Projekt krajowy: OPUS FSW

Tytuł:
Analiza zmian mikrostrukturalnych zachodzących podczas zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału (FSW) stopów magnezu oraz stopów magnezu ze stopami aluminium i ich wpływ na własności mechaniczne połączeń

Nazwa programu: OPUS

Instytucja finansująca: Narodowe Centrum Nauki

Dofinansowanie dla Łukasiewicz ‒ GIT: 151 300,00 zł

Całkowita wartość projektu: 875 000,00 zł

Czas realizacji projektu:
24.07.2019 – 23.07.2023

Konsorcjum:

• Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie [Lider],
• Sieć Badawcza Łukasiewicz – Górnośląski Instytut Technologiczny,
• Uniwersytet Pedagogiczny im. Komisji Edukacji Narodowej w Krakowie

Kierownik projektu:
dr inż. Aleksandra Węglowska
Tel.: 32 33 58 329
E-mail: aleksandra.weglowska@git.lukasiewicz.gov.pl

Cel projektu:

Projekt dotyczy analizy zjawisk zachodzących podczas mieszania w stanie stałym stopów aluminium i magnezu. Mieszanie takie ma miejsce podczas łączenia stopów metali metodą FSW – zgrzewania z mieszaniem materiałów zgrzeiny.

Zasada procesu FSW polega na tym, że obracające się narzędzie ze specjalnie zaprojektowaną końcówką (trzpieniem) jest wprowadzone pomiędzy stykające się krawędzie łączonych płyt (dociskanych do siebie z dużą siłą) i przesuwane wzdłuż linii styku. Narzędzie spełnia dwie podstawowe funkcje: tarciowe nagrzewanie łączonych materiałów oraz wymieszanie materiału w trakcie tworzenia złącza. Ze względu na charakter przepływu materiału wokół trzpienia proces nie jest symetryczny. Po jednej stronie zgrzeiny przepływ materiału jest zgodny z kierunkiem przesuwu narzędzia, natomiast po drugiej kierunki jest przeciwny. Rozróżnienie tych stref jest bardzo ważne, ponieważ różnią się one między sobą wielkością odkształceń i naprężeń własnych, które wpływają z kolei na mikrostrukturę oraz własności mechaniczne połączenia. Proces zgrzewania zachodzi w stanie stałym bez przetopienia spajanych materiałów. Przepływ materiału wokół trzpienia jest zjawiskiem bardzo złożonym i nie w pełni poznanym. Podczas tego procesu materiał poddawany jest poddawany mechanicznemu wymieszaniu oraz intensywnemu odkształceniu plastycznemu w podwyższonej temperaturze, które rozciąga się także poza strefę mieszania (strefa cieplno-plastyczna). Dodatkowo na przekroju poprzecznym zgrzeiny występuje znaczny gradient temperatury rozciągający się poza strefę cieplno-plastyczną (strefa wpływu ciepła). Wynikiem tych czynników jest formowanie się bardzo złożonej mikrostruktury w zgrzeinie, wpływającej bezpośrednio na własności mechaniczne złącza.

Zmiany mikrostruktury związane są zarówno z procesami odkształcenia, zdrowienia i rekrystalizacji, jak również z przemianami fazowymi składników mikrostruktury, np. z wydzielaniem lub rozpuszczaniem faz międzymetalicznych. O ile zjawiska zachodzące podczas zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału w odniesieniu do stopów tego samego rodzaju są już na tyle poznane, aby metodę tę można było wykorzystywać w praktyce, to proces mieszania w stanie stałym różnoimiennych materiałów, w tym przypadku stopów aluminium i stopów magnezu, jest daleki od pełnego zrozumienia. Przyczyną tego jest zróżnicowanie własności mieszanych materiałów, takich jak temperatura topnienia, lepkość, własności mechaniczne i fizyczne.

Dogłębne poznanie i charakterystyka procesu mieszania różnych materiałów wymaga badań w różnej skali – od skali makro do skali nano. Dlatego badania będą prowadzone zarówno za pomocą rutynowych technik metalograficznych jak i najnowocześniejszych mikroskopów elektronowych transmisyjnych i skaningowych. Analizowane będą przemiany fazowe, procesy odkształcenia i rekrystalizacji oraz inne zmiany mikrostruktury wywołane narzędziem mieszającym. Prowadzone będą także badania własności mechanicznych poprzez analizę zmian twardości na przekrojach poprzecznych połączeń oraz analizę wyników z próby rozciągania. Próby rozciągania zostaną przeprowadzone także na mikropróbkach wycinanych z poszczególnych stref połączenia. Wyniki badań eksperymentalnych umożliwią opracowanie i weryfikację modeli numerycznych obserwowanych zjawisk.

Planowane badania dostarczą nową wiedzę o zjawiskach zachodzących w obszarze mieszania różnych materiałów w temperaturze niższej od temperatury topnienia badanych stopów.