热处理对AZ31镁合金搅拌摩擦焊接头微观组织及力学性能的影响

摘要

镁合金由于其诸多优点在工业制造以及通讯设备制造等行业被广泛应用。实际应用中，镁合金的使用过程中需要用到复杂的构件，因此需要连接技术得以实现。搅拌摩擦焊是一种新型固相连接技术，在焊接过程中不存在材料的熔化，因此有效的避免了镁合金熔化焊所引起的缺陷，从而得到高性能的焊接接头。但由于搅拌摩擦焊也存在其自身的缺点，从而难以获得与母材性能相匹配的焊接接头。热处理可以通过均匀化接头组织、消除残余应力等来改善接头的力学性能，为镁合金在工业生产和工程实际中得到更好的应用提供理论基础，研究具有一定的实际意义。
　　采用不同焊接参数对5.3 mm厚镁合金板材进行搅拌摩擦焊焊接，从被焊接头中得到最佳的焊接参数，并对接头进行150-450℃保温1h的热处理。采用光学显微镜、硬度测试仪对母材和接头的微观组织和显微硬度进行分析；采用万能试验机对材料进行拉伸试验，对母材、接头以及热处理后的母材和接头进行分析；对拉伸断口形貌和断裂机理进行分析；对接头进行残余应力测量，分析残余应力在接头的分布；对未处理接头和热处理后的接头进行疲劳试验，分析热处理对疲劳性能的影响。
　　微观组织观察的结果表明，AZ31镁合金搅拌摩擦焊接头两侧晶粒粗大且不均匀，焊核区为细小的等轴晶。热处理温度较低时，焊核区组织变化不明显，300℃处理1 h时的组织更加均匀，当温度继续升高晶粒开始长大，温度为450℃时晶粒粗大严重。对接头前进侧热影响区在不同热处理条件下微观组织观察发现，晶粒先细化后长大，热处理条件为300℃处理1 h时晶粒尺寸达到最小值，说明该热处理条件下发生了完全静态再结晶过程。
　　拉伸试验结果表明，焊接参数为焊接速度为300 mm/min，搅拌头旋转速度为1200 rpm时，接头的拉伸性能最佳，抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为199.1 MPa、92.5 MPa和7.3%，分别达到母材的82.2%、65.9%和34.4%。热处理对母材拉伸性能没有明显的影响，不能有效提高镁合金的拉伸性能。热处理可以有效提高接头的拉伸性能，热处理条件为300℃-1 h时的拉伸性能最佳，抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为238.4 MPa、139.9 MPa和12.4%，分别达到母材的97.9%、99.7%和58.5%，并且在该热处理条件下拉伸断口存在大量的韧窝为塑性断裂。
　　对接头残余应力和疲劳性能进行分析得到，纵向残余应力和横向残余应力的最大峰值位于前进侧热影响区和热机影响区，且均为拉应力，纵向残余应力最大值为97.6 MPa，为母材屈服强度的69.6%，最大横向残余应力为39.2 MPa，为母材屈服强度的27.9%。接头残余应力最小值位于后退侧热影响区和热机影响区，为压应力，大小分别为19.1 MPa和23.7 MPa。热处理后接头平均纵向残余应力为5.9 MPa，平均横向残余应力为2.3 MPa。接头在未处理情况下，疲劳强度为58.77 MPa，为母材疲劳强度的69.12%，热处理后接头的疲劳强度为78.94 MPa，为母材疲劳强度的92.8%，相比较于未处理接头提高了34.3%。
　　本文研究表明，热处理可以有效提高接头拉伸性能，300℃处理1 h为最佳的热处理工艺，接头微观组织和显微硬度得到均化。在此热处理条件下接头的残余应力得到有效消除，使得接头疲劳性能得到提高，从而接头的力学性能得到综合改善。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 选题背景及意义

1.2 镁及镁合金的概述

1.3 搅拌摩擦焊概述

1.4 镁合金的热处理方法

1.5 本文的研究内容以及技术路线

第二章 试验材料、设备及试验方法

2.1 引言

2.2 试验材料及焊接、热处理工艺

2.3 试验方法及设备

第三章 焊接参数对AZ31镁合金搅拌摩擦焊接接头微观组织及力学性能的影响

3.1 引言

3.2 镁合金搅拌摩擦焊接头宏观形貌

3.2 镁合金搅拌摩擦焊焊接过程中温度分布

3.2 镁合金搅拌摩擦焊接头微观组织

3.3 焊接参数对AZ31镁合金FSW接头硬度的影响

3.4 焊接参数对AZ31镁合金FSW接头拉伸性能的影响

3.5 本章小结

第四章 热处理对AZ31镁合金FSW接头微观组织及微观力学性能的影响

4.1 引言

4.2 热处理对AZ31镁合金FSW接头微观组织的影响

4.3 热处理对AZ31镁合金FSW接头显微硬度的影响

4.4 热处理对AZ31镁合金FSW接头残余应力的影响

4.5 本章小结

第五章 热处理对AZ31镁合金FSW接头宏观力学性能的影响

5.1 引言

5.2 热处理对AZ31镁合金及FSW接头拉伸性能的影响

5.3 AZ31镁合金FSW接头疲劳性能及热处理对接头疲劳性能的影响

5.4 本章小结

第六章 结论

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况