Strefa wpływu ciepła – SWC

Mikrostruktura SWC jest bardzo zbliżona do materiału rodzimego (rys. 7.4.11a). Na rysunku 7.4.11b widoczne są wydzielenia na granicach ziaren – prawdopodobnie są to cząstki typu Mg(Zn,Cu,Al)2 lub MgZn2 (analiza EDS). W SWC obecne są również nierównomiernie rozmieszczone w objętości materiału duże wydzielenia (rys. 7.4.11b), typu Al7Cu2Fe (analiza EDS). W mikrostrukturze strefy wpływu ciepła podobnie jak w materiale rodzimym nie obserwowano dyslokacji, ale stwierdzono obecność granic podziarn. Rysunki 7.4.11c i e pokazują typowe mikrostruktury z wydzieleniami w stre-fie wpływu ciepła. Wydzielenia wewnątrz ziaren są równomiernie rozmieszczone. W porównaniu z materiałem rodzimym, w SWC wydzielenia są większe, a strefy wolne od wydzieleń około 5 razy szersze.

Rys. 7.4.11. Mikrostruktura strefy wpływu ciepła: a) struktura ziarnowa, LM; b) struktura ziarnowa z wydzieleniami na granicach ziaren, SEM; c-d) wydzielenia we-wnątrz ziaren i na granicach ziaren, TEM; e) wydzielenia na granicy ziaren i strefy wol-ne od wydzieleń, TEM; f) wydzielenia wewnątrz ziarna, TEM.

_____________________________________________________________________________

Rys. 7.4.12. Wydzielenia w ziarnach w SWC: a) mikrostruktura; b) dyfrakcja z wydzieleń; c) schemat dyfrakcji na podstawie [99Sti]; TEM.

Na rysunku 7.4.12a widoczne są różnego rodzaju wydzielenia w jasnym polu wi-dzenia. Wydzielenia wewnątrz ziaren zostały zidentyfikowane na podstawie dyfrakcji elektronowej (rys. 7.4.12b i c) oraz literatury [76Mon, 99Sti, 03Su]. Ujawniono obec-ność fazy η’, η oraz Al₃Zr.

SWC posiada strukturę podziarnową. Proces wydzielenia niektórych faz ma miej-sce na granicach podziarn. Na rysunku 7.4.13 a i b przedstawiono odpowiednio wydzie-lenia w jasnym i ciemnym polu widzenia na granicy podziarnowej. Wydziewydzie-lenia te zo-stały zidentyfikowane na podstawie dyfrakcji elektronowej (rys. 7.4.13c-d) jako faza η. W strefie wpływu ciepła za pomocą TEM zaobserwowano także duże wydzielenia fazy bogatej w miedź i żelazo (rys. 7.4.11). Jest to najprawdopodobniej faza Al₇Cu₂Fe, często spotykana w stopach z serii 7xxx [76Moh, 91Wag, 96Sta, 98Muk]. Zwrócono uwagę na dwa rodzaje kształtu wydzieleń Al₇Cu₂Fe. Niektóre wydzielenia tej fazy mia-ły kształt listwy, a inne kształt sferyczny.

Rys. 7.4.13. Wydzielenia na granicach podziaren: a) jasne pole widzenia; b) ciemne pole widzenia; c) dyfrakcja z wydzieleń; d) schemat dyfrakcji na podstawie [99Sti]; TEM.

_____________________________________________________________________________ 7.5. Tekstura złącza

W obszarze złącza tekstura materiału ulega istotniej zmianie. Wskazują na to figu-ry biegunowe wyznaczone w wybranych obszarach złącza w warstwie materiału odle-głej o ok. 1 mm od górnej powierzchni łączonych płyt. Położenie poszczególnych ob-szarów pomiarowych zostało schematycznie zaznaczone na rys. 7.5.1. Obszary pomia-rowe o średnicy ok. 2 mm rozmieszczone są wzdłuż kierunku prostopadłego do kierun-ku zgrzewania i obejmują poszczególne strefy: strefę wpływu ciepła (SWC), strefę od-kształcenia cieplno-plastycznego (SCP) oraz zgrzeinę. Na rysunku 7.5.2 zaprezentowa-no figury bieguzaprezentowa-nowe oraz odwrotne figury bieguzaprezentowa-nowe dla kierunku zaprezentowa-normalnego wyzna-czone w wybranych obszarach.

Tekstura badanych obszarów SWC (obszar 1 i 7) jest bardzo podobna do tekstury łączonych płyt. Maksimum intensywności zarejestrowane na figurach biegunowych wzrosło do ok. 22,95. Ponadto istotnie zwiększyły się udziały składowych {213}<364> i {110}<112> odpowiednio o ok. 30 − 50% i 130 − 160% przy równoczesnym zaniku słabszych składowych tekstury odkształcenia.

Rys.7.5.1. Schemat powierzchni próbki z zaznaczonymi obszarami pomiarowymi.

