Korelacja własności mechanicznych z mikrostrukturą złącza FSW

Otrzymane wyniki własności mechanicznych złącza można bezpośrednio odnieść do jego mikrostruktury, a dokładnie do obecności różniących się mikrostrukturą stref złącza. Własności mechaniczne wyraźnie odzwierciedlają mikrostrukturę zgrzeiny i sąsiadujących z nią stref, wywołanych przez odkształcenie powiązane z cyklami ciepl-nymi pojawiającymi się podczas procesu. Poprzeczne profile twardości są istotnym po-czątkowym punktem do interpretacji zmian pojawiających się podczas zgrzewania. Wszystkie krzywe twardości mają charakterystyczny dla FSW kształt „litery W” (rys. 7.2.1). Taki kształt rozkładu twardości na przekroju złącza obserwowany jest w większości stopów aluminium obrabianych cieplnie [00Jat, 02Hei, 02Sat, 03Has, 05Rey, 05Yan, 07Dym]. Na podstawie profili twardości można wyróżnić poszczególne strefy złącza. Otrzymane złącza FSW charakteryzują się typową dla FSW zmianą mi-krostruktury na przekroju złącza [05Dut, 05Mis, 06Mro1, 07Mis, 09Thr, 10Mro]. Wy-różniono charakterystyczne obszary złącza, tj. zgrzeinę, strefę cieplno-plastyczną oraz strefę wpływu ciepła (rys. 7.1.3). Zmiany mikrostruktury wynikają z różnej cieplno-plastycznej historii poszczególnych obszarów. Zgrzeina poddana jest znacznemu od-kształceniu plastycznemu połączonemu z fizycznym przepływem materiału wokół trzpienia (mieszaniem) i istotnemu wzrostowi temperatury. Charakterystyczną cechą

osiowe o rozmiarze do 6 mikrometrów (rys. 7.6.5). Dominują tu granice szerokokątowe i mała gęstość dyslokacji [98Mah, 99Str, 99Sve, 03Su, 09Thr]. Na podstawie tych ob-serwacji można wywnioskować, że zgrzeina składa się z zrekrystalizowanych ziaren. Jednoczesna dynamiczna rekrystalizacja i ponowne wydzielanie cząstek drugiej fazy są odpowiedzialne za tworzenie się drobnoziarnistej struktury w zgrzeinie. Tworzą się podziarna, które następnie rozrastają się i w rezultacie powstają szerokokątowe granice ziaren. Na hamowanie rozrostu ziarna wpływa obecność dyspersyjnych cząstek Al3Zr w mikrostrukturze stopu 7136. Podstruktura dyslokacyjna, która tworzy się podczas zgrzewania z powodu silnego odkształcenia zanika gdy temperatura rośnie. Rhodes [03Rho] stwierdził, że za ostateczne zrekrystalizowane ziarno zgrzeiny z małą ilością dyslokacji odpowiedzialny jest rozrost ziarna, które powstało w wyniku zarodkowania podczas rekrystalizacji dynamicznej. Bardzo prawdopodobne jest również, że obecne podczas zgrzewania odkształcenie przyczynia się do procesu zdrowienia przed rekrysta-lizacją. Teorie te częściowo wyjaśniają małą gęstość dyslokacji w ziarnach zgrzeiny. Jednakże gęstość dyslokacji nie we wszystkich ziarnach jest jednakowa. W niektórych ziarnach ilość dyslokacji jest bardzo mała, w innych większa. Różnice w gęstości dys-lokacji w ziarnach mogą być związane z parametrami procesu [99Sat].

