Surface Modification of Structural Steels by Friction Stir Processing

Abstract

The microstructural, mechanical and tribological properties of processed/textured structural steel surfaces, produced using a Friction Stir Welding (FSW) related procedure, called Friction Stir Processing (FSP), are analysed in this thesis. The surface of S275 and S690 structural steels samples was processed using two WC-Co pinless tools, with different diameters, and varying tool rotation and traverse speeds. The morphology of the surfaces, which is expected to have an important influence on its tribological behaviour, revealed to be very regular, for both materials, when processing with the lower diameter tool. Surface texture was also observed to evolve, according to the tool rotation to tool traverse speed ratio, for both substrates. Microstructural analysis of the processed surfaces revealed an important grain refinement in the stirred zone, independently of the material processed and of the processing conditions. The mechanical strength of the refined structures, evaluated trough hardness tests, was also found to drastically increase, relative to both substrates initial hardness. For the S275 steel, no hardness evolution was found when varying the tool traverse speed at a constant tool rotation speed. On the other hand, an important increase in surface hardness was found when increasing the tool rotation speed, i.e. when increasing the heat input during processing. For the S690 steel no important variation was found when varying, nor the tool rotation speed, nor the tool traverse speed. Both the grain refinement and the high hardenability of both steels, were found to be determinant for the hardness increase of the processed surfaces. Finally, the friction tests performed on S275 samples, revealed a 100% enhancement in the static friction coefficient, as well as in the assembly stiffness, of the processed surface relative to the unprocessed one.

Nesta tese, são analisadas a microestrutura bem como as propriedades mecânicas e tribológicas das superfícies de aços estruturais processadas/texturizadas por um processo baseado no Friction Stir Welding (FSW), denominado por Friction Stir Processing (FSP). As superfícies dos aços estruturais, S275 e S690, foram processadas por duas ferramentas de WC-Co, sem pino e de bases de diferentes diâmetros, variando em cada processamento, as suas velocidades de rotação e avanço. Espera-se que o comportamento tribológico das superfícies processadas seja influenciado pela sua morfologia, a qual revelou ser muito regular para ambos os materiais, quando processados pela ferramenta de menor diâmetro. Observou-se que a texturização da superfície variou com a relação das velocidades de rotação e de avanço da ferramenta, para ambos os substratos. A análise microestrutural das superfícies processadas revelou um importante refinamento de grão na zona processada, independentemente do material e das suas condições de processamento. A resistência mecânica das zonas processadas foi avaliada através de testes de dureza, sendo que se verificou que também esta aumentou drasticamente relativamente à dureza dos substratos. No caso do aço S275 não ocorreram variações da dureza para amostras processadas com a variação da velocidade de avanço da ferramenta, desde que se mantenha constante a sua velocidade de rotação. Contudo, verificou-se que, para a mesma velocidade de avanço da ferramenta, o aumento da velocidade de rotação, ou seja, o aumento do calor induzido pela ferramenta no substrato, aumenta a dureza obtida. No caso do aço S690, a dureza obtida não se alterou com a variação das velocidades de avanço e rotação da ferramenta. Quer a elevada temperabilidade dos aços, quer o seu refinamento de grão provaram ser determinantes no aumento da dureza das superfícies processadas. Finalmente, os testes de fricção realizados em amostras de S275, revelaram um aumento de 100% do coeficiente de fricção estática bem como na rigidez da ligação amostra/contra-corpo das amostras processadas relativamente às não processadas.