Rys.7.5.2. Analiza tekstury poszczególnych obszarów złącza: a) Figury biegunowe; b) Odwrotne figury biegunowe dla kierunku normalnego.

Bardziej wyraźne zmiany tekstury rozpoczynają się w obszarze SCP (obszar 2 i 6). W obszarze tym tekstura wyjściowa ulega istotnemu osłabieniu. Objawia się to ponad 50% osłabieniem intensywności składowych {213}<364> i {110}<112>, które dominują w teksturze materiału wyjściowego, zmniejszają się o ponad 50%. Tekstura materiału rodzimego praktycznie zanika w obszarze zgrzeiny (obszar 3, 4 i 5). Brak tu

silnych składowych, jakie można było wyróżnić w teksturze odkształcenia materiału rodzimego. W obszarze zgrzeiny można wyróżnić kilka słabych składowych, których udziały objętościowe nie są większe niż 4,5% (tab. 7.5.1).

Warto zwrócić uwagę na obrót tekstury obszaru zgrzeiny wokół KN (rys. 7.5.2). Wokół tego samego kierunku następuje obrót narzędzia. W miarę przesuwania się od strony natarcia w kierunku strony spływu tekstura obraca się w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu wskazówek zegara.

Tablica 7.5.1. Zidentyfikowane składowe tekstury, obliczone na podstawie FRO przy założonym rozmyciu obszaru całkowanego δφ₁ = δψ = δφ₂ = 10°.

Zidentyfikowane orientacje Obszar analizy

(hkl)<uvw> Udział objętościowy, [%]

{213}<364> 38,6 Obszar 1 {110}<112> 14,5 {213}<364> 10,6 {110}<112> 2,5 Obszar 2 {111}<112> 1,2 {213}<364> 3,8 {123}<412> 2,5 {323}<131> 1,4 Obszar 3 {525}<151> 1,2 {323}<131> 4,2 {001}<110 > 4,0 {525}<151> 3,3 {111}<110> 2,1 {113}<110> 2,1 {112}<110> 2,0 Obszar 4 {122}<221> 1,6 {213}<364> 4,0 {001}<100> 3,8 {110}<111> 2,1 Obszar 5 {111}<112> 1,7 {213}<364> 12,1 {110}<112> 2,2 {111}<112> 1,7 Obszar 6 {323}<313> 1,5 {213}<364> 32,4 {110}<112> 16,1 Obszar 7 {123}<412> 2,0

_____________________________________________________________________________ 7.6. Analiza EBSD

Poniżej zaprezentowano wyniki analizy obszaru zawierającego granicę zgrzeiny ze strefą cieplno-plastyczną, zarówno po stronie natarcia, jak i spływu (rys. 7.6.1 i 7.6.2).

Rys. 7.6.1. Mapa orientacji ziaren po stronie natarcia a) kierunek wyciskania; b) kierunek normalny.

Rys. 7.6.2. Mapa orientacji ziaren po stronie spływu a) kierunek wyciskania; b) kierunek normalny.

Wyniki przedstawiono w postaci map orientacji krystalograficznej poszczegól-nych ziaren dla kierunku walcowania i kierunku normalnego. Dzięki zaprezentowaniu wyników orientacji ziaren dla poszczególnych kierunków można dokładnie rozróżnić granice ziarn i podziarn. Na rysunkach 7.6.1 i 7.6.2 wyraźnie widać, że zgrzeina posiada drobnoziarnistą strukturę o równoosiowym ziarnie. W strefie cieplno-plastycznej można zauważyć wzrost wielkości ziarna. Ziarna w SCP są nie tylko większe, ale także

_____________________________________________________________________________ Na kolejnych rysunkach (rys. 7.6.3 i 7.6.4) zaprezentowano teksturę wybranych obszarów złącza. Teksturę opisano za pomocą figur biegunowych.

Rys.7.6.3. Figury biegunowe z wybranych obszarów złącza po stronie natarcia.

Obszar o drobnym ziarnie – obszar zgrzeiny (rys. 7.6.3 obszar 4) charakteryzuje się bardzo słabą teksturą. Maksymalna intensywność nie przekracza 3. Znacznie silniej-sza tekstura występuje w gruboziarnistym obsilniej-szarze − obszarze strefy cieplno-plastycznej (rys. 7.6.3 obszar 1 i 2). Dla obszaru tego maksymalna intensywność wyno-si ok. 8. Wyniki EBSD pokazały, że zmiana tekstury materiału łączonego wokół kie-runku normalnego do płaszczyzny blachy (KN) oraz wokół kiekie-runku leżącego w płasz-czyźnie blachy występuje w obszarze o stosunkowo grubym ziarnie wydłużonym w kierunkach zbliżonych do kierunku normalnego do powierzchni łączonych blach. Zmiana tekstury następuje w bardzo wąskim obszarze w którym zaczynają pojawiać się

tekstur wyznaczanych w obszarach na różnej grubości próbki (rys. 7.6.3 obszar 1 i ob-szar 2).

