CC BY
10
Прикладная математика & Физика, 2022, том 54, № 4. С. 261-265.
УДК 539.89:539.25 DOI 10.52575/2687-0959-2022-54-4-261-265
оригинальное исследование
EBSD-АНАЛИЗ МИКРОСТРУКТУРЫ AL-CU-MG СПЛАВА, ПОДВЕРГНУТОГО СВАРКЕ
ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ
М. Р. Газизов1 , И. С. Зуйко2 , С. С. Малофеев2
(Статья представлена членом редакционной коллегии А. В. Носковым)
1 Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева,
Москва, 127434, Россия 2Белгородский государственный национальный исследовательский университет,
Белгород, 308015, Россия
E-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
Аннотация. В данной работе исследована связь между тепловыделением во время сварки трением перемешиванием (СТП) и микроструктурой, формирующейся в зоне перемешивания современного термоупрочняемого алюминиевого сплава 2519. С помощью системы автоматической идентификации дифракции обратно-рассеянных электронов (EBSD) установлено, что микроструктура является мелкозернистой. Так же было показано что при исследованных режимах соединения размер зёрен в зоне перемешивания не превышает 2 мкм. Ключевые слова: сварка трением с перемешиванием, дифракция обратно рассеянных электронов, аномальный рост зёрен
Для цитирования: Газизов М. Р., Малофеев С. С., Зуйко И. С. 2022. EBSD-анализ микроструктуры Al-Cu-Mg сплава, подвергнутого сварке трением с перемешиванием. Прикладная математика & Физика, 54(4): 261-265. D0I 10.52575/2687-0959-2022-54-4-261-265
EBSD-INVESTIGATION OF AL-CU-MG ALLOY MICROSTRUCTURE SUBJECTED TO
FRICTION-STIR WELDING
Marat Gazizov 1 , Ivan Zuiko 2 , Sergey Malopheyev 2
{Article submitted by a member of the editorial board A. V. Noskov)
1Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy, Moscow, 127434, Russia 2Belgorod National Research University, Belgorod, 308015, Russia E-mail: [email protected], [email protected], [email protected] Received November, 28, 2022
Abstract. In this work, the relationship between heat input during friction stir welding (FSW) and the microstructure formed in the stir zone of a modern heat-treatable aluminium alloy 2519 was studied. Electron back-scatter diffraction technique (EBSD) revealed that microstructure consists of fine grains. In addition, it was found that grain size does not exceed 2 mkm. Keywords: Friction Stir Welding, EBSD, Abnormal Grain gGowth
For citation: Gazizov M. R., Malopheyev S. S. Zuiko I. S. 2022. EBSD-investigation of Al-Cu-Mg alloy microstructure subjected to friction-stir welding. Applied Mathematics & Physics, 54(4): 261-265 (in Russian). DOI 10.52575/2687-0959-2022-54-4-261-265
1. Введение. Благодаря низкой плотности, высокой прочности и жёсткости, термоупрочняемые Al-Cu-Mg сплавы находят применение в авиационной и транспортной промышленностях. Как известно [11, 15] их главным механизмом упрочнения является дисперсионный, то есть выделение нано-размерных частиц вторых фаз (из семейства в-А12Си, S-Al2CuMg]. Для полномасштабного использования в промышленности эти сплавы должны обладать таким качеством как свариваемость [5], [6]-[9],[10].
Применение традиционных методов создания неразъемных сварных соединений (например, аргонно-дуговым или электронно-лучевым) приводит к значительной деградации механических свойств [1]-[2], [5], [ ]-[ ]. Однако, относительно недавно появился новый метод соединения - сварка трением с перемешиванием (СТП) позволяет получать высококачественные сварные соединения даже в материалах, которые раньше считались несвариваемыми [2], [4]-[6], [9]. Это обеспечивается за счёт особенностей самого метода - во время СТП материал остаётся в твёрдом виде, то есть не переводится в расплав [ ]-[ ].
