攪拌摩擦焊接(FSW)過程中的應變/應變速率以及與之相關的材料微觀組織結構演變行為研究

Alisa 5年前 (2019-04-09) 4196瀏覽

【引言】

攪拌摩擦焊（FSW）作為一種廣為人知的固相連接技術，已經應用在鋁合金、鎂合金、銅合金以及部分高熔點金屬結構材料的焊接成型中。但由于人們對 FSW工藝過程仍缺乏深入理解，使得目前對FSW焊接工藝參數的優化仍然主要依靠經驗，嚴重阻礙了該工藝的大規模工業化應用。因此，闡明FSW過程中材料經受的應變和應變速率并揭示其與焊縫微觀組織結構演變的定量關系，一直都是焊接科研工作者追求的目標。

【成果簡介】

近日，西北工業大學的劉小超副教授（第一作者兼通訊作者）在Science and Technology of Welding and Joining、Journal of Materials Science & Technology 和Acta Materialia公司旗下新刊Materialia上發表了系列最新的研究成果“Experimental evaluation of strain and strain rate during rapid cooling friction stir welding of pure copper”、“Evaluation of dynamic development of grain structure during friction stir welding of pure copper using a quasi in situ method”和“Strain rate dependent micro-texture evolution in friction stir welding of copper”。該系列論文詳細介紹了劉小超副教授及其合作者在純銅攪拌摩擦焊接過程的應變/應變速率評估、晶粒組織和織構隨著應變/應變速率的動態演變等方面取得的最新研究成果。

【圖文導讀】

圖1標記材料（Cu-40Zn）示蹤下的純銅攪拌摩擦焊接過程的材料流動特征

（a）軸肩影響區

（b）攪拌針影響區

圖2 加速流動階段的應變估算

圖3 減速流動階段的應變估算

圖4 軸肩影響區的材料流速、應變和應變速率分布

圖5 攪拌針影響區的應變和應變速率

圖6 加速流動階段晶粒尺寸、小角晶界分數和孿晶界分數隨著累積應變的變化

（a）軸肩影響區

（b）攪拌針影響區

圖7 晶粒細化階段的幾種典型機制

圖8 減速流動階段軸肩影響區晶粒尺寸、小角晶界分數和孿晶界分數隨著累積應變的變化

圖9 攪拌針影響區冷卻階段的晶粒組織結構變化

（a₁）材料流動剛結束時的晶界EBSD圖；（a₂）相對應的ODF圖

（b₁）冷卻后的晶界EBSD圖；（b₂）相對應的ODF圖

圖10 加速流動階段的織構變化

（a）-（d）應變?應變速率?

（e）-（h）應變?應變速率?

圖11 減速階段的織構變化

圖12 簡單剪切織構組分相對含量隨著材料流動路徑的變化

（a）加速流動階段

（b）減速流動階段

【小結】

利用Cu-40Zn雙相黃銅箔片作為標記材料，研究了純銅攪拌摩擦焊接過程中的材料流動。將材料流動假設為二維的平面流動，估算了材料流動過程中的應變和應變速率，定量表征了晶粒組織和織構隨著應變和應變速率的動態演變。攪拌摩擦焊接過程中的材料流動大致可以分為5個階段：預熱階段、加速流動階段、高速流動階段、減速流動階段和冷卻階段（或退火階段）。剪切應變在加速流動階段和減速流動階段發生逆轉，應變速率因此呈現正弦曲線狀變化。晶粒組織在加速流動階段發生了顯著的晶粒細化，而在減速流動階段，由于應變逆轉，晶粒組織先略微粗化，隨后隨著應變的進一步增加又略微細化，在冷卻階段，晶粒組織發生了退火。織構的變化與應變速率密切相關，當應變速率較高時，易形成泰勒因數較小的?{111}?<110>簡單剪切織構，而當應變速率較低時，易形成泰勒因數較大的?{112}?<110>和C {001}?<110>織構。