Florencia Cioffi
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ESTUDIO DE LA MICROESTRUCTURA, LAS PROPIEDADES MECÁNICAS Y LAS TENSIONES
RESIDUALES EN UN CHAPÓN DE ALEACIÓN AA7075 SOLDADO POR FRICTION STIR WELDING
Directores:Dr. Gaspar González-DoncelDr. Ricardo FernándezDepto. de Metalurgia Física (CENIM-CSIC) Madrid, junio 2012
Máster en Ciencia e Ingeniería de MaterialesUniversidad Carlos III de Madrid
Florencia Cioffi
ÍNDICE
1. Introducción y objetivos2. Materiales y procedimiento3. Resultados4. Conclusiones y trabajo futuro
Introducción y objetivos
Materiales y procedimiento Resultados Conclusiones y
trabajo futuro
Técnica de Friction stir welding
Principios
Variables
Velocidad de rotación Velocidad de avance Esfuerzo vertical Ángulo de inclinación del pin Geometría y material de la herramienta
Ventajas• No se produce fusión del material• Muy buen acabado superficial• No hay material de aporte, ni líquidos, ni humos tóxicos• Fácilmente automatizable
Video
Introducción y objetivos
Materiales y procedimiento Resultados Conclusiones y
trabajo futuro
Objetivos
o Evaluar el efecto del proceso de FSW en la microestructura de la aleación AA7075 o Correlacionar las microestructuras obtenidas con las propiedades mecánicaso Determinar el estado de tensiones residuales resultante
Difracción de neutrones para determinar tensiones residuales en soldaduras
Tensiones residuales Soldaduras FSW
La ventaja de utilizar difracción de neutrones para la determinación de las TR es la gran penetración de esta radiación en los materiales metálicos. Y en particular SALSA* permite realizar movimientos muestras de gran tamaño con una excelente precisión.
*Institut Laue-Langevin en Grenoble, Francia.
Introducción y objetivos
Materiales y procedimiento Resultados Conclusiones y
trabajo futuro
4 chapones (300x140x10 mm) de la aleación AA7075 obtenidos por laminación (Alustock)
Elemento Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Otros Al
% (masa) 0,4 0,5 1,2-2,0 0,3 2,1-2,9 0,18-0,28 5,1-6,1 0,2 0,15 Resto
Tratamiento térmico T6:
Solubilización
480ºC durante 90 minutos
Temple
en aceite
Envejecimiento a pico
120º C durante 24 horas
Mecanizado de muestras metalográficas, para estudio de texturas, probetas de tracción y de dureza. Muestra tipo peine para determinación de d0.
Estudio de tensiones residuales por difracción de neutrones en ILL, Grenoble.
Soldaduras por FSW en AIMEN:
• Velocidad de rotación: 750 rpm• Velocidad de avance: 75mm/min• Ángulo: 1.5 ˚• Forja:36 kN
Herramienta MP159
• Alta resistencia específica• Aplicaciones en industria aeronáutica y deportiva
Introducción y objetivos
Materiales y procedimiento Resultados Conclusiones y
trabajo futuro
Caracterización microestructural
MATERIAL BASE
centrosuperficie
Análisis de imagen• Tamaño de grano promedio
17 µm
• Relación de aspecto 4:1
Textura (figuras de polos inversas en dirección normal)
Introducción y objetivos
Materiales y procedimiento Resultados Conclusiones y
trabajo futuro
Caracterización microestructural
MATERIAL BASELa secuencia de precipitación en las aleación de la serie 7XXX es:
SSS Zonas GP η’ (MgZn2) η (MgZn2)
(Mn,Fe) Al12
Mediante microscopía óptica no se llegan a observar:
Zonas GP: de unos pocos átomos a 20 nm [1]Fase η´ : menor a 75 nm [1]
η
[1] C.G. Rhodes, W. M. Mahoney, W. H. Bingel, R. A. Spurling, C. C. Bampton, Scr. Met 36 (1997) 69
Introducción y objetivos
Materiales y procedimiento Resultados Conclusiones y
