搅拌摩擦焊接(FSW)过程中的应变/应变速率以及与之相关的材料微观组织结构演变行为研究

Alisa 5年前 (2019-04-09) 4554浏览

【引言】

搅拌摩擦焊（FSW）作为一种广为人知的固相连接技术，已经应用在铝合金、镁合金、铜合金以及部分高熔点金属结构材料的焊接成型中。但由于人们对 FSW工艺过程仍缺乏深入理解，使得目前对FSW焊接工艺参数的优化仍然主要依靠经验，严重阻碍了该工艺的大规模工业化应用。因此，阐明FSW过程中材料经受的应变和应变速率并揭示其与焊缝微观组织结构演变的定量关系，一直都是焊接科研工作者追求的目标。

【成果简介】

近日，西北工业大学的刘小超副教授（第一作者兼通讯作者）在Science and Technology of Welding and Joining、Journal of Materials Science & Technology 和Acta Materialia公司旗下新刊Materialia上发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”。该系列论文详细介绍了刘小超副教授及其合作者在纯铜搅拌摩擦焊接过程的应变/应变速率评估、晶粒组织和织构随着应变/应变速率的动态演变等方面取得的最新研究成果。

【图文导读】

图1标记材料（Cu-40Zn）示踪下的纯铜搅拌摩擦焊接过程的材料流动特征

（a）轴肩影响区

（b）搅拌针影响区

图2 加速流动阶段的应变估算

图3 减速流动阶段的应变估算

图4 轴肩影响区的材料流速、应变和应变速率分布

图5 搅拌针影响区的应变和应变速率

图6 加速流动阶段晶粒尺寸、小角晶界分数和孪晶界分数随着累积应变的变化

（a）轴肩影响区

（b）搅拌针影响区

图7 晶粒细化阶段的几种典型机制

图8 减速流动阶段轴肩影响区晶粒尺寸、小角晶界分数和孪晶界分数随着累积应变的变化

图9 搅拌针影响区冷却阶段的晶粒组织结构变化

（a₁）材料流动刚结束时的晶界EBSD图；（a₂）相对应的ODF图

（b₁）冷却后的晶界EBSD图；（b₂）相对应的ODF图

图10 加速流动阶段的织构变化

（a）-（d）应变应变速率

（e）-（h）应变应变速率

图11 减速阶段的织构变化

图12 简单剪切织构组分相对含量随着材料流动路径的变化

（a）加速流动阶段

（b）减速流动阶段

【小结】

利用Cu-40Zn双相黄铜箔片作为标记材料，研究了纯铜搅拌摩擦焊接过程中的材料流动。将材料流动假设为二维的平面流动，估算了材料流动过程中的应变和应变速率，定量表征了晶粒组织和织构随着应变和应变速率的动态演变。搅拌摩擦焊接过程中的材料流动大致可以分为5个阶段：预热阶段、加速流动阶段、高速流动阶段、减速流动阶段和冷却阶段（或退火阶段）。剪切应变在加速流动阶段和减速流动阶段发生逆转，应变速率因此呈现正弦曲线状变化。晶粒组织在加速流动阶段发生了显著的晶粒细化，而在减速流动阶段，由于应变逆转，晶粒组织先略微粗化，随后随着应变的进一步增加又略微细化，在冷却阶段，晶粒组织发生了退火。织构的变化与应变速率密切相关，当应变速率较高时，易形成泰勒因数较小的{111} <110>简单剪切织构，而当应变速率较低时，易形成泰勒因数较大的{112} <110>和C {001} <110>织构。