外文翻譯--攪拌摩擦焊焊接az31鎂合金的微觀組織結(jié)構(gòu)研究 中文版

1、<p>　　攪拌摩擦焊焊接AZ31鎂合金的</p><p><b>　　微觀組織結(jié)構(gòu)研究</b></p><p>　　H．Zhang S．B．Lin Wu and J．C．Feng</p><p>　　高端焊接生產(chǎn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱技術(shù)研究所，哈爾濱150001，中國</p><p>　　截稿日期2003年

2、6月30日，修訂時(shí)間2003年10月18日</p><p>　　攪拌摩擦焊焊接是通過焊接工具旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的摩擦熱使母材塑性軟化來實(shí)現(xiàn)焊接的，其結(jié)果導(dǎo)致了鎂合金微觀組織結(jié)構(gòu)的改變。最終的微觀組織結(jié)構(gòu)包括動(dòng)態(tài)的再結(jié)晶區(qū)和自然結(jié)構(gòu)區(qū)，這些結(jié)構(gòu)已經(jīng)系統(tǒng)地用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、能量分光鏡、X射線衍射，以及微觀硬度計(jì)來研究過了。攪拌摩擦焊成功地焊接了AZ31鎂合金，同時(shí)也表現(xiàn)出微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化，這些變化

3、包括動(dòng)態(tài)的再結(jié)晶區(qū)和母材的晶粒細(xì)化區(qū)，與最初材料的硬度相比，母材的硬度有了稍微的變化，但不是很明顯。</p><p>　　關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊，AZ31鎂合金，焊接母材，機(jī)械熱影響區(qū)，微觀組織結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　1．導(dǎo)論</b></p><p>　　近些年，鎂合金的工業(yè)生產(chǎn)量以每年20%的速度增長(zhǎng)，其發(fā)速度比任何金屬都快。鎂合金比相

4、同密度的工程材料更硬，回收率更高。同等體積的鎂合金制造產(chǎn)品的重量大約為鋼的23%，隨著重量的下降，重量每減少100Kg，燃料就可減少5%，然而用傳統(tǒng)的熔化焊來焊接鎂合金則更容易產(chǎn)生氣孔和裂紋。</p><p>　　攪拌摩擦焊技術(shù)是一種連接鎂合金的新技術(shù)，這種技術(shù)是英國焊接研究所1991年研制成功的。與其它焊接方法相比，這種焊接方法具有低變形率、高連接強(qiáng)度的特點(diǎn)，并且還可以連接大多的鈦合金。</p>

5、<p>　　攪拌摩擦焊焊接是通過焊接工具高速旋轉(zhuǎn)與材料的摩擦熱來使母材塑性軟化來實(shí)現(xiàn)固相連接的，其結(jié)果導(dǎo)致了鎂合金微觀組織結(jié)構(gòu)的變化。攪拌摩擦焊焊接過程中微觀組織結(jié)構(gòu)的改變一度成為研究的對(duì)象，這種改變說明在攪拌摩擦過程中摩擦熱引起了明顯的微觀組織結(jié)構(gòu)改變，這種改變導(dǎo)致了焊接接頭機(jī)械性能的變化。所以，微觀組織結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能的關(guān)系是非常重要的，但是這種關(guān)系的詳情到目前還不知曉。到目前為止，大多研究都集中于鋁合金的攪拌摩擦焊，很少集

6、中于鎂合金。此次研究的目的就是證明攪拌摩擦焊連接鎂合金的可能性，用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、能量分光鏡、X射線衍射以及微觀硬度計(jì)來觀測(cè)組織結(jié)構(gòu)的形成和分布。</p><p><b>　　2．實(shí)驗(yàn)</b></p><p>　　此次研究所使用的基體金屬為鍛造鎂合金AZ31（名義上含有3%鋁，1%鋅，在重量百分比中與鎂相等），2.5mm厚，100mm寬，200mm長(zhǎng)。

7、兩塊材料是由用150mm/min的焊速和750r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行攪拌摩擦焊連接起來的。</p><p>　　有助于結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的焊縫冶金學(xué)檢驗(yàn)也被采用。焊接是橫向進(jìn)行的，所有的部分都是平行于焊縫的。相對(duì)軟的，電抗性的AZ31鎂合金用氧化鎂溶液锃亮。此锃亮的表面是由2g/100ml的草酸溶液腐蝕的。用新鮮的酒精重復(fù)地潑向表面以阻止殘?jiān)男纬?。焊縫的微觀組織結(jié)構(gòu)可通過光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、能量分光鏡分析系統(tǒng)來

8、觀察。為了用透射電鏡觀察，3mm直徑的薄圓板用電子控制機(jī)械從焊縫上切割下來。攪拌摩擦焊焊后。在焊縫的正交方向上用維氏硬度計(jì)測(cè)量焊縫的硬度。</p><p><b>　　3．結(jié)果與討論</b></p><p><b>　　圖1</b></p><p>　　圖1顯示的是一個(gè)用攪拌摩擦焊焊接的典型樣品，同時(shí)也圖解了來自焊接件粒度