trabajo futuro
Caracterización microestructural
Las zonas microestructurales características se observan claramente:
Nugget: zona recristalizada de grano equiaxial finoTMAZ: zona termomecánicamente afectada con granos deformadosHAZ: zona térmicamente afectada
Introducción y objetivos
Materiales y procedimiento Resultados Conclusiones y
trabajo futuro
Caracterización microestructural
CAMBIO EN LA ESTRUCTURA DE GRANO
MB HAZ TMAZ (A)
TMAZ (R) Nugget
Ataque con HF 0,5% y con Keller
Introducción y objetivos
Materiales y procedimiento Resultados Conclusiones y
trabajo futuro
Caracterización microestructural
CAMBIO EN LA PRECIPITACIÓN
MB HAZ TMAZ (A)
Nugget
Ataque con HF 0,5%
Introducción y objetivos
Materiales y procedimiento Resultados Conclusiones y
trabajo futuro
Caracterización microestructural
NUGGET
0 a 1
1 a 2
2 a 3
3 a 4
4 a 5
5 a 6
6 a 7
7 a 8
8 a 9
>9
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Nugget
Tamaño de grano (µm)
Frec
uenc
ia re
lativ
a (n
i/nt
)
Análisis de imagen
• Tamaño de grano promedio
4 µm
• equiaxiales
ηη , η’
Introducción y objetivos
Materiales y procedimiento Resultados Conclusiones y
trabajo futuro
Caracterización microestructural
Comparación del estado de precipitación: MB vs. nugget
MB T6: Solubilización Temple Envejecimiento a pico120ºC durante 24 horas
De acuerdo al tratamiento de envejecimiento dado, se espera que la precipitación sea mayoritariamente en forma de fase η´
[2] N. Saunders, in proceedings of the 9th International Conference on Aluminium Alloys, Brisbane, Australia, 2-5 August, 2004
Diagrama TTT para la aleación AA7075 [2]
Introducción y objetivos
Materiales y procedimiento Resultados Conclusiones y
trabajo futuro
Caracterización microestructural
Comparación del estado de precipitación: MB vs. nugget
Nugget SolubilizaciónDurante el proceso de FSW
Enfriamiento gradual
La bibliografía reporta temperaturas que alcanzan los 480ºC [3]
[3] C.G. Rhodes, W. M. Mahoney, W. H. Bingel, R. A. Spurling, C. C. Bampton, Scr. Met 36 (1997) 69[4] H. Li, J. Bin, Y. Zhao, X. Wang, Trans. Nonferrous Met. Soc. China 21 (2011) 1944
Diagrama CCT para la aleación AA7075 [4]
Existe una velocidad de enfriamiento crítica por debajo de la cual precipitan fases indeseadas no endurecedoras (η y Al2CuMg)
La velocidad de enfriamiento del cordón es muy inferior a la crítica. Por lo tanto, se espera que la precipitación sea mayoritariamente en forma de fase η
Introducción y objetivos
Materiales y procedimiento Resultados Conclusiones y
trabajo futuro
Caracterización mecánica
el ancho de la zona central y su valor promedio va disminuyendo a medida que se atraviesa el espesor del chapón
Los mínimos corresponden a las HAZs y los máximos al nugget
Mínimo corresponde al centro del espesor, en la HAZ de avance y es un 37% menor a la dureza del MB
Introducción y objetivos
Materiales y procedimiento Resultados Conclusiones y
trabajo futuro
Caracterización mecánica
HV 5
Se observa una excelente concordancia entre los resultados del mapeo de durezas y las zonas microestructurales características.
• Las durezas máximas corresponden al nugget cuyo tamaño de grano es el más pequeño y la precipitación es más fina. • La dureza disminuye en las TMAZs ya que el tamaño de grano es mayor y los precipitados evolucionan desfavorablemente.• Es mínima en las HAZs donde los granos permanecen sin deformar y la precipitación también ha evolucionado desfavorablemente.
