铝/钢搅拌摩擦搭接强流变作用下界面行为及力学性能研究

摘要

铝/钢异种金属材料复合接头具有减轻结构重量、降低成本等优势，在航空航天、轨道交通等领域内具有极其广泛的应用前景，其连接技术是工程技术领域的一个热点和难点问题。搅拌摩擦焊作为一种固相焊接方法，目前已成功应用于铝、镁、铜等有色金属的连接，异种金属材料的连接正成为搅拌摩擦焊的研究热点。由于物理、化学性质差异较大，铝/钢搅拌摩擦焊难度大，存在接头性能低、易产生脆性金属间化合物等问题。本文研究了3 mm厚6082-T6铝合金与2 mm厚Q235A异种金属搅拌摩擦焊搭接技术，揭示了搅拌摩擦焊焊缝表面成形机制，研究了工艺参数对接头微观组织和力学性能的影响规律，阐明了强形变作用下界面的成形特征，分析了铝/钢搅拌摩擦焊搭接过程中界面层金属间化合物的形成机制。
　　通过铝/钢搅拌摩擦焊搭接试验研究，分析了接头焊缝铝合金表面及搭接界面钢表面的弧纹状结构。焊缝表面形成了凸凹交替、连续分布的半圆弧状纹线，接头横截面表层组织呈现出了连续性的锯齿形的形状。通过对焊缝中心弧形纹的三维立体形貌表征，发现相邻两波峰或者波谷之间的距离等于搅拌头每旋转一周所前进的距离。固定转速1000 r/min，低焊接速度的情况下，表层立体形貌呈正弦波结构，随着焊接速度的增大，正弦波演变为“对钩”形结构。固定焊接速度为200 mm/min，改变转速时，表层纹路立体形貌保持“对钩”形结构不变。
　　对接头宏、微观组织特征进行分析，阐明了接头性能与微观组织的相关性。研究结果表明，接头横截面由搅拌区、热机影响区、热影响区、铝-钢界面区和母材五部分组成。界面区呈涡旋或层叠卷曲特征，主要由Fe颗粒、Fe-Fe/Al金属间化合物叠层复合结构以及弥散的颗粒复合结构三类组织构成；接头的抗剪切强度值较低，断口表面可以检测到Al、Fe、Fe/Al金属间化合物等物相的存在；接头的硬度分布情况与显微组织相对应，在焊核与母材的过渡区存在明显的硬度软化特征。铝/钢搭接搅拌摩擦焊试验研究表明，随着焊接速度的提高或者转速的降低，接头有效搭接面积减小，界面区金属间化合物含量减小，涡旋或层叠卷曲状组织结构逐渐向平滑型组织转变，接头抗剪强度提高。焊接速度从25 mm/min增加到400 mm/min时，接头承载能力提高了43.8％，在焊接速度为200 mm/min，转速为800 r/min时，所得接头的最大拉剪载荷最高达到7400N。
　　对铝/钢搅拌摩擦焊搭接界面处化合物的形成进行了热力学分析，提出了强流变作用下界面区金属间化合物层的成因。搅拌摩擦焊接过程中，原始的Al、Fe晶粒拉长形成层状组织，随后分别发生不连续和连续动态再结晶；搅拌针作用后，Fe/Al界面处首先形成FeAl3相，在FeAl3往Fe晶内生长的同时Fe/FeAl3界面开始形成 FeAl2和FeAl相，即形成了Al-FeAl3-FeAl2/FeAl-Fe叠层复合结构。通过TEM分析，塑性变形作用会产生大量的位错，有利于促进管道扩散和晶界扩散，同时动态再结晶晶粒可以缩短扩散距离和增加参加扩散的晶界数量，搅拌摩擦焊过程显著提高了金属间化合物的长大速率。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 铝/钢异种金属连接的研究现状及分析

1.3 铝/钢异种金属搅拌摩擦焊研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 试验材料、设备及方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备

2.3 检测及分析方法

第3章 强流变作用下接头表面成形特征

3.1 焊缝表面成形

3.2 焊缝成形特征

3.3 焊缝表面成形与焊接参数的几何关系

3.4 表面形貌特征及形成机制

3.5 本章小结

第4章 强流变作用下接头组织及力学性能

4.1 接头宏微观组织

4.2 焊接参数对接头宏观形貌的影响

4.3 焊接参数对微观组织特征的影响

4.4 接头力学性能与断口特征

4.5 本章小结

第5章 强流变作用下界面演变特征及微观力学性能

5.1 焊接参数对界面区组织的影响

5.2 界面层宏微观组织特征

5.3 界面区钢表层组织形变特征

5.4 界面区钢表层形变组织力学性能表征

5.5 Al-Fe金属间化合物形成热力学

5.6 界面层结构形成机理

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文及其它成果

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