Zgrzeina zawiera dynamicznie zrekrystalizowane ziarno natomiast sąsiednia stre-fa cieplno-plastyczna charakteryzuje się odkształconymi podziarnami oddzielonymi od siebie granicami wąsko kątowymi (rys. 7.6.6). Wydłużone i większe ziarna w SCP (rys. 7.4.10) przypuszczalnie spowodowane są niższą temperaturą i niewystarczającą wielkością odkształcenia potrzebnego do rozpoczęcia rekrystalizacji. Obszary w naj-bliższym sąsiedztwie zgrzeiny poddawane są znacznemu odkształceniu, jednak materiał w tej strefie nie jest mieszany. Strefę tę charakteryzuje gradient obecnego tu odkształ-cenia, jak również gradient temperatury. To wywiera wpływ na mikrostrukturę – wy-dłużone ziarna zawierające dużą gęstość dyslokacji. Względnie duża gęstość dyslokacji potwierdza znaczącą aktywność dyslokacyjną w tym obszarze. W obszarze tym mogła zajść częściowa rekrystalizacja, a powstawanie granic wąskokątowych jest skutkiem procesu zdrowienia.

Strefa wpływu ciepła to obszar, w którym odkształcenie plastyczne nie występuje. Na mikrostrukturę ma tu wpływ tylko temperatura. W SWC ziarna są duże (rys. 7.4.11), wskazując, że wzrost temperatury przyczynia się do rozrostu ziarna lub nawet rekrysta-lizacji wtórnej.

_____________________________________________________________________________ Mikrostruktura materiału rodzimego zawiera bardzo drobne wydzielenia faz typu

η’− Mg(Zn,Cu,Al)2, η − MgZn2 oraz Al3Zr. Układ równowagi fazowej stopu o skła-dzie bardzo zbliżonym (8% Zn, 2% Cu, 0,3% Zr i 0 − 8% Mg) do składu stopu 7136 przedstawiono w załączniku 1. Proces FSW wpływa nie tylko na wielkość ziarna, ale także na rozmiar wydzieleń. W zgrzeinie panują korzystne warunki dla rekrystalizacji dynamicznej, a podczas chłodzenia – po przejściu narzędzia – może zajść ponowne wy-dzielanie drugiej fazy tworząc mikrostrukturę złożoną z drobnego zrekrystalizowanego ziarna i dwojakiego rodzaju wydzieleń: dużych, rozrośniętych w wyniku koagulacji oraz drobnych, wydzielonych ponownie. Jednakże z powodu koagulacji (ang. Ostwald ripening), wydzielenia rozrastają się i przestają wpływać na umocnienie. Wydzielenia w środku zgrzeiny nie tworzą typowej umacniającej fazy dyspersyjnej – są one większe niż w strefie wpływu ciepła. Duże wydzielenia w zgrzeinie, o średnicach większych niż 100 nm, zidentyfikowano jako cząstki na osnowie fazy MgZn2 (rys. 7.4.9). Dyfrakcyjną analizę rentgenowską umożliwił duży rozmiar cząstek w tym obszarze. Obserwacje SEM pokazały ich równomierne rozłożenie (rys. 7.4.7). W miarę oddalania się od środ-ka zgrzeiny w stronę materiału rodzimego duże cząstki pojawiają się z mniejszą często-tliwością i w końcu znajdują się tylko na granicach ziaren. Mikrostruktura zmienia się w sposób ciągły do strefy, w której odkształcenie plastyczne już nie występuje, czyli do obszaru SWC. Wzrost temperatury w tej strefie powoduje rozrost ziarna i koagulację wydzieleń umacniających. Wydzielenia fazy MgZn₂ rozrastają się wzdłuż granic ziaren, co prowadzi do utworzenia wokół granic stref wolnych od wydzieleń. SWC charaktery-zuje się strefami wolnymi od wydzieleń wokół granic ziaren z dużymi wydzieleniami na tych granicach. Taka mikrostruktura pojawia się w SWC i jest typowa dla warunków przestarzenia. W SWC obecne są także wydzielenia fazy bogatej w Cu i Fe (najprawdo-podobniej Al7Cu3Fe). Obserwowane wydzielenia fazy Al7Cu2Fe w SWC mają różny kształt, niektóre są w kształcie listew inne sferyczne. Wydzielenia w kształcie listew rozpuszczają się wraz ze wzrostem temperatury podczas FSW i następnie ponownie wydzielają i rozrastają do kształtów sferycznych podczas procesów cieplnych [03Su].