R A
Introducción y objetivos
Materiales y procedimiento Resultados Conclusiones y
trabajo futuro
Caracterización mecánica
0 0.05 0.1 0.15 0.20
100
200
300
400
500
600
MB transversal 1 MB Longitudinal 1 Soldadura Transversal 1 Soldadura Transversal 2
Deformación plástica
Tens
ión
(MPa
)
nugget
Material base
Las propiedades mecánicas del material base son muy similares en dirección longitudinal y transversal
El limite elástico en el centro del cordón es un 26 % inferior al del material base
La elongación a rotura es de un 30 a 50% mayor
Introducción y objetivos
Materiales y procedimiento Resultados Conclusiones y
trabajo futuro
Caracterización mecánica
Fractura dúctil
Transgranular
Dentro del nugget, centrada levemente hacia el lado de retroceso
Introducción y objetivos
Materiales y procedimiento Resultados Conclusiones y
trabajo futuro
Tensiones residuales
Tensión (MPa) vs. Posición (mm)
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100-100
-50
0
50
100
150centro
longitudinal transversal normal
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100-100
-50
0
50
100
150
superior
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100-100
-50
0
50
100
150
inferior
Forma de los perfiles: “m” para la componente longitudinal y “w” para las componentes normal y transversal
Los valores máximos se encuentran en la componente longitudinal, en el centro de la placa, en la HAZ del retroceso. Y alcanzan un 31% del límite elástico del MB.
DN
DL
DT
Introducción y objetivos
Materiales y procedimiento Resultados Conclusiones y
trabajo futuro
Tensiones residuales
La relación entre las tensiones residuales y las zonas microestructurales no es tan directa como en el caso de las durezas. Esto es debido a que el perfil de tensiones residuales dependen en mayor medida de las características geométricas del material y del proceso que de la microestructura.
longitudinal
Introducción y objetivos
Materiales y procedimiento Resultados Conclusiones y
trabajo futuro
CORRELACIÓN: MICROESTRUCTURA - PROPIEDADES MECÁNICAS - TENSIONES RESIDUALES
Los valores de dureza medidos coinciden con las zonas microestructurales.Se observa una disminución de dureza que alcanza un mínimo (37% menor al MB) en la HAZ del lado de avance, dónde la precipitación evolucionó desfavorablemente hacia fases poco endurecedoras (η).
Los ensayos de tracción muestran que el límite elástico disminuye en un 26% en la porción central del cordón, mientras que la elongación aumenta. Esto se debe a que la precipitación del nugget es en su mayoría de fase η en lugar de η’ y este efecto pesa más que el refinamiento de grano.La fractura del material del nugget es de naturaleza dúctil y transgranular debido a los precipitados ubicados en borde de grano, su ubicación coincidió con el mínimo de dureza de esta zona.
Las tensiones residuales presentaron los perfiles característicos de este tipo de soldadura y los valores se encuentran dentro de los rangos reportados. Los máximos se midieron para la componente longitudinal, en el centro del espesor, en la HAZ del lado de retroceso (donde el enfriamiento es más lento) y alcanzando valores de hasta un 31% del límite elástico del material base.
Introducción y objetivos
Materiales y procedimiento Resultados Conclusiones y
trabajo futuro
TRABAJO FUTURO
Siguiendo en la línea de estudio de la aleación AA7075, se está realizando un estudio del efecto de distintos tratamientos térmicos, sobre la tenacidad a la fractura de los cordones. El mismo incluye ensayos de flexión en cuatro puntos y medidas de tensiones locales in-situ en puntos cercanos a la grieta mediante radiación sincrotrón.
Se extenderá el estudio a materiales compuestos de matriz metálica y refuerzo cerámico discontinuo.
Muchas gracias.
Projecto MAT 2009-09545