PRODUCTION of ALUMINIUM BASED COMPOSITES REINFORCED with EMBEDDED Niti by FRICTION STIR WELDING
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PRODUCTION OF ALUMINIUM BASED COMPOSITES REINFORCED WITH EMBEDDED NiTi BY FRICTION STIR WELDING Luís Gonçalves Mendes Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica Orientadora: Professora Doutora Rosa Maria Mendes Miranda, Faculdade de Ciências e Tecnologia Co-orientador: Professor Doutor Telmo Jorge Gomes dos Santos, Faculdade de Ciências e Tecnologia Dezembro de 2012 AGRADECIMENTOS Gostaria de expressar minha gratidão a todos aqueles que, de alguma forma, estiveram envolvidos nesta investigação, sem os quais teria sido impossível apresentar este trabalho. À Professora Rosa Miranda a minha mais profunda gratidão, por me convidar para este desafiador e pioneiro projeto, pelo apoio dado, pelo interesse despertado e tempo investido e pelos conhecimentos transmitidos ao longo deste curso. Ao meu co-orientador o Professor Telmo Santos pelo seu apoio e trabalho em domínios cruciais para o desenvolvimento desta investigação. Ao Professor Pedro Vilaça pelas instalações e suporte técnico durante o trabalho experimental na STM IST. Também, a minha gratidão para com o Professor Pamies Teixeira pelo seu aconselhamento muito bem-vindo. À Professora Raquel Brás pelo seu interesse e apoio, nos ensaios de vibração. Gostaria de agradecer ao Professor Braz Fernandes por todo o seu apoio, tempo investido, interesse e pelo material fornecido. Bem como ao Professor Mahesh e Professor Alexandre Velhinho. À Professora Virgínia Infante pelo apoio técnico e caracterização mecânica realizada no IST. A minha profunda gratidão ao Mestre João Gandra pela total disponibilidade e energia, sem a qual, não teria sido possível realizar este trabalho. Acima de tudo, pelo apoio e amizade. Ao Sr. António Campos e Sr. Paulo Magalhães para a sua assistência e amizade. Um agradecimento especial à minha família e amigos, que a seu modo, foram cruciais para a elaboração deste trabalho. O autor reconhece a importância da empresa Siemens, S.A. pelo fornecimento do material e ao Engenheiro Joel Mendes do sector energético. Assim como, o reconhecimento do financiamento garantido pela FCT/MCTES para o projecto ‘Desenvolvimento da tecnologia de processamento por fricção linear para produzir materiais com gradiente de funcionalidade e melhoria de superfícies para aplicações avançadas de engenharia – FRISURF’ i AKNOWLEDGMENTS I would like to express my gratitude to those who, in any way, were involved in this investigation, without whom it would have been impossible to present this work. To Professor Rosa Miranda my deepest gratitude, for inviting me to such a challenging and pioneer project, for the support given, interest and time invested, as well as, the knowledge shared along this master course. To my co-supervisor Professor Telmo Santos for his support and work various fields of this thesis. To Professor Pedro Vilaça for the facilities and technical support during the experimental work at STM-IST: Also my gratitude to Professor Pamies Teixeira for his advisory. To Professor Raquel Almeida for her interest and support in the vibration tests. I would like to thank Professor Braz Fernandes for all his support, time invested, interest and for the necessary material, as well as, to Professor Mahesh and Professor Alexandre Velhinho. To Professor Virgínia Infante for the technical support in mechanical characterization performed at IST. My deep gratitude to Master João Gandra for his availability, without which, it would have not been possible to perform this work. Above all for his friendship and support. To Mr. António Campos and Mr. Paulo Magalhães for their assistance and friendship. A special appreciation to my family and friends, whom in their own special way were crucial for the accomplishment of this work. The author acknowledges Siemens, S.A. for the material supply for the project and to Joel Mendes of the energy sector. Also, to FCT/MCTES funding for the project ‘Technology developments of friction stir processing to produce functionally graded materials and improve surfaces for advanced engineering applications – FRISURF’. iii RESUMO As ligas de alumínio têm sido amplamente utilizadas em materiais compósitos de modo a promoverem uma melhoria das suas propriedades enquanto reduzem o peso. Na produção de compósitos com uma grande diferença de propriedades mecânicas e termofísicas a soldadura por fusão, devido às elevadas temperaturas, aumenta a formação de intermetálicos indesejáveis. Essas limitações têm levado ao estudo de processos de ligação no estado sólido, como a soldadura por fricção linear (SFL), para unir diferentes materiais. Neste trabalho estudou-se a possibilidade de criar compósitos de ligas da série AA 1XXX reforçados com NiTi por SFL. Foram investigadas diferentes formas do material de