Ogromny wpływ procesu FSW na zmiany mikrostrukturalne potwierdziły także badania tekstury. Płyty użyte do łączenia były wyciskane. Ich tekstura (rys. 7.4.5) jest zbliżona do typowej tekstury walcowania metali o strukturze regularnej ściennie cen-trowanej, posiadających dużą wartość energii błędu ułożenia. Łączony materiał nie jest materiałem w pełni zrekrystalizowanym. Wskazuje na to zarówno tekstura, typu

tekstu-nami z wyraźnie wytrawionymi liniami płynięcia. Zachowanie charakteru tekstury od-kształcenia w strefie wpływu ciepła (rys. 7.5.2), wskazuje, że czas działania ciepła i temperatura wytworzona w tej strefie podczas procesu FSW nie są wystarczające do pełnej rekrystalizacji tych obszarów. Wpływ na opóźnienie procesu rekrystalizacji ma obecny w stopie cyrkon. Zauważalne jest prawie dwukrotne zwiększenie maksimum intensywności tekstury wskazujące na istotne zdrowienie materiału. Zmiany intensyw-ności składowych wskazują na częściową rekrystalizację materiału, dotyczącą głównie ziaren o orientacjach tworzących słabsze składowe tekstury odkształcenia. Tekstury obszarów SWC po obu stronach złącza są takie same, ponieważ w obszarach tych zmiana tekstury materiału wyjściowego jest wynikiem jedynie procesów cieplnych, które w skali makroskopowej są symetryczne. W obszarze SCP, skutkiem termopla-stycznego odkształcenia wywołanego przez proces FSW tekstura wyjściowa ulega istotnemu osłabieniu (rys. 7.5.2). W zgrzeinie tekstura zanika (rys. 7.5.2). Charaktery-styczny dla tej tekstury jest brak tak silnych składowych, jakie można było wyróżnić w teksturze odkształcenia charakterystycznej dla materiału łączonego oraz znaczna ilość stosunkowo słabych składowych, które można wyróżnić w tych obszarach, a których udziały objętościowe nie są większe od 4,5% (tab. 7.5.1). Wskazuje to na skompliko-wany charakter płynięcia materiału w obszarze zgrzeiny FSW. Brak tekstury w zgrze-inie potwierdza też rozkład granic międzyziarnowych zbliżony do kształtu linii McKen-zie’ego (rys. 7.6.7c).

Jak już wspomniano dyskutowane zmiany mikrostrukturalne powiązane są z cy-klami cieplnymi. W celu określenia wielkości temperatury powstającej w poszczegól-nych obszarach złącza trwają próby stworzenia modelu procesu. W ostatnich latach wiele prac dotyczących procesu zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału zgrze-iny skupia się właśnie na stworzeniu modelu procesu. W niektórych pracach starano się porównać przepływ materiału w strefie zgrzeiny z procesami przeróbki plastycznej, np. z wyciskaniem, i na tej podstawie zaproponowano model tworzenia się złącza [05Mis]. W szczególności Krishnan [02Kri] oraz Sutton i wsp. [02Sut] wysunęli hipotezę, że zgrzeina tworzy się wskutek wciskania materiału w strefę złącza podczas każdego obro-tu narzędzia (dotyczyło to zwłaszcza przypadku tworzenia charakterystycznego jądra zgrzeiny). Z kolei Seidel i Reynolds [03Sei] zaproponowali model FSW sformułowany w oparciu o mechanikę płynów. Każdy z tych modeli przewiduje pewne charaktery-styczne cechy mikrostruktury powstającej podczas FSW, lecz ma też pewne

