搅拌摩擦焊接镁合金微区织构、力学性能与断裂机制

发布时间：2020-03-14 08:52

【摘要】：搅拌摩擦焊接镁合金焊缝区容易形成复杂的微区织构，且该织构对接头力学性能与断裂行为有重要影响。本文以常用商业镁合金搅拌摩擦焊接头为研究对象，采用电子背散射衍射（EBSD）技术考察焊缝微区织构在拉伸、压缩、弯曲等不同变形方式中对接头各区域塑性变形机制、微观组织演变、接头力学性能与断裂行为的影响规律。论文主要包含两部分，其一，以ZK60-AZ31异种镁合金搅拌摩擦焊接头为研究对象，探索微区织构、界面特征对接头断裂行为的影响机制；其二，以AZ31镁合金搅拌摩擦焊接头为研究对象，探索后续变形中焊缝微区织构对接头微观组织演变与力学性能的影响规律。采用两种不同的材料放置方式（AZ31或ZK60放于前进侧）研究ZK60-AZ31异种镁合金搅拌摩擦焊接性能。结果显示：①搅拌摩擦焊能成功实现ZK60-AZ31异种镁合金焊接，焊缝区晶粒尺寸得到显著降低，且分布不均匀，，其中AZ31侧搅拌区晶粒尺寸约~9μm，而ZK60侧搅拌区约~3μm。ZK60侧第二相粒子得到显著细化，并从母材的沿晶界分布转变成焊缝区的弥散分布。②两种材料放置方式对ZK60-AZ31异种镁合金接头力学性能与断裂位置影响不大，接头的抗拉强度为AZ31原始板材的78-82%。接头屈服强度比AZ31原始板材高，但比ZK60原始板材低。两种接头都断裂在AZ31侧过渡区/焊缝区界线附近，显微硬度在该界线两侧的突变以及AZ31合金为“软”材料是其断裂在AZ31侧的主要原因。对ZK60/AZ31接头横向拉伸试样采用CZ、SZ与EN三种不同的取样方式，考察微区织构、界面特征对接头力学性能与断裂行为的影响机制。结果显示：不同取样方式所得接头力学性能相似，但也有一定差异，其中EN样品力学性能最佳，CZ样品次之，SZ样品最差。三种样品的断裂位置有较大差异，其中CZ、SZ样品断裂在后退侧，靠近“软”材料AZ31侧；而EN样品断裂在前进侧过渡区/焊缝区界线，靠近“硬”材料ZK60侧。这主要是由于接头在该界线附近存在三相交界区，三相交界区内晶粒尺寸与微区织构存在明显差异，导致横向拉伸时该区域容易产生应变不协调，并促使EN样品断裂在“硬”材料ZK60侧的过渡区/焊缝区界线处。对搅拌摩擦焊接AZ31合金进行横向拉伸、压缩实验，研究两种变形方式下焊缝各微区微观组织演变、接头力学性能的差异，并通过分析两种变形方式下接头宏观塑性变形不均匀行为及特征区域的微观组织，探索不同塑性变形机制对接头断裂行为的影响规律。结果显示：①接头各区域的塑性变形机制、微观组织演变在两种变形方式下有显著差异。拉伸时搅拌区边部产生大量{10-12}孪晶，而其它区域形成的孪晶较少；压缩时搅拌区边部产生的{10-12}孪晶较少，而搅拌区中心与冠状区中心产生了大量孪晶，且拉伸、压缩样品孪生主导区的绝大多数{10-12}孪生变体选择都符合施密特因子判据。②接头横向拉伸、压缩变形5%样品存在明显的宏观塑性变形不均匀行为，并在接头横截面上形成显著的表面凹凸现象。该凹凸现象在横截面正、反两面存在较大差异，且搅拌区比冠状区严重。认为焊缝区复杂分布的微区织构是导致接头宏观塑性变形不均匀行为的根本原因，而基面滑移对表面凹凸现象的形成具有突出贡献。对搅拌摩擦焊接AZ31合金采用背弯、面弯两种变形方式，探索弯曲过程中微区织构对接头微观组织演变与弯曲性能的影响规律。结果显示：①两种弯曲方式下搅拌区微观组织演变有显著差异。背弯样品搅拌区边部产生大量拉伸孪晶，而搅拌区中心的孪晶较少；面弯样品搅拌区边部的孪晶较少，而搅拌区中心产生的孪晶较多。②镁合金搅拌摩擦焊接头的弯曲屈服强度高于原始板材，且面弯样品的屈服强度高于背弯样品，但背弯、面弯样品的最大弯曲强度都低于原始板材。两种弯曲方式下接头的断裂位置相似，焊缝下层都是沿前进侧过渡区/搅拌区界线发生断裂，而焊缝上层都断裂在前进侧冠状区边部。
【图文】：

滑移系,镁合金,滑移,锥面

镁及镁合金的塑性变形机制主要包括两部分：滑移和孪生。图1.1 镁合金主要的滑移系[6]：(a) <a> 基面滑移；(b) <a> 柱面滑移；(c) <a> 锥面滑移；(d)<c+a> 锥面滑移Figure 1.1 Schematic diagrams illustrating slip systems in magnesium alloys[6]: (a)~(c) Basal,prismatic and pyramidal slips of <a> dislocations; (d) Pyramidal slips of <c+a> dislocation.① 滑移当晶面间距较大，且具有最小的晶格平移矢量时，滑移的阻力最小，最容易发生开动。在镁晶胞中，原子最密排面为（0001），原子最密排方向为<11-20>，且在{0001}面具有最大的晶面间距，因此基面<a>滑移最容易开动。镁合金除了基面<a>滑移外，还有柱面<a>滑移、锥面<a>滑移和锥面<c+a>滑移，图 1.1 给出了各

曲线,加工硬化率,单轴压缩,孪晶

始启动（阶段 I），对应材料的屈服；其次{10-12}拉伸孪晶（阶段 II）；随后孪晶的交互作用或二次孪生使加工硬化率10-12}拉伸孪生饱和，导致加工硬化率逐渐降低（阶段 IV工硬化率的影响机制主要有以下三方面：(1) 孪晶界阻碍位化率[9,17]；(2) 孪生导致晶体转动，使晶粒从初始的软取向工硬化率[14,18]；(3) 使晶粒中的滑动位错变成孪晶片层中率上升[16]。由于孪生极性的存在，镁合金在不同受力方向观组织演变差异较大，使镁合金具有较强的力学性能各向[19,20]。此外，孪晶与变形镁合金中裂纹的萌生与扩展有密为有重要影响[1,21,22]。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TG453.9;TG146.22

【参考文献】