9、結(jié)構(gòu)的變化。焊接方向未標(biāo)出，旋轉(zhuǎn)方向是逆時(shí)針的。</p><p>　　焊接過程中不僅僅產(chǎn)生熱影響區(qū)，在焊縫附近也產(chǎn)生機(jī)械熱影響區(qū)。焊接母材與深入厚度方向上的指針相接觸。廣大的區(qū)域變形和隨后的再結(jié)晶與旋轉(zhuǎn)的工具軸肩是有關(guān)系的。用攪拌摩擦焊焊接2.5mm厚的AZ31鎂合金板可以形成一個(gè)大約5mm寬的焊透的焊縫。</p><p>　　3．1 微觀組織結(jié)構(gòu)的發(fā)展</p><p&

10、gt;<b>　　圖 2</b></p><p>　　用光學(xué)顯微鏡來觀察是為了說明如圖2a所示的微觀組織結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。焊縫區(qū)域（圖2b和c）是由細(xì)化的再結(jié)晶的微小顆粒組成。這些區(qū)域都經(jīng)受過高溫、很大程度的塑性變形，并且含有比基體金屬更細(xì)化的顆粒。被焊接位置前面的材料首先進(jìn)入旋轉(zhuǎn)區(qū)域，該區(qū)域與指針一起旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，同時(shí)也發(fā)生了很大的變形。指針前面的金屬被拖被擠，然后到指針后面的金屬中。焊接位置前部的

11、和后部的金屬都由細(xì)小的顆粒構(gòu)成，幾乎沒有什么不同。接近焊縫的是機(jī)械熱影響區(qū)，在機(jī)械熱影響區(qū)中的基體金屬也經(jīng)歷了一些變形。機(jī)械熱影響區(qū)在攪拌摩擦焊焊接過程中經(jīng)歷了高溫和變形，但這樣的變形不足以引起再結(jié)晶。圖2d揭示了機(jī)械熱影響區(qū)的變形可以導(dǎo)致顆粒結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重彎曲。圖2e說明了焊縫區(qū)和機(jī)械熱影響區(qū)的粒度不同。</p><p>　　圖2a顯示AZ31基體金屬的顆粒是被拉長(zhǎng)的，成薄烤餅形的，反映出變形是在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的。

12、相反，焊縫的組織結(jié)構(gòu)在攪拌摩擦焊焊接過程中由于再結(jié)晶而顯得更加細(xì)小和各方等大。</p><p>　　3．2 透射電鏡分析</p><p><b>　　圖3</b></p><p>　　基體金屬區(qū)域、機(jī)械熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的透射電鏡鏡像如圖3a所示。透射電鏡鏡像說明機(jī)械熱影響區(qū)和焊縫區(qū)有較高位錯(cuò)密度的顆粒群（如圖3d和c）。圖3c顯示攪拌摩擦焊焊接

13、的AZ31鎂合金有再結(jié)晶晶粒的焊縫，同樣含有很高的位錯(cuò)密度。動(dòng)態(tài)的再結(jié)晶過程的結(jié)晶部分以盡可能多的能量來驅(qū)動(dòng)自身的移動(dòng)。自從材料還如動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程一樣聯(lián)系比較緊密的時(shí)候，在移動(dòng)方向的前方非結(jié)晶材料和移動(dòng)方向的后方結(jié)晶材料中，攪拌區(qū)域中結(jié)晶顆粒被觀察到含有一定的位錯(cuò)。事實(shí)上，在移動(dòng)方向后方有些位錯(cuò)密度減小的區(qū)域，但是這些區(qū)域相對(duì)較窄，用透射電鏡不容易觀察到。</p><p>　　圖3a顯示的是基體材料得到的許多成對(duì)

14、變形中的一個(gè)樣板。這些成對(duì)的變形，腐蝕過的要在顯微照片上觀察到是很困難的（如圖2）。</p><p>　　圖3d是焊縫區(qū)域和機(jī)械熱影響區(qū)域的組織的能量分布圖。鎂和鋅元素在重量百分比中各占51.1%和48.9%，而在機(jī)械熱影響區(qū)中的原子比例各占73.8%和26.2%，如圖3e所示。機(jī)械熱影響區(qū)組織的成分可以被計(jì)算的X和Y的比率為2.83。同樣地，在焊縫組織中X和Y的比率為0.114。鋁——鎂組織圖顯示，高于593K

