Preliminary study on the production of functionally graded materials by friction stir processing

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Friction Stir Processing : a new microstructure improvement technique

In the present work, microstructure improvement using FSP (Friction Stir Processing) is studied. In the first part of the work, the microstructure improvement of as-cast A356 is demonstrated. Some tensile tests were applied to check the increase in ductility. However, the expected results couldn’t be achieved. In the second part, the microstructure improvement of a fusion weld in 1050 aluminium alloy is presented. Hardness tests were carried out to prove the mechanical propertyimprovements. In the third and last part, the microstructure improvement of 1050 aluminium alloy is achieved. A discussion of the mechanical property improvements induced by FSP is made. The influence of tool traverse speed on microstructure and mechanical properties is also discussed. Hardness tests and recrystallization theory enabled us to find out such influence

Tool wear evaluations in friction stir processing of commercial titanium Ti–6Al–4V

This research addresses the application of friction stir welding (FWS) of titanium alloy Ti–6Al–4V. Friction stir welding is a recent process, developed in the 1990s for aluminum joining; this joining process is being increasingly applied in many industries from basic materials, such as steel alloys, to high performance alloys, such as titanium. It is a process in great development and has its economic advantages when compared to conventional welding. For high performance alloys such as titanium, a major problem to overcome is the construction of tools that can withstand the extreme process environment. In the literature, the possibilities approached are only few tungsten alloys. Early experiments with tools made of cemented carbide (WC) showed optimistic results consistent with the literature. It was initially thought that WC tools may be an option to the FSW process since it is possible to improve the wear resistance of the tool. The metallographic analysis of the welds did not show primary defects of voids (tunneling) or similar internal defects due to processing, only defects related to tool wear which can cause loss of weld quality. The severe tool wear caused loss of surface quality and inclusions of fragments inside the joining, which should be corrected or mitigated by means of coating techniques on tool, or the replacement of cemented carbide with tungsten alloys, as found in the literature.

Characterization Of Friction Stir Welded Joints Of Aa 2024-T351 - Native Vs. Treated By Laser Shock Processing

The paper presents a consistent set of results showing the ability of Laser Shock Processing (LSP) in modifying the overall properties of the Friction Stir Welded (FSW) joints made of AA 2024-T351. Based on laser beam intensities above 109 W/cm2 with pulse energies of several Joules and pulses durations of nanoseconds, LSP is able of inducing a compression residual stress field, improving the wear and fatigue resistance by slowing crack propagation and stress corrosion cracking, but also improving the overall behaviour of the structure. After the FSW and LSP procedures are briefly presented, the results of micro-hardness measurements and of transverse tensile tests, together with the corrosion resistance of the native joints vs. LSP treated are discussed. The ability of LSP to generate compressive residual stresses and to improve the behaviour of the FSW joints is underscored.

Laser Shock Processing influence on local properties and overall tensile behavior of friction stir welded joints

Based on laser beam intensities above 109 W/cm2 with pulse energy of several Joules and duration of nanoseconds, Laser Shock Processing (LSP) is capable of inducing a surface compressive residual stress field. The paper presents experimental results showing the ability of LSP to improve the mechanical strength and cracking resistance of AA2024-T351 friction stir welded (FSW) joints. After introducing the FSW and LSP procedures, the results of microstructural analysis and micro-hardness are discussed. Video Image Correlation was used to measure the displacement and strain fields produced during tensile testing of flat specimens; the local and overall tensile behavior of native FSW joints vs. LSP treated were analyzed. Further, results of slow strain rate tensile testing of the FSW joints, native and LSP treated, performed in 3.5% NaCl solution are presented. The ability of LSP to improve the structural behavior of the FSW joints is underscored.

Joining copper to stainless steel by friction stir diffusion process

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Fatigue behaviour of friction stir welded AA2024-T3 alloy: longitudinal and transverse crack growth

The fatigue crack growth properties of friction stir welded joints of 2024-T3 aluminium alloy have been studied under constant load amplitude (increasing-Delta K), with special emphasis on the residual stress (inverse weight function) effects on longitudinal and transverse crack growth rate predictions (Glinka`s method). In general, welded joints were more resistant to longitudinally growing fatigue cracks than the parent material at threshold Delta K values, when beneficial thermal residual stresses decelerated crack growth rate, while the opposite behaviour was observed next to K-C instability, basically due to monotonic fracture modes intercepting fatigue crack growth in weld microstructures. As a result, fatigue crack growth rate (FCGR) predictions were conservative at lower propagation rates and non-conservative for faster cracks. Regarding transverse cracks, intense compressive residual stresses rendered welded plates more fatigue resistant than neat parent plate. However, once the crack tip entered the more brittle weld region substantial acceleration of FCGR occurred due to operative monotonic tensile modes of fracture, leading to non-conservative crack growth rate predictions next to K-C instability. At threshold Delta K values non-conservative predictions values resulted from residual stress relaxation. Improvements on predicted FCGR values were strongly dependent on how the progressive plastic relaxation of the residual stress field was considered.

