搅拌摩擦焊接与加工AZ31镁合金的组织、织构和力学性能研究

搅拌摩擦焊接与加工AZ31镁合金的组织、织构和力学性能研究搅拌摩擦焊(FSW)作为一种新型固相连接技术已被广泛证明是镁合金的理想焊接方法。但当前对镁合金FSW的研究,尤其是对组织-性能关系仍然缺乏系统且深入的阐释。在焊接性能优异的变形镁合金时,FSW接头的力学性能特别是抗拉强度往往难以达到母材水平。优化焊接工艺参数、发展接头强化工艺并揭示其内在机制成为镁合金FSW的研究趋势。另外,随着工业生产中焊接结构及工件形状的不断复杂化,新型FSW衍生技术如双轴肩搅拌摩擦焊(BTFSW)也逐渐得到应用,但是当前关于这种工艺下的镁合金接头组织及性能的研究仍十分不足。除此之外,尽管镁合金FSW接头的组织演变及力学性能与孪生密切相关,当前对搅拌区内具体的孪生行为及机制仍缺乏足够的认识。因此,针对这些问题开展了以下研究工作。对挤压态AZ31板材分别沿着与板材挤压方向成0°、45°、90°夹角的方向进行FSW,以此来获得不同的接头初始织构。研究表明,在相同焊接工艺参数下,接头初始织构的差异几乎不影响搅拌区(SZ)内微观组织及织构演变,而是会导致产生不同的热机影响区(TMAZ)织构。在TMAZ的组织演变过程中,拉伸孪生及相伴的孪晶诱导动态再结晶是主要的影响机制。TMAZ的织构组分表现出随位置连续梯度变化的特点。沿不同方向焊接所得的3种接头具有相近的屈服强度(YS)与抗拉强度(UTS),但对焊接方向与挤压方向成45°的接头,所得接头具有最大延伸率(E1),其各亚区之间良好的变形协调作用能有效缓解局部应变集中。这表明焊接时控制初始织构有助于提高接头综合力学性能。3种接头的SZ内具有相似的硬度分布规律,硬度会随着远离SZ中部而向两侧逐渐减小,这种变化趋势是由SZ内特殊分布的强织构所导致。3种接头的断裂位置表现出明确的倾向性,这与接头各亚区之间变形协调的差异性以及拉伸后期在SZ中部形成的压缩孪晶有关。另外,母材与接头的低周疲劳行为也表现出明显的差异。为了提高接头强度系数以实现等强焊接,研发了两种改善工艺并对其强化机制进行了研究。在工艺参数方面,在焊接时极大提高工具转速后可使SZ出现分层,原有的强织构区域的面积和变形集中程度得以减小,从而改善了接头在拉伸时的非均匀变形行为,缓解了局部应变集中并显著提高了接头性能。在具有环绕分布强织构的区域,拉伸后会在接头表面形成特殊的“凹凸形貌”。三角状的凹陷区域与拉伸过程中拉伸孪晶的扩展分布区域一致,这种形状特点与基面在SZ内的空间分布有关。在SZ内,基面滑移与拉伸孪生在不同亚区的参与程度不同。从SZ后退侧边缘到SZ中部,基面滑移的Schmid因子(SF)会先增大后减小而拉伸孪生的SF则是一直减小。在拉伸全过程中,持续的基面滑移还会导致SZ内晶粒发生定向晶格转动,造成基面滑移SF在近SZ边界区域内持续增大而在近SZ中部区域内持续减小,进一步加剧应变分布的不均匀性。第二种强化工艺则是采用额外道次的搅拌摩擦加工(FSP)来对原始FSW焊缝进行加工。在优化后的工艺参数下,焊后FSP可向整个SZ内引入大量拉伸孪晶。孪晶界的引入可以产生类似细晶强化的作用,同时引入的孪晶取向还能弱化SZ内强织构,减小织构在各亚区分布的不均匀性,从而缓解应变局部化现象并显著改善接头力学性能。对BTFSW镁合金的研究发现,SZ内形成的特殊织构分布是焊接时两套碗状剪切层定向堆垛的结果;TMAZ内的织构演变与其材料流动方式有关,从远离SZ位置到靠近SZ位置,搅拌针的行进使得材料的基面法向绕着板法向略微偏转,而SZ中厚处的材料不足则导致TMAZ内材料的基面逐渐向着平行于SZ边界的位向转动。与传统FSW相比,孪生对双轴肩FSW的TMAZ织构演变的影响较小,因而相较于母材织构取向偏转有限,造成前进侧TMAZ内取向明显软化,从而成为应变局部化和裂纹敏感区域。对FSP镁合金在滑移活跃的受载条件下的孪生行为的研究表明。几何必须位错(GND)的集中与分布方式能够改变局部的应力应变场,使得孪生变体选择更易受到局部应变协调作用而不完全遵循Schmid法则。GND集中带对孪生