تأثیر گازهای خروجی اگزوز بر محیط زیست، بازده حرارتی روغن سوخت در موتورهای خودرو باید از طریق افزایش دمای احتراق بیش از 1000 درجه سانتیگراد بهبود یابد. بدیهی است که یک اثر حرارتی بدتر بر عمر مفید اجزای اگزوز، مانند منیفولدها وجود خواهد داشت. در سال‌های اخیر، ورق های استیل (فولاد ضد زنگ) به طور گسترده در سیستم های اگزوز خودرو برای برآورده کردن طول عمر بیشتر مورد استفاده قرار گرفته اند. به عنوان مثال، منیفولدهای اگزوز معمولاً با ورق های استیل آستنیتی (مانند AISI 304 و 309) و ورق های استیل فریتی (مانند AISI 441 و 444) ساخته می شوند. در سال های اخیر، ورق های استیل آستنیتی به دلیل استحکام بالا، مقاومت در برابر خوردگی و شکل پذیری برای قطعات مهندسی مختلف در صنایع خودروسازی مورد استفاده قرار گرفته اند.
آزمایش خستگی ورق استیل 309:
در طول آزمایش خستگی حرارتی، مکانیسم‌های تغییر شکل و خرابی برای اجزای اگزوز که در معرض دمای بالا قرار دارند بسیار پیچیده است. مکانیسم‌های شکست اولیه فلزات از خستگی، آسیب‌های محیطی و خزش ناشی می‌شوند. این آسیب ها ممکن است به تنهایی یا به صورت هم افزایی بر اساس شرایط عملیاتی مانند فاصله دما، نرخ کرنش و محدوده کرنش عمل کنند. در غیاب زمان نگهداری قابل توجه، شروع ترک و رشد بر خستگی غالب است، اما آسیب خزش در زمان‌های نگهداری طولانی‌تر تحت سلطه است. آقایان "دوا" و "سو" متوجه شدند که عمر خزش-خستگی در فلز پایه به طور مداوم با افزایش زمان نگهداری کاهش می یابد. هولدزورث و همکاران دریافتند که شکل پذیری خزش در تعیین میزان تعامل خزش-خستگی تأثیرگذار است. لیو و همکاران یک مدل صریح و یک معادله یکپارچه در مورد خزش-خستگی پیشنهاد کردند. علاوه بر این، سرکار و همکاران دریافتند که افزایش میانگین تنش منجر به تغییر حالت شکست خزشی از شکست خستگی به شکست خزشی می شود. کانگ و همکاران متوجه شدند که پیکربندی‌های نابجایی از خطوط نابجایی کم انرژی به سلول‌های نابجایی با انرژی بالا و سلول‌های دررفتگی در طول فرآیند خزش تکامل می‌یابند. در غیر این صورت، دامنه تنش تشدید شده و کاهش نرخ کرنش باعث افزایش آسیب خستگی می شود. علاوه بر این، نقش تخریب محیطی در خستگی حرارتی یک جزء مهم است. ترک خوردگی اکسید می تواند منجر به شروع ترک شود و عمر خستگی آلیاژها را در دماهای بالا کوتاه کند. دو مکانیسم مهم برای اکسیداسیون در دمای بالا برای افزایش انتشار ترک وجود دارد، یعنی اکسیداسیون مرز دانه به کمک تنش و شکنندگی دینامیکی.
.jpg)
کاربرد ورق استیل 309 در منیفولد خودرو:
امروزه از ورق استیل آستنیتی نوع 309 برای منیفولدها استفاده می شود، اما اطلاعات محدودی در مورد ویژگی های خستگی حرارتی آن در دماهای سرویس بالا وجود دارد. لوران و همکاران دریافتند که ورق های استیل آستنیتی دارای استحکام و مقاومت بالاتری در برابر خزش در دمای بالا نسبت به درجه فریتی هستند. وی و همکاران دریافتند که خستگی حرارتی ورق استیل 309 کمی بیشتر از ورق استیل 321 است اما بسیار کمتر از ورق استیل 441 می باشد. در این کار، رفتار خستگی حرارتی با آزمون‌های چرخه‌ای در دماهای مختلف مورد بررسی قرار گرفت. اثر خزش و اکسیداسیون بر شروع و انتشار ترک مشاهده شد. هدف درک نقش حداکثر دمای سرویس در عملکرد خستگی حرارتی ورق استیل 309 و ارائه اطلاعات اساسی برای کاربرد ورق استیل در منیفولدهای خودرو است.
نتیجه گیری:
از طریق آزمون‌های کششی و خستگی حرارتی در دمای بالای ورق های استیل آستنیتی نوع 309 ، نتایج زیر را می‌توان گرفت:
(1) با تغییر دمای ماکزیمم از 800 به 900 درجه سانتیگراد، استحکام کششی در دمای بالا و عمر خستگی حرارتی ورق استیل 309 به میزان زیادی کاهش می یابد و به ترتیب به حدود 37.7٪ و 56.6٪ می رسد.
(2) پس از آزمایش‌های خستگی حرارتی، نمونه‌های شکست، شکستگی ادغام حفره‌های کوچک ناشی از خزش در فرآیندهای نگهداری دمای ماکزیمم را نشان می‌دهند و ویژگی شبه برش با کاهش دمای ماکزیمم از 900 به 800 درجه سانتیگراد ظاهر می‌شود.
(3) ترک‌های خستگی عمدتاً با تشکیل حفره‌ها در امتداد مناطق مرزی دانه شروع و منتشر می‌شوند. لایه‌های اکسید معیوب تشکیل‌شده در ترک‌ها، انتشار را در طول چرخه‌های حرارتی تسهیل می‌کند.
(4) با افزایش دمای ماکزیمم از 800 به 900 درجه سانتیگراد در آزمایش های چرخه ای، اثرات مقاومت در دمای بالا، رشد دانه، خزش و اکسیداسیون با هم افزایش می یابد و منجر به شکست خستگی حرارتی تسریع شده ورق استیل 309 می شود.
(5) تا آنجا که به حداکثر دمای سرویس بالاتر منیفولدهای خودرو مربوط می شود، این یک جهت مهم برای بهبود عمر خستگی حرارتی ورق های استیل با افزایش استحکام در دمای بالا و مقاومت در برابر اکسیداسیون آنها است.
گردآورنده: سید رحیم کیاحسینی