Кроме того, материалы в процессе СТП подвергаются очень большим пластическим деформациям при повышенныхтемпературах и относительно высокой скорости [7]-[9]. Формирование зёренной микроструктуры при СТП представляет собой очень сложный физический процесс, который может включать в себя и прерывистую и непрерывную рекристаллизацию, и динамический и статический возврат, а также фрагментацию [2], [5], [8]-[9]. Вклад каждого механизма определяется свойствами соединяемых материалов, а именно структурой и энергией дефекта упаковки.
На сегодняшний день особенности микроструктуры Al-Cu-Mg сплавов после СТП изучены поверхностно. Поэтому поведение материала при вышеуказанных экстремальных условиях вызывает как академический, так и прикладной интерес. Таким образом, целью настоящей работы являлось исследование микроструктурных аспектов СТП-швов посредством современного метода характеристики структуры - ЕБ8Б-анализа.
2. Материалы и методика эксперимента. В качестве исходного материала использовали сплав АА2519 (химический состав Al-5.64Cu-0.33Mn-0.23Mg-0.15Zr-0.11Ti-0.09V-0.08Fe-0.08Zn-0.04Sn-0.01Si, весовых %), полученный методом полунепрерывного литья в НИУ «БелГУ». Из горячекатаных плит вырезали пластины, обработали на твёрдый раствор при Т=535°С в течение 1 часа, закалили в холодную воду, прокатали на 20% (е ~ 0.22) до толщины 3 мм и состарили в течение 6 часов при 165°С (состояние максимальной прочности). Это микроструктурное состояние было обозначено как основной материал (ОМ). Размер зёрен в ОМ составлял ~24 мкм, а доля ВУГ 90% [15]. Листы ОМ были сварены встык вдоль направления прокатки на СТП-машине Ассигёйг 1004. Для соединения использовали два режима, отличающиеся тепловыделением, благодаря варьированию скоростями вращения и поступательного движения инструмента. НТ - низкое тепловыделение соответствовало скорости вращения 500 об/мин и скорости подачи 760 мм/мин, а ВТ - высокое тепловыделение соответствовало скорости вращения 1100 об/мин и скорости подачи 360 мм/мин. Учитывая сложный характер эволюции микроструктуры в ходе СТП, для дальнейшего исследования полученные сварные соединения были разделены в продольном направлении на три равных части (которые обозначены как «Верх», «Центр», и «Низ» на Рис. 1).
Рис. 1. Оптическое изображение поперечного сечения низкотемпературного сварного шва с обозначенными участками микроструктурных наблюдений. AS и RS соответствуют стороне набегания и стороне отвода Fig. 1. Optical image of the weld cross-section of the low-heat-input weld with indicated areas of microstructural observations. AS and RS is advancing and retreating side, respectivelys
Исследования микроструктуры были сосредоточены на зёренной структуре и проводились с использованием растрового электронного микроскопа FEI Quanta 600 FEG-SEM, работающего при напряжении 30 кВ, оснащённого системой анализа структуры кристаллических материалов методом дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD). Во всех случаях размер карты составлял как минимум 250 X 250 мкм, а шаг сканирования - 0,2 мкм. Для анализа использовалось программное обеспечение TSL OIM Analysis 7. Достоверность индицирования Кикучи-картин определялась «индексом достоверности» или «confidence index». Все точки с индексом менее 0,1 не принимались во внимание и обозначены чёрным цветом на картах. Границами зёрен считали высокоугловые (ВУГ) с разориентировкой в > 15°, границы с разориентировкой менее 15° рассматривали как малоугловые границы (МУГ). Мало- и большеугло-вые границы на EBSD-картах обозначены как белые и красные линии, соответственно. Средний размер зёрен вычислялся методом случайных секущих. Плотность границ того или иного типа (МУГ, ВУГ) определялось как соотношение общей длины границ к площади карты. Все остальные подробности эксперимента были представлены ранее [12]-[14].