reforço, analisadas as interfaces e os fluxos de material resultantes e caracterizados os compósitos produzidos. Observou-se um aumento de 70% da tensão de ruptura, em relação ao substrato de Al e a ligação entre os dois materiais dissimilares suporta tensões superiores às da ruptura do Al numa junta sobreposta. O compósito produzido apresenta uma conductividade eléctrica de cerca de 62 % IACS, reduzindo menos de 3% IACS em relação à do substrato de Al. Produziu-se assim um compósito com uma forte ligação mecânica entre ambos os materiais, mantendo as propriedades funcionais do NiTi e eléctricas do Alumínio. PALAVRAS-CHAVE Compósitos de matriz metálica Soldadura por friccção linear Ligação soldada AA 1100 NiTi v ABSTRACT Aluminium alloys have been widely used in composite materials in order to promote an enhancement in its properties while reducing weight. As in the production of new composites with a significant difference in mechanical and thermo-physical properties fusion welding processes enhances the formation of undesired intermetallics. Those limitations have driven research on solid state technologies, such as Friction Stir Welding (FSW), for joining dissimilar materials. This study aimed to develop composites in AA 1XXX series aluminium alloys with NiTi by FSW. Different reinforcing material shapes were investigated, analyzed the interfaces and the resulting material flow. The final product was mechanically characterized. It was observed an increase of 70 % of ultimate tensile strength, compared to Al base material and yielding between the two dissimilar materials was greater than the Al lap joint yield stress. The final composite depicted a good electrical conductivity, reducing less than 3 % IACS of the Al base material. Thus, a composite with a strong mechanical bonding was produced, maintaining the original functional properties of the reinforcement NiTi alloy, and the electrical properties of the Aluminium. KEY-WORDS Metal matrix composite Friction stir welding Joining AA 1100 NiTi vii TABLE OF CONTENTS AGRADECIMENTOS ................................................................................................................... i AKNOWLEDGMENTS .............................................................................................................. iii RESUMO ...................................................................................................................................... v PALAVRAS-CHAVE ................................................................................................................... v ABSTRACT ................................................................................................................................ vii KEY-WORDS ............................................................................................................................. vii TABLE OF CONTENTS ........................................................................................................... ix FIGURE LIST ............................................................................................................................ xii TABLE LIST ............................................................................................................................. xvi GLOSSARY OF ACRONYMS AND SYMBOLS................................................................... xvii 1. INTRODUCTION ................................................................................................................. 1 1.1. Motivation ................................................................................................................... 1 1.2. Objectives .................................................................................................................... 2 1.3. Structure ...................................................................................................................... 2 2. STATE OF THE ART ........................................................................................................... 3 2.1. Composite Materials ................................................................................................... 3 2.2. Shape memory alloys for composite damping enhancement ...................................... 8 2.3. Manufacturing processes ........................................................................................... 12 2.4. Friction stir welding .................................................................................................. 15 2.5. Conclusions ............................................................................................................... 23 3. EXPERIMENTAL PROCEDURE ...................................................................................... 25 3.1. Materials ...................................................................................................................