Emissions of nanoparticles during friction stir welding (FSW) of aluminium alloys

Friction stir welding (FSW) is now well established as a welding process capable of joining some different types of metallic materials, as it was (1) found to be a reliable and economical way of producing high quality welds, and (2) considered a "clean" welding process that does not involve fusion of metal, as is the case with other traditional welding processes. The aim of this study was to determine whether the emission of particles during FSW in the nanorange of the most commonly used aluminum (Al) alloys, AA 5083 and AA 6082, originated from the Al alloy itself due to friction of the welding tool against the item that was being welded. Another goal was to measure Al alloys in the alveolar deposited surface area during FSW. Nanoparticles dimensions were predominantly in the 40- and 70-nm range. This study demonstrated that microparticles were also emitted during FSW but due to tool wear. However, the biological relevance and toxic manifestations of these microparticles remain to be determined.

Development and implementation of strategies for the incorporation of reinforcing elements in aluminium alloys by solid state processing

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Estudo de um equipamento de processamento de soldaduras por Friction Stir Welding

Este é um projeto I&D interno do INEGI, com as unidades DPS e LOME, que tem em vista a utilização de componentes disponíveis no INEGI para o estudo de um equipamento capaz de efetuar soldaduras por Friction Stir Welding. O equipamento já conta com controlo numérico para um sistema de três eixos e os respetivos motores, ficando assim encarregue de tirar o máximo proveito possível destes componentes. Este equipamento terá como finalidade munir o INEGI com um equipamento capaz de dar resposta a eventuais projetos externos/internos bem como para fins de investigação para a melhoria da qualidade do processo de soldadura. A conceção deste equipamento tem a particularidade das condições envolventes do processo nomeadamente os esforços desenvolvidos durante o processo de soldadura, em particular a força vertical (eixo da ferramenta) que é necessária fazer de forma a evitar a ascensão de material da junta de soldadura. A soldadura por Friction Stir Welding, é um processo de soldadura relativamente actual, desenvolvido em 1991 por Wayne Thomas pelo The Welding Institute que se sobrepõe aos métodos de soldadura convencionais, uma vez que não necessita de levar o/os materiais acima da sua temperatura de fusão, sendo um processo de soldadura no estado solido, o material não chega a fundir. Este processo consiste na utilização de uma ferramenta em rotação que que se desloca ao longo da junta de soldadura, que uma vez a fricção gerada entre a ferramenta e o material base gera calor que promove o aquecimento e quase fusão do material base. A ligação do material dá-se aquando a passagem da ferramenta na junta, misturando os materiais. Com o recurso a este método de fabrico é possível efetuar soldaduras com grande qualidade em materiais considerados de difícil soldabilidade pelos métodos convencionais, como por exemplo o Alumínio. Neste projecto foram estudadas varias soluções, contactados vários fornecedores e com o seu feedback foi desenvolvido o equipamento. Este projecto consiste essencialmente na análise estrutural e selecção de equipamentos. O equipamento final resultou de uma série de iterações e ideias de forma a optimizar toda estrutura para a magnitude dos esforços envolvidos, obtendo no final um equipamento capaz de cumprir os requisitos. No final prevêse um equipamento com a capacidade de suportar esforços verticais de 50

Production of aluminium based composites reinforced with embedded NiTi by friction stir welding

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Microstructural and electrochemical characterization of friction stir welded duplex stainless steels

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Characterization of processed materials by electrical currents: development of equipment and applications

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Avaliação do processamento por atrito linear em chapas da liga de titânio Ti-6Al-4V.

Esta tese tem por objetivo a aplicação do processamento por atrito linear na liga de titânio Ti-6Al-4V. Derivado da solda por atrito linear, é um processo recente desenvolvido na década de 90 para união de alumínio. Sua aplicação em outros tipos de materiais como aços e ligas de alto desempenho, em especial o titânio, tem interessado a industria. A metodologia utilizada nesta tese para avaliar o processamento por atrito linear, consistiu na execução de ensaios mecânicos de tração em condições mistas em chapas da liga de titânio Ti-6Al-4V. A máquina utilizada para o processamento das chapas foi um centro de usinagem CNC convencional, adaptado com dispositivos especiais. Além dos ensaios de tração em condições mistas, foram executadas medições de microdurezas nas regiões atingidas pelo processo, avaliação das microestruturas resultantes e medições de tensão residual para uma caracterização mais ampla do processo. As microestruturas na região processada são caracterizadas por uma estrutura totalmente transformada. As temperaturas de pico na região processada excederam a temperatura -transus durante o processamento e a transformação da fase + ocorreu durante a fase de resfriamento. A transformação da fase para resultou na formação de agulhas de fase nos contornos e pelo interior dos grãos da fase . Pequenas regiões com estrutura equiaxial de grãos ( globular) foram observados na zona de processamento. A abordagem dos resultados quantitativos foi feita de forma estatística, visando identificar os parâmetros de maior interação com os resultados observados. Foi identificado nesta tese que a rotação da ferramenta apresentou a maior influência nos resultados de tensão residual, microdureza e tensão de escoamento. Uma importante contribuição à modelagem da tensão de escoamento para materiais anisotrópicos é proposta, baseado em um critério de escoamento ortotrópico. Equações complementares baseadas nos testes mistos de tração e cisalhamento são propostas para modificar o modelo ortotrópico. O intuito deste modelo é indicar em que condições o material tem seu regime de escoamento atingido, podendo servir de base para simulações práticas de peças em condições similares.