3. Результаты и обсуждение. Известно, что из-за особенностей метода структура СТП-швов получается гетерогенной. Принято выделять зону перемешивания, зону термического воздействия, зону термомеханического воздействия. Текущее исследование полностью посвящено зоне перемешивания (Рис. 1).
На рисунках 2 и 3 представлены микроструктуры швов после низкотемпературного и высокотемпературного режима СТП, соответственно.
Рис. 2. EBSD-карты различных участков зоны перемешивания низкотемпературного шва:
а - «Низ», б - «Центр», в - «Верх» Fig. 2. EBSD-maps of various sections of the stir zone of the low-temperature joint: a-weld root, b - center, c - upper surface
Рис. 3. EBSD-карты различных участков зоны перемешивания высокотемпературного шва:
а - «Низ», б - «Центр», в - «Верх» Fig. 3. EBSD-maps of various sections of the stir zone of the high-temperature joint: a-weld root, b - center, c - upper surface
Ключевые параметры сформировавшейся микроструктуры приведены в Таблице 1.
Таблица 1. Ключевые микроструктурные параметры зоны перемешивания Table 1. Key microstructural characteristics of a stir zone
Режим Область Средний размер зёрен, мкм Малоугловые границы Высокоугловые границы
Доля, % Плотность х 102, мкм-1 Доля, % Плотность X 102, мкм- 1
HT Верх 1,0 55 9.9 45 8.1
Центр 1,4 39 9.0 61 1.4
Низ 0,9 68 11.5 32 5.8
ВТ Верх 1,1 92 8.1 8 0.7
Центр 1,9 53 4.1 47 3.8
Низ 1,0 65 4.3 35 2.3
Оба режима сварки приводят к однородной мелкозернистой структуре с развитой сеткой субграниц. Такие структуры являются типичными для СТП-швов термоупрочняемых алюминиевых сплавов [1,3,6]. Их формирование напрямую контролируется непрерывной динамической рекристаллизацией [2].
Важно подчеркнуть, что вне зависимости от тепловыделения средний размер зёрен не превышал 2 мкм. Это может косвенно свидетельствовать об однородности зоны перемешивания. С другой стороны, в центральной части зоны перемешивания обоих швов наблюдается уменьшение доли малоугловых границ и формирование преимущественно зёрен. Этот эффект, скорее всего, связан с активизацией возврата в условиях деформации при повышенных температурах, что способствовало снижению плотности
дислокаций и тем самым замедлило эволюцию границ деформационной природы. Примечательно, что нижняя часть зоны перемешивания так же характеризуется небольшими размерами зёрен, что не совсем характерно для СТП-швов термоупрочняемых сплавов [2],[8]-[9]. Возможно, из-за малой толщины используемых пластин происходит быстрый теплоотвод из этой области в холодную стальную подложку, что приводит к подавлению роста зёрен.
Поскольку исследованный сплав является термоупрочняемым, то эволюцию зёренной структуры можно связать с частицами вторых фаз [2, 14]. Вероятно, сохранение объемной доли частиц в швах обеспечили повышенную термостабильность микроструктуры. Однако, это предположение требует экспериментального подтверждения.
В дальнейшем, для аттестации фазового состава и сформированной текстуры, планируется охарактеризовать изученные области с помощью рентгеноструктурного и рентгенофазового анализа, а также просвечивающей электронной микроскопии.
Заключение. Показано что сварка трением с перемешиванием приводит к существенному измельчению микроструктуры в зоне перемешивания термически упрочняемого сплава системы Al-Cu-Mg. Вне зависимости от выбранных условия процесса размер зерна не превышает 2 мкм. Термическая стабильность и тонкая структура полученных соединений требует дальнейшего изучения.
References
1. Goloborodko A. et al. 2004. Friction stir welding of a commercial 7075-T6 aluminum alloy: Grain refinement, thermal stability and tensile properties. Mater. Trans., 45(8): 2503-2508.
