搅拌摩擦焊接5083-H321铝合金板材的晶体取向演变

摘要

采用搅拌摩擦焊技术(FSW)焊接了5083-H321铝合金板材，借助光学显微镜(OM)及微区连续拍摄与无缝拼接技术，系统并全面地分析了该合金FSW焊缝各区的晶粒形貌及材料流动轨迹特征;借助透射电子显微镜(TEM)分析了焊缝各区的亚晶、第二相及位错等微结构特征并与母材的微结构进行了对比;通过场发射扫描电子显微镜(SEM)及电子背散射衍射技术(EBSD)和晶体取向分析技术(OIM)，进一步对比性地研究了FSW-5083铝合金焊缝热影响区(HAZ)、热力影响区(TMAZ)和焊核区(NZ)以及母材的晶粒形貌、晶界特性和晶体取向的变化规律;同时，基于FSW过程热效应和材料流动行为及理论，探讨了FSW对5083-H321铝合金板材各类织构演变的影响机理。主要内容及结果如下:
　　1.探明了FSW-5083铝合金板材焊缝各区晶粒形貌特点。轧制母材(BM)晶粒为带状晶，晶内存在大量位错和亚结构;经过搅拌摩擦焊接，焊缝热影响区部分晶粒发生长大，小角度晶界减少，但仍然存在带状组织;热力影响区晶粒形貌与母材相似，但晶粒的伸长方向与轧制方向成一定的夹角，小角度晶界含量较少;焊核区组织为等轴晶粒，其小角度晶界含量均比焊缝其它区域低。母材和焊缝各个区的平均晶粒尺寸d的变化规律为dHAZ＞dBM＞dTMAZ＞dNZ，小角度晶界含量V的变化规律则是VBM＞VTMAZ＞VHAZ＞VNZ。
　　2.研究了焊缝中部单一焊核区内微区组织的特点及其形成原因。整个焊核区虽然都呈现明显的等轴晶粒形貌，但焊核中心及其两侧组织略有差异，焊核前进侧(NAS)、焊核中心(NMZ)和焊核后退侧(NRS)的平均晶粒尺寸的大小关系为dNAS＞dNMZ＞ dNRS，小角度晶界密度V的大小关系则为VNMZ＞VNRS＞VNAS。金属高温变形所引起的动态再结晶是焊核区形成等轴晶粒的根本原因，而焊核区内金属复杂的变形流动导致的温度分布不均是引起其上述组织差异的重要原因。
　　3.探明了FSW-5083铝合金板材焊缝各区晶粒取向性的特点。母材晶体的<110>和<111>方向分别趋于聚集在样品坐标系的[001]和[010]方向;经搅拌摩擦焊接后，焊缝热影响区晶体的<110>和<111>方向聚集情况与母材的相似，但取向强度降低;热力影响区<110>和<111>方向分别趋于聚集在[010]和[100]方向，取向强度较强;而焊核区没有存在明显的取向聚集现象。上述晶体取向的变化意味着经搅拌摩擦焊接后，热影响区保留母材部分取向特征，而热力影响区和焊核区的取向则发生了很大的改变。
　　4.探明了FSW-5083铝合金板材焊缝各区织构组织特征。母材主要织构为黄铜B织构{011}<211>和S织构{123}<634>，其面积百分含量分别为28.2％和13％;热影响区的主要织构为{149}<511>和{236}<385>织构，其面积百分含量分别为11.6％和10.8％，而黄铜织构B{011}<211>的含量仅为6.2％;热力影响区的主要织构为铜型C织构{112}<111>和{112}<132>织构，含量分别为16.4％和8.3％;焊核区中的面心立方金属常见织构的含量都在5.1％以下。
　　5.探明了FSW-5083铝合金板材焊缝各区取向空间内α和β取向线的变化特点。母材α取向线上处于中间位置的B织构的取向密度最强，其余两端组分的取向密度较低且变化较为平缓;热影响区α取向线也呈现了与母材相似的变化趋势，但密度更低且变化更为平缓;而热力影响区和焊核区的α取向线上各织构组分的取向密度变化不大，密度低。母材β取向线上的织构取向密度随着Φ2增加而增加，到B织构时达最高值;热影响区的β取向线变化趋势与母材相似，但取向密度均比母材相同位置低;而热力影响区β取向线的变化则与母材相反，铜型C织构的取向密度最高;焊核区β取向线上各织构组分的取向密度变化不大，密度低。上述α和β取向线的变化特点意味着热影响区保留母材部分组织特征，而热力影响区和焊核区的组织则发生了明显改变。
　　6.基于FSW过程热效应和材料流动行为及理论，探讨了FSW对5083-H321铝合金板材织构演变的影响机理。在搅拌摩擦焊接过程中，热量分布不均是焊缝各区再结晶织构含量不同的主要原因，温度的不同导致回复/再结晶程度的不同，从而导致再结晶织构含量的变化。焊缝各区铝合金主要再结晶织构的总含量变化关系为SHAZ＞SBM＞SNZ＞STMAZ;而FSW过程中焊缝各区材料所受变形方向/程度的不同则是其变形晶织构含量不同的主要原因，焊缝各区铝合金主要变形织构的总含量变化关系为SBM＞STMAZ＞ SHAZ＞SNZ。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 5XXX系铝合金概述

1．2．1 5XXX系铝合金简介

1．2．2 5XXX系铝合金研究现状及问题

1．3 搅拌摩擦焊接概述

1．3．1 搅拌摩擦焊接原理和特点

1．3．2 搅拌摩擦焊接研究现状

1．4 晶体取向研究概述

1．4．1 晶体取向简介

1．4．2 晶体取向测量方法

1．4．3 搅拌摩擦焊缝晶体取向研究现状

1．5 本论文研究目的、内容及技术路线

1．5．1 研究目的及意义

1．5．2 研究的主要内容

1．5．3 研究的技术路线

1．6 本章小结

第二章 试验方案及过程

2．1 搅拌摩擦焊接试验

2．1．1 试验材料准备

2．1．2 试验装置与工艺

2．2 组织观察与分析

2．2．1 光学显微镜(OM)观察

2．2．2 透射电镜(TEM)观察

2．3 电子背散射衍射(EBSD)观察

2．3．1 EBSD试样制备

2．3．2 EBSD试验过程

2．3．3 EBSD试验数据分析

2．4 本章小结

第三章 FSW-5083铝合金焊缝晶体形貌特征

3．1 焊缝横截面组织形貌

3．2 焊缝晶粒形貌变化

3．3 焊缝晶界特性分析

3．4 焊核区非均匀性组织分析

3．5 本章小结

第四章 FSW-5083铝合金焊缝晶体取向特征

4．1 母材晶体取向特征

4．2 热影响区晶体取向特征

4．3 热力影响区晶体取向特征

4．4 焊核区晶体取向特征

4．5 织构组分取向线变化

4．6 本章小结

第五章 FSW-5083铝合金焊缝晶体取向形成机理探讨

5．1 热效应

5．2 材料流动行为

5．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表论文

声明

致谢