ogranicze-_____________________________________________________________________________ teriale podczas łączenia. Zaproponowany model dotyczył stopów z serii 7xxx, a do-kładnie stopu 7136, dlatego w oparciu o przewidziane temperatury można było określić zmiany mikrostruktury związanej z rozpuszczaniem wydzieleń, ich ponownym wydzie-laniem i ich koagulacją. Wyniki modelu potwierdziły obserwacje mikrostrukturalne. Według modelu temperatura w zgrzeinie (ok. 314^oC) jest wystarczająca do rozpuszcze-nia i ponownego wydzielerozpuszcze-nia drugiej fazy. Im dalej od środka zgrzeiny tym temperatura niższa. (ok. 212^oC). Zgodnie z tymi temperaturami, rozpuszczanie i wydzielanie są ograniczone, więc zmniejsza się ilość dużych cząstek w porównaniu z zgrzeiną. We-wnątrz SWC, model termiczny przewiduje temperaturę zbliżoną do temperatury starze-nia stopu 7136-T76. Stąd faza umacstarze-niająca rozrasta się, bez rozpuszczastarze-nia i ponownego wydzielania.

Obserwacje mikrostruktury mogą uzasadnić zachowanie mechaniczne zgrzewa-nych tarciowo stopów. Zadziwiająco dobrą plastyczność zgrzeiny można wyjaśnić przez w pełni zrekrystalizowaną strukturę i przez duże cząstki drugiej fazy, które nie stanowią mocnej przeszkody dla przemieszczających się dyslokacji podczas odkształ-cenia. Próbki wytrzymałościowe ze zgrzeiny wykazują także wyższą granicę plastycz-ności i wyższą wytrzymałość na rozciąganie w porównaniu z próbkami z przekroju po-przecznego złącza. To sugeruje, że najbardziej podatna na uszkodzenia część zgrzanego materiału jest na zewnątrz zgrzeiny, po stronie spływu, gdzie wartości twardości są naj-niższe i gdzie następuje zerwanie próbki. Pękanie próbek po stronie spływu podczas próby rozciągania jest częstym zjawiskiem, które było wielokrotnie dyskutowane w pracach dotyczących połączeń FSW stopów aluminium [98Mah, 01Sat2, 07Dym]. Częściowe wyjaśnienie takiego zachowania może leżeć w różnym rozkładzie szeroko i wąskokątowych granic ziaren po stronie natarcia i spływu. Po stronie spływu gęstość granic ziaren wąskokątowych jest wyższa. To może ułatwiać proces odkształcenia i w ten sposób przyczyniać się do spadku twardości.

W pracy uzyskano ciekawe wyniki własności mechanicznych starzonych natural-nie (przez okres 3 lat) złącz FSW. Wyniki pomiaru twardości i próby rozciągania wska-zują, że bezpośrednio po zgrzewaniu powstaje przesycony roztwór, który podlega sta-rzeniu. Własności mechaniczne złącz po starzeniu naturalnym ulegają wzrostowi (rys. 7.7.2 i tab. 7.7.2) [03Lit, 03Nel, 10Ful].

W celu polepszenia własności złącz podejmowane są próby zastosowania różnego rodzaju obróbki cieplnej po procesie zgrzewania [98Mah, 00Jat, 00Mag, 03Li]. W

pra-cieplnej. Zaproponowano przesycanie, starzenie w temperaturze 121^oC przez 24 h, sta-rzenie 159 ^oC przez 9 h oraz ich kombinacje. Najlepsze efekty uzyskano dzięki wyko-naniu standardowej obróbki cieplnej badanego stopu (T76), polegającej na przesycaniu i dwustopniowym starzeniu. Własności złącza polepszają się, osiągając takie same wła-sności jak materiał rodzimy. Zastosowanie samego starzenia pozwala na wyrównanie twardości na całym przekroju zgrzeiny. Twardość materiału rodzimego spada wtedy do poziomu twardości zgrzeiny.