Technologia stopowania tarciowego (ang. friction stir alloying – FSA) jest jedną z najnowszych metod wytwarzania kompozytów i wciąż jest rozwijana. Otrzymane kompozyty wykazują się jednorodną dystrybucją cząsteczek fazy wzmacniającej w obszarze mieszania, jednak budowa strukturalna materiału modyfikowanego charakteryzuje się niejednorodnością, co jest związane z termo-mechanicznym przebiegiem procesu FSA. Niniejsza praca dotyczy modelowania numerycznego procesu stopowania tarciowego, w której analizę przeprowadzono przy użyciu metody elementów dyskretnych. Podjęto także próbę oszacowania właściwości mechanicznych otrzymanego kompozytu. W pracy przedstawiono nowy model opisujący siłę i moment oddziaływania pomiędzy poszczególnymi elementami dyskretnymi. Model ten został opracowany w oparciu o teorię braci Cosserat, przy czym został on rozszerzony o zjawiska lepko-plastyczne oraz model uszkodzenia materiału. Dodatkowo zastosowano sprzężenie pola mechanicznego z polem termicznym w celu lepszego odwzorowania przebiegu rzeczywistego procesu FSA. Wyniki numeryczne zostały następnie porównane z danymi eksperymentalnymi, które dotyczyły przebiegu siły osiowej, momentu obrotowego oraz temperatury zarejestrowanych w trakcie zagłębiania się narzędzia w materiale modyfikowanym. Porównano także profile nanotwardości, a otrzymaną warstwę kompozytu poddano analizie mikrostrukturalnej.
Zaobserwowano pewne rozbieżności pomiędzy wynikami obliczeń numerycznych i wartościami zarejestrowanymi w trakcie badań doświadczalnych. Siła osiowa oraz moment obrotowy otrzymane z symulacji numerycznej charakteryzowały się wyższymi wartościami w końcowej fazie etapu zagłębiania narzędzia w porównaniu do danych eksperymentalnych. Natomiast temperatura towarzysząca procesowi była znacznie niższa w stosunku do zarejestrowanej w trakcie wytwarzania kompozytu. Także otrzymane wyniki nanotwardości z analizy numerycznej wykazywały niższe wartości w porównaniu do wartości zmierzonych doświadczalnie. Wytłumaczeniem powstałych rozbieżności może być przyjęte założenie o dekompozycji tensora odkształcenia, które w przypadku stosowania metody elementów dyskretnych, ogranicza odwzorowanie rzeczywistego zachowania się materiału poddanego obciążeniu. Wyniki te potwierdzają potencjalną możliwość zastosowania opracowanego modelu w modelowaniu zachowania się materiałów ciągliwych, jednak wymagane jest wprowadzenie pewnych modyfikacji w opisie matematycznym.
Friction Stir Alloying (FSA) technology is one of the latest methods of composites production, which is still developing. Composites demonstrate homogeneous distribution reinforcement in the mixing zone; however, the modified material has a heterogeneous microstructure, which is related to the thermo-mechanical phenomena during the FSA process. This thesis concerns the numerical modelling of the friction stir alloying process, wherein the analysis the discrete element method was used. An attempt was also made to estimate the mechanical properties of the obtained composite. In the work a new model was presented that describes the force and the moment of interaction between discrete elements. This model was created based on the theory of the Cosserat brothers and was extended to include viscoplastic phenomena and a material damage model. In addition, the coupling of the mechanical field and the thermal field was done to better represent the FSA process. The numerical results were compared with the experimental data on the axial force, torque, and temperature recorded during the penetration of the tool into the modified material. The nanohardness profile was also compared, and the microstructure observations were made for obtained composite.
Some differences were observed between the results of numerical simulation and the values recorded during experimental studies. The axial force and torque obtained from the numerical simulation were characterised by an increase in the value in the final stage of the penetration of the tool compared to the experimental data. However, the temperature accompanying the process was lower than that recorded during composite production. In addition, the nanohardness results obtained from the numerical analysis demonstrated lower values. The explanation of the observable differences may be the assumption on the strain tensor decomposition, which, in the case of using the discrete element method, results in the limitation of real behaviour of the material. These findings reinforce the potential use of the introduced model in modelling the behaviour of ductile material applications, but some modifications in the mathematical description must be introduced.