2. Heidarzadeh A. et al. 2020. Friction stir welding/processing of metals and alloys: A comprehensive review on microstructural evolution. Prog. Mater. Sci., 117: 100752.
3. Kalinenko A. et al. 2020. Microstructure-strength relationship in friction-stir welded 6061-T6 aluminum alloy. Mater. Sci. Eng. A., 793: 139858.
4. Meng X. et al. 2021. Recent progress on control strategies for inherent issues in friction stir welding. Prog. Mater. Sci., 115: 100706.
5. Mishra R.S., Ma Z.Y. 2005. Friction stir welding and processing. Mater. Sci. Eng. R., 50(1-2): 1-78.
6. Pang Q. et al. 2019. Characterization of microstructure, mechanical properties and formability for thermome-chanical treatment of friction stir welded 2024-0 alloys. Mater. Sci. Eng. A., 765: 138303.
7. Sato Y.S., et al. 2007. Grain growth phenomena in friction stir welded 1100 Al during post-weld heat treatment. Sci. Tech. Weld. Join., 12: 318-323.
8. Shah P.H. et al. 2017. Friction stir welding of aluminium alloys: An overview of experimental findings—Process, variables, development and applications. Proc. Inst. Mech. Eng. Part L: J. Mater. Des. Applic., 6:1464420716689588.
9. Threadgill P.L. et al. 2009. Friction stir welding of aluminum alloys. Int. Mater. Rev., 54: 49-93.
10. Yuan S. J., et al. 2012. Formability and microstructural stability of friction stir welded Al alloy tube during subsequent spinning and post weld heat treatment. Mater. Sci. Eng. A., 558: 586-591.
11. Wang S. C., StarinkM. J. 2005. Precipitates and intermetallic phases in precipitation hardening Al-Cu-Mg-(Li) based alloys. Int. Mat. Rev., 50: 193-215.
12. Zuiko I. S. et al. 2022. On the Heterogeneous Distribution of Secondary Precipitates in Friction-Stir-Welded 2519 Aluminium Alloy. Metals, 12(4): 671.
13. Zuiko I. S. et al. 2021. Suppression of abnormal grain growth in friction-stir welded Al-Cu-Mg alloy by lowering of welding temperature. Scr. Mater., 196: 113765.
14. Zuiko I. S. et al. 2020. Unusual ageing behaviour of friction-stir welded Al-Cu-Mg alloy. Mater. Sci. Eng. A., 793: 139882.
15. Zuiko I.S., Kaibyshev R. 2020. Ageing response of cold-rolled Al-Cu-Mg alloy. Mater. Sci. Eng. A., 781: 139148.
Конфликт интересов: о потенциальном конфликте интересов не сообщалось.
Conflict of interest: no potential conflict of interest related to this article was reported.
Поступила в редакцию 13.10.2022 Поступила после рецензирования 25.11.2022 Принята к публикации 28.11.2022
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Газизов Марат Разифович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Лаборатория перспективных сталей для сельскохозяйственной техники, Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева ул. Тимирязевская, 49, Москва, 127434, Россия
Зуйко Иван Сергеевич - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Лаборатории механических свойств наноструктурных и жаропрочных материалов, Белгородский государственный национальный исследовательский университет
ул. Победы, 85, Белгород, 308015, Россия Малофеев Сергей Сергеевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Лаборатории механических свойств наноструктурных и жаропрочных материалов, Белгородский государственный национальный исследовательский университет ул. Победы, 85, Белгород, 308015, Россия
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Gazizov Marat - PhD, Senior Researcher of Laboratory of promising steels for agricultural machinery, Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy, Moscow, Russia
Zuiko Ivan - PhD, Senior Researcher of Laboratory of Mechanical Properties of Nanoscale Materials and Superalloys, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russia
Malopheyev Sergey -PhD, Senior Researcher of Laboratory of Mechanical Properties of Nanoscale Materials and Superalloys, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russia