15、的溫度會(huì)引起分子的分碎，分碎為原子。在焊縫和機(jī)械熱影響區(qū)中，攪拌摩擦焊焊接過程中足夠的摩擦熱可以引起不包含共熔結(jié)構(gòu)的微觀組織結(jié)構(gòu)的變化，這或許可以解釋為什么在焊縫和機(jī)械熱影響區(qū)的組織中不含鋁元素。</p><p><b>　　3．3 X射線衍射</b></p><p>　　帕克曾明確指出，有一個(gè)0001面的再結(jié)晶組織很另類地分布在攪拌摩擦焊的攪拌區(qū)域。鎂合金是一個(gè)六面

16、體結(jié)構(gòu)。X射線衍射表明，在攪拌摩擦焊焊接過程中沒有新組織產(chǎn)生，僅僅由于優(yōu)先選擇方向而加強(qiáng)了002面和101面的強(qiáng)度（如圖4）。這可以用來均勻化攪拌摩擦區(qū)域的位錯(cuò)積累。</p><p><b>　　圖4</b></p><p><b>　　3．4 硬度</b></p><p>　　在材料的平均厚度位置，在與攪拌摩擦區(qū)域垂直的

17、方向上，基體金屬上沿著一條線來做維氏硬度測(cè)量。上海XH—1000數(shù)字硬度測(cè)試機(jī)加以0.5N的載荷。圖5繪出了測(cè)量結(jié)果。</p><p><b>　　圖5</b></p><p>　　攪拌摩擦區(qū)域硬度值有一點(diǎn)點(diǎn)空缺，這與硬化鋁合金的硬度和強(qiáng)度空缺是大不相同的，這種鋁有Al2024，6061和7075，沒有強(qiáng)度空缺或其它特性突變的先進(jìn)的焊接方法可能會(huì)在鎂合金的攪拌摩擦焊焊

18、接中出現(xiàn)，在此焊接中不會(huì)發(fā)生退火效應(yīng)。這樣的情況會(huì)出現(xiàn)在很多的鍛造和鑄造產(chǎn)品中，例如壓鑄件鎂合金AZ91D，還有其它合金，如AM50和AZ60，這些合金含有很少的。退火效應(yīng)在AZ31B合金中沒有發(fā)生過。</p><p>　　4．組織結(jié)構(gòu)發(fā)展機(jī)制</p><p>　　在攪拌摩擦焊焊接過程中，軸肩與基體金屬的摩擦產(chǎn)生了足夠的熱量來使材料塑性變軟并變形，從而形成好的接頭。焊接溫度低于相變點(diǎn)并且沒

19、有新相產(chǎn)生，但是存在一個(gè)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程。在焊縫區(qū)域的熱和變形是集中的，在指針周圍存在塑性變軟的材料，之后冷卻形成可靠的接頭，在冷卻過程中由于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶作用形成了許多新核。鎂合金具有很好的導(dǎo)熱性，晶粒沒有時(shí)間長(zhǎng)大，所以隨著冷卻的迅速完成仍然是細(xì)小的。機(jī)械熱影響區(qū)同樣經(jīng)歷了變形和再結(jié)晶，但不像焊縫區(qū)域那樣明顯，這是因?yàn)闄C(jī)械熱影響區(qū)在指針的周圍，僅受軸肩的影響，微觀組織結(jié)構(gòu)的變化主要依靠軸肩與指針的摩擦。</p><p&g

20、t;　　考慮到基體金屬的晶粒，在旋轉(zhuǎn)操作過程中產(chǎn)生的格子位錯(cuò)可以得到低能量位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，也可以均勻地分散在晶粒的內(nèi)部。</p><p><b>　　5．結(jié)論</b></p><p>　　用攪拌摩擦焊焊接AZ31鎂合金可以得到低變形和無裂紋的焊縫。在攪拌摩擦焊焊接AZ31鎂合金時(shí)，檢驗(yàn)微觀組織結(jié)構(gòu)與硬度輪廓分布的研究運(yùn)用了光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、結(jié)果如下：</

21、p><p>　?。?）焊縫的晶粒結(jié)構(gòu)可分為三個(gè)區(qū)域：焊縫中心周圍的再結(jié)晶細(xì)化晶粒；在基體金屬中被拉長(zhǎng)和呈薄烤餅形的晶粒；在機(jī)械熱影響區(qū)內(nèi)的有很大變形的晶粒。</p><p>　　（2）焊縫硬度稍微低于母材硬度，但不是很明顯。</p><p>　?。?）焊縫中無新相產(chǎn)生，但存在高的位錯(cuò)錯(cuò)密度。</p><p><b>　　致謝</b

22、></p><p>　　這項(xiàng)工作受到中國國際高端技術(shù)開發(fā)基金會(huì)的支持，作者非常感謝吳博士對(duì)手稿有建樹性的閱讀指導(dǎo)，也很感謝J.X.Ning和G.H.Xue兩位同志對(duì)實(shí)驗(yàn)的協(xié)助。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1 R．Johnson，Prelinan~ Assessment ofthe Friction

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