Rys.7.6.4. Figury biegunowe z wybranych obszarów złącza po stronie spływu.

Tekstury obszarów po stronie spływu (rys. 7.6.4) są słabsze od tych wyznaczo-nych w obszarze po stronie natarcia (rys. 7.6.3), natomiast zmiana wielkości ziarna i towarzyszące jej zmiany tekstury zachodzą w znacznie szerszym obszarze niż po stro-nie natarcia. W miarę pojawiania się w mikrostrukturze ziaren o większych wymiarach tekstura stopniowo wyostrza się (maksymalna intensywność wynosi powyżej 4).

_____________________________________________________________________________

Rys. 7.6.5. Histogram rozkładu wielkości ziarna w zgrzeinie.

Analiza EBSD pozwoliła na określenie rozmiaru ziarna w zgrzeinie. Zgrzeina po-siada drobne ziarno rzędu 2 – 4 µm (rys. 7.6.5). Wielkość ziarna w strefie cieplno-plastycznej, ze względu na jego wydłużony kształt oszacowano na podstawie zaprezen-towanych map (rys. 7.6.1 i 7.6.2). Zwrócono uwagę na to, że kształt ziarna zależy od jego położenia względem zgrzeiny. Po stronie spływu ziarno jest w przybliżeniu rów-noosiowe, natomiast po stronie natarcia ziarno jest mocno wydłużone w kierunku w przybliżeniu prostopadłym do powierzchni złączonych płyt. Stosunek średnich cięciw ziarna w kierunku prostopadłym do powierzchni złącza oraz kierunku równoległym do powierzchni złącza i prostopadłym do kierunku zgrzewania (tzw. współczynnik kształ-tu) wynosi ok. 3. Obszar przylegający do zgrzeiny charakteryzuje się znacznie więk-szym ziarnem. W obszarze przylegającym do zgrzeiny i leżącym po stronie natarcia

średnia wielkość ziarna jest rzędu 30 – 40 µm, zaś współczynnik kształtu ziarna jest

rzędu 3. Po tej stronie zgrzeiny zmiana wielkości ziarna występuje na szerokości ok. 100 µm. Po stronie spływu, zmiana wielkości ziarna następuje w znacznie szerszym obszarze (ok. 600 µm).

Oprócz wielkości ziarna i tekstury istotnie różnią się rozkłady dezorientacji granic ziaren obszaru analizowanych obszarów. Metoda EBSD dostarczyła dodatkowych in-formacji odnośnie charakteru granic ziaren w poszczególnych obszarach. Technika ta umożliwiła pomiar kąta dezorientacji ziaren poszczególnych obszarów, dzięki czemu można było uzyskać statystycznie istotne dane ilościowe. Na rysunku 7.6.6 zaprezento-wano rozkład granic ziaren w zgrzeinie i SCP po stronie natarcia i po stronie spływu.

Kolorem czerwonym zaznaczone zostały granice wąskokątowe, czyli o kącie dezorien-tacji mniejszym niż 15^o, natomiast kolorem czarnym oznaczone są granice szerokoką-towe (kąt dezorientacji większy od 15^o). Zgrzeina posiada duży udział granic szeroko-kątowych.

Rys. 7.6.6. Mapy rozkładu granic ziaren: linie czerwone – granice wąskokątowe; linie czarne – granice szerokokątowe; a) strona natarcia; b) strona spływu.

Udział poszczególnych granic ziaren w poszczególnych obszarach przedstawio-no w postaci histogramu (rys. 7.6.7). W strefie cieplprzedstawio-no-plastycznej można zauważyć wzrost udziału granic wąskokątowych (z przedziału 2 – 20^o). SCP po stronie natarcia posiada wysoką częstość granic wąskokątowych (< 8^o). Natomiast strefa cieplno-plastyczna po stronie spływu wykazuje większą częstość występowanie granic średnio-kątowych (8 – 30^o). W zgrzeinie dominują granice ziaren o kącie dezorientacji 22– 60^o.

_____________________________________________________________________________

Rys. 7.6.7. Histogramy rozkładu granic ziaren a) w strefie cieplno-plastycznej po stro-nie natarcia; b) w strefie cieplno-plastycznej po strostro-nie spływu; c) w zgrzeistro-nie; d) ze-stawienie.

Na wykresach (rys. 7.6.7a-c) oprócz rozkładu ziaren w postaci histogramu za-mieszczono również linie McKenzie’ego. Krzywa ta określa rozkład granic ziaren w nieteksturowanym polikrysztale o strukturze regularnej [58McK]. W zgrzeinie (rys. 7.6.7c) rozkład granic ziaren jest zbliżony do kształtu linii McKenzie’ego.

7.7. Własności mechaniczne złącz FSW po obróbce cieplnej