A coupled thermal/material flow model of friction stir surfacing applied to AlMg9Si

• Autorzy: Węglowski M. S. , Hamilton C. , Dymek S.

Warianty tytułu

PL

Sprzężony model zmian temperatury i przepływu materiału podczas tarciowej obróbki powierzchniowej stopu AlMg9Si

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Friction stir surfacing (FSS) (also known as friction stir processing) utilizes the same process principles as friction stir welding. However, instead of joining samples together, FSS modifies the microstructure of surface layers in monolithic specimens to achieve specific and desired properties. As in FSW, the tool induces plastic fiow during FSS, but depending on the process parameters, i.e. applied force, tool velocity and rotation speed, the material fiow can yield a modified microstructure that is beneficial to the performance of the material. FSS, therefore, is an exciting technique for microstructural development and property enhancement. A coupled thermal/material fiow model of friction stir surfacing was developed and applied to the modification of AlSi9Mg cast aluminum alloy. The model reveals two, distinct zones of material fiow during processing. A primary zone of material fiow develops between the tool and workpiece interface near the leading edge of the tool. Here, the zone”s Vortex pulls material from the workpiece thickness toward the surface and, at the same time, pushes processed material into workpiece thickness, creating an upward/downward fiow of material. A secondary zone develops at the trailing edge of the tool, essentially forrning an eddy current of material fiow behind the advancing tool. Additionally, the model demonstrates that the highest processing temperatures occur at the tool/workpiece interface near the leading edge of the tool, but skewed toward the advancing side. The process parameters, i.e. the tool velocity and the tool rotation speed strongly influence the size and coherency of the process zones and the temperature distribution at the tool/workpiece interface.

PL

Tarciowa obróbka powierzchniowa, określana jako Friction Stir Surfacing lub Friction Stir Processing jest procesem opartym na tych samych zasadach, co zgrzewanie tarciowe z mieszaniem materiału zgrzeiny (FSW -Friction Stir Welding). Jednak zamiast łączenia materiałów, takie samo narzędzie modyfikuje mikrostrukturę w warstwie wierzchniej litego materiału. Prowadzi to do uzyskania wymaganych własności tylko w warstwie wierzchniej bez ingerencji w strukturę wewnętrzną obrabianego materiału. Podobnie jak podczas zgrzewania FSW, narzędzie odkształca plastycznie obrabiany metal, ale tylko w jego warstwie wierzchniej . W zależności od parametrów procesu, tj. siły nacisku narzędzia na powierzchnię, szybkości obrotowej oraz prędkości przesuwu narzędzia, modyfikacja mikrostruktury warstwy wierzchniej zachodzi w różnym stopniu. Przez odpowiedni dobór parametrów procesu można otrzymać wymagane własności warstwy wierzchniej materiału. W pracy przedstawiono sprzężony model zmian temperatury oraz przepływu materiału podczas tarciowej obróbki powierzchniowej odlewniczego stopu aluminium AlSi9Mg. Model przewiduje istnienie dwóch wyraźnych stref płynięcia materiału podczas obróbki powierzchniowej. Główna strefa płynięcia materiału powstaje pomiędzy narzędziem a powierzchnią obrabianego materiału blisko przedniej krawędzi narzędzia. Zawirowanie materiału w tej strefie, wywołane obrotem narzędzia, powoduje przemieszczenie materiału z wnętrza w kierunku powierzchni. W tym samym czasie materiał już obrobiony przemieszcza się z powierzchni w kierunku wnętrza. Powstaje w ten sposób przepływ materiału w kierunku góra/dół. Druga strefa (wtórna) obejmuje tylną krawędź narzędzia, w której powstają zawirowania materiału za poruszającym się narzędziem. Dodatkowo model przewiduje, że najwyższa temperatura procesu występuje przy przedniej krawędzi narzędzia w miejscu przesuniętym nieco w stronę natarcia. Parametry procesu, tj. szybkość przesuwu i szybkość obrotowa narzędzia, zmieniają w znacznym stopniu rozkład temperatury na powierzchni obrabianego materiału.

Słowa kluczowe

EN

friction stir surfacing; cast aluminium alloys; thermal modelling; material flow

PL

tarciowa obróbka powierzchniowa; odlewnicze stopy aluminium; modelowanie

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 3
• Strony: 201--204
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., rys.

Twórcy

autor

Węglowski M. S.

• Institute of Welding, Gliwice

autor

Hamilton C.

• Miami University, School of Engineering and Applied Science, Oxford, Ohio, USA

autor

Dymek S.

• Faculty of Metals Engineering and Industrial Computer Science, AGH, Kraków

Bibliografia

• [1] Mishra R. S.: Friction stir welding and processing. Materials Science and Engineering R: Reports 50 (2005) 1÷78.
• [2] Ma Z. Y.: Friction stir processing technology - A review. Metallurgical And Materials Transactions A 39A (2008) 642÷658.
• [3] Mahoney M., Fuller C., Miles M., Bingel W. et. al.: Friction stir welding and processing III. TMS, Warrendale, PA, USA (2005) 131.
• [4] Mahmoud T. S., Mohamed S. S.: Improvement of microstructural, mechanical and tribological characteristics of A413 cast Al alloys using friction stir processing. Metallurgical and Materials Transactions A 558 (2012) 502÷509.
• [5] Węglowski M. St., Dymek S.: Microstructural modification of cast aluminium alloy AlMg9Si via friction modified processing. Archives of Metallurgy and Materials 57 (2012) 71÷78.
• [6] Węglowski M. St., Pietras A., Dymek S., Hamilton C.: Characterization of friction modified processing - a novel tool for enhancing surface properties in cast aluminium alloys. Key Engineering Materials 504-506 (2012) 1231÷1236.
• [7] Hamilton C., Kopyściański M., Senkov O., Dymek S.: A coupled thermal/ material flow model of friction stir welding applied to Sc-modified aluminum alloy. Metallurgical and Materials Transactions A, DOI: 10.1007/ s11661-012-1512-y (2012).
• [8] Hamilton C., Dymek S., Senkov O.: Friction stir welding of Sc-modified Al-Zn-Mg-Cu alloy extrusions. Computer Methods in Materials Science 9 (2009) 416÷423.
• [9] Hamilton C., Dymek S., Sommers A.: A thermal model of friction stir welding in aluminum alloys. International Journal of Machine Tools and Manufacture 48 (2008) 1120÷1130.