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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



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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.



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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



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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)



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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



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Las zonas microestructurales características se observan claramente:

Nugget: zona recristalizada de grano equiaxial finoTMAZ: zona termomecánicamente afectada con granos deformadosHAZ: zona térmicamente afectada



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CAMBIO EN LA ESTRUCTURA DE GRANO

MB HAZ TMAZ (A)

TMAZ (R) Nugget

Ataque con HF 0,5% y con Keller



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CAMBIO EN LA PRECIPITACIÓN

MB HAZ TMAZ (A)

Nugget

Ataque con HF 0,5%



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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’



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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]



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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



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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



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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



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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



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Fractura dúctil

Transgranular

Dentro del nugget, centrada levemente hacia el lado de retroceso



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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



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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



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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.



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