搅拌摩擦焊接镁及铜合金的微观组织和力学性能

论文摘要

采用搅拌摩擦焊接工艺对6 mm厚的挤压态ZK60镁合金进行了焊接。在广泛的焊接参数（600-1200 rpm的转动速度和50-200 mm/min的焊接速度）下,均得到了高质量的焊接接头。在焊接工具的搅拌和摩擦热的联合作用下,在焊核区形成了细小、均匀的再结晶晶粒,同时ZK60镁合金中的大部分MgZn2粒子被破碎并大部分固溶进镁基体中。对于ZK60镁合金,MgZn2粒子的弥散强化作用高于晶粒细化作用,同时在焊核区存在弱的基面织构,因此焊核区的硬度低于母材硬度,拉伸时接头在焊核区发生断裂。在低热输入参数（≤800 rpm）下,随焊接参数的变化,焊核区晶粒尺寸、焊接接头的抗拉和屈服强度及延伸率变化较小。在高热输入参数（1200 rpm）下,焊核区晶粒明显变大,接头的抗拉和屈服强度略有下降。对焊接接头进行人工时效后,大量细小的MgZn2粒子的弥散析出使得焊核区的硬度高于母材硬度,最低硬度出现在热影响区。不同热输入条件下得到的时效处理的焊接接头的强度和延伸率都有明显提高,而且焊接接头均在热影响区发生断裂。采用搅拌摩擦方法分别对6 mm厚的锻造态和轧制态的ZK60-0.6Y和ZK60-1.1Y耐热镁合金进行焊接和加工。在800 rpm的转动速度和100 mm/min的焊接速度下,得到了致密无缺陷的接头。在焊接工具的搅拌和摩擦热的联合作用下,ZK60-（0.6/1.1）Y合金中的粗大晶粒变成了细小等轴的再结晶晶粒,母材中的大块三元共晶相被破碎并均匀、弥散地分布在基体中,MgZn相溶解到基体中,ZK60-0.6Y合金中的部分I相转变成W相。对焊接接头进行维氏硬度测量显示ZK60-0.6Y焊核区的硬度高于母材硬度,最低硬度出现在热影响区。接头的横向拉伸测试显示接头的强度和延伸率仅略低于母材,接头的抗拉强度能够达到母材的95%。此外,焊接接头在热影响区发生断裂,这与最低硬度分布是相吻合的。由于ZK60-1.1Y的焊核区具有等轴细小的再结晶晶粒和高热稳定性的细小弥散强化相（W相）,因此其具有了能够得到超塑性的先决条件。对其进行超塑性测试发现,在较高的应变速率3×10-3 s-1和450 oC下,得到了635%的超塑性。相对应的母材则无超塑性。通过对该超塑性变形数据进行分析和变形样品表面形貌观察得出,该超塑性变形控制机制为晶界滑移机制。分析超塑性数据得出的激活能接近晶界扩散能,其超塑性变形动力学快于等通道挤压镁合金。在较低的热输入参数（400-800 rpm的转动速度和50-200 mm/min的焊接速度）下,采用搅拌摩擦焊接工艺对5 mm厚的T3纯铜板材进行了焊接,均得到了高质量的焊接接头。详细地分析了不同条件下焊接接头的微观组织和力学性能之间的关系。随着工具转动速度降低或焊接速度的增加,焊核区的晶粒尺寸明显变小。在低热输入参数（400 rpm-50 mm/min和800 rpm-200 mm/min）下,发现了由不同尺寸的晶粒带组成的“洋葱环”,而在高热输入参数（600 -800 rpm和50-150 mm/min）下,“洋葱环”消失。焊核区的晶粒尺寸和对应的维氏硬度和屈服强度分别符合Hall-Petch关系。焊核区中的高角度晶界（晶界错配角> 15°）比例随着转动速度的提高而增加。不同转动速度焊核区中均发现了弱的织构。不同参数下焊接接头的抗拉强度均接近母材,而屈服强度和延伸率低于母材。随着转动速度的提高或焊接速度的降低,接头的屈服强度逐渐降低。所有参数下的焊接接头均断裂在热影响区,这与接头的最低硬度分布是相对应的。在不同的热输入参数（转动速度400-1000 rpm,焊接速度固定为100 mm/min）下,采用搅拌摩擦焊接工艺对5 mm厚的H62黄铜进行了焊接,均得到了高质量的焊接接头。接头的焊核区由完全再结晶晶粒区域和不完全再结晶晶粒区域组成,这主要是由于合金中的大量β相对塑性变形和再结晶过程的阻碍。随着转动速度的增加,未再结晶晶粒比例降低,同时再结晶晶粒尺寸增加。焊核区的硬度高于母材硬度。随着转动速度的增加,接头的抗拉和屈服强度无明显变化,但是延伸率明显增加,接头均在热影响区发生断裂。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 搅拌摩擦焊接简介
• 1.2.1 工作原理
• 1.2.2 工艺参数
• 1.3 搅拌摩擦焊接焊缝组织
• 1.3.1 温度场分布
• 1.3.2 再结晶机理
• 1.3.3 晶界特性
• 1.4 镁合金搅拌摩擦焊接研究现状
• 1.5 搅拌摩擦加工铝和镁合金超塑性成型的研究现状
• 1.5.1 搅拌摩擦加工铝合金超塑性的研究现状
• 1.5.2 搅拌摩擦加工镁合金超塑性的研究现状
• 1.6 铜及铜合金的搅拌摩擦焊接研究现状
• 1.7 本文研究内容
• 第2章 试验材料与试验方法
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 镁合金
• 2.1.2 纯铜和铜合金
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 搅拌摩擦焊接（FSW） 和搅拌摩擦加工（FSP）
• 2.2.2 微观组织
• 2.2.3 硬度测试
• 2.2.4 差示扫描量热分析
• 2.2.5 拉伸试验
• 2.2.6 超塑性拉伸试验
• 2.2.7 光学显微镜观察
• 2.2.8 XRD分析
• 2.2.9 扫描电镜观察
• 2.2.10 EBSD测量
• 第3章 焊接参数对ZK60 接头微观组织和力学性能的影响
• 3.1 搅拌摩擦焊接ZK60 镁合金的微观组织
• 3.2 ZK60 镁合金的搅拌摩擦焊接头的织构分布
• 3.3 搅拌摩擦焊接ZK60 镁合金的力学性能
• 3.4 本章小结
• 第4章 搅拌摩擦焊接/加工ZK60-Y镁合金的微观组织和超塑性
• 4.1 ZK60-0.6Y合金的搅拌摩擦焊接接头的微观组织
• 4.2 搅拌摩擦加工ZK60-Y合金的超塑性研究
• 4.3 本章小结
• 第5章 搅拌摩擦焊接纯铜的微观组织和力学性能
• 5.1 搅拌摩擦焊接纯铜焊核区的微观组织和力学性能
• 5.2 转动速度对焊接接头微观组织和力学性能的影响
• 5.3 焊接速度对焊接接头微观组织和力学性能的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 搅拌摩擦焊接黄铜的微观组织和力学性能
• 6.1 搅拌摩擦焊接黄铜接头的微观组织分析
• 6.2 搅拌摩擦焊接黄铜接头的力学性能
• 6.3 搅拌摩擦焊接黄铜焊核区的再结晶
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历