結(jié)晶組織的形成機(jī)制
王大勇, 馮吉才, 狄 歐, 劉會(huì)杰
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150001)
摘 要:建立了攪拌摩擦焊鋁合金接頭焊核區(qū)等軸再結(jié)晶組織形成過程的物理模型,
詳細(xì)闡述了焊核區(qū)的組織形成過程.試驗(yàn)結(jié)果表明,熱循環(huán)的作用導(dǎo)致攪拌頭附近的
母材發(fā)生軟化,形成軟化層;軟化層在攪拌頭的機(jī)械攪拌作用下發(fā)生塑性流動(dòng),軟化層
內(nèi)不同的流層間流速不同,存在速度梯度.在流層間的界面處產(chǎn)生粘性摩擦剪應(yīng)力.
在粘性剪應(yīng)力的作用下,母材軋制態(tài)下的板條狀組織被拉長,并發(fā)生強(qiáng)烈的彎曲變形,
當(dāng)彎曲程度超過了其晶界所能承受的上限時(shí),原有的板條狀組織晶界被破壞而逐漸消
失,板條內(nèi)的等軸再結(jié)晶組織按能量最小原理重新排列,形成焊態(tài)下無序,無方向性的
等軸再結(jié)晶組織排列.
關(guān)鍵詞:焊核區(qū);攪拌摩擦焊;形成機(jī)制
中圖分類號(hào):T G453 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):0253 - 360X(2003)04 - 33 - 03王大勇
0 序 言
攪拌摩擦焊(FSW)是英國焊接研究所發(fā)明的
一種新的連接方法,其實(shí)質(zhì)是通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌
頭與被焊材料表面間生成的摩擦熱而實(shí)現(xiàn)的一種固
相連接,具有連接溫度低,焊后殘余應(yīng)力小,接頭性
能高等一系列優(yōu)點(diǎn),在航空航天領(lǐng)域,尤其是在高強(qiáng)
鋁合金的連接方面具有廣闊的應(yīng)用前景[ 1～5 ].
鋁合金攪拌摩擦焊接頭通常由焊核區(qū),熱機(jī)影
響區(qū)和熱影響區(qū)三部分構(gòu)成[ 6～8 ].其中焊核區(qū)是
受熱循環(huán)和機(jī)械作用影響最嚴(yán)重的區(qū)域,組織變化
程度較大,是合金元素過度飽和區(qū)域,該區(qū)域變形晶
粒發(fā)生沉淀和回復(fù)交互作用,導(dǎo)致晶體的生長動(dòng)力
學(xué)比較復(fù)雜[ 9 ].世界上的許多研究人員對(duì)焊核區(qū)
的組織形成機(jī)制,性能特點(diǎn)進(jìn)行了大量的研究,
文獻(xiàn)[ 10 ,11 ]認(rèn)為焊核區(qū)的塑性流動(dòng)是非對(duì)稱性的,
經(jīng)歷了高溫,大應(yīng)變和高的應(yīng)變率,并且在焊核中心
發(fā)生了強(qiáng)烈的變形.焊核區(qū)的應(yīng)變在5～10之間,
應(yīng)變率大約是102,應(yīng)變和應(yīng)變梯度隨著距焊縫中
心線距離的增加呈指數(shù)下降.大應(yīng)變和初期為大角
晶界,導(dǎo)致焊核區(qū)在焊接過程中發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)
晶[ 9 ,11 ].英國曼徹斯特大學(xué)的Norman A F[ 10 ]等人
認(rèn)為焊核區(qū)發(fā)生了較大的應(yīng)變,導(dǎo)致該區(qū)出現(xiàn)高密
度的細(xì)晶沉淀相,從而抑制晶粒發(fā)生長大而發(fā)生再
收稿日期:2003 - 01 - 10
基金項(xiàng)目:國家863基金資助項(xiàng)目(2002AA724040)
結(jié)晶反應(yīng).在理想的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程中,局部累積
能的變化導(dǎo)致應(yīng)變誘發(fā)晶界的遷移,這種遷移和塑
性流動(dòng)的不同將導(dǎo)致在初始晶粒的沉淀相周圍開始
形成鏈狀新晶粒.在焊接過程中,不斷形成新晶粒
層,并從晶粒邊界向內(nèi)部發(fā)展,一直到每一個(gè)初始晶
粒均發(fā)生再結(jié)晶.美國愛迪生焊接研究所的
Lienert T J[ 11 ]等人通過對(duì)6061 - T651鋁合金攪拌
摩擦焊接頭焊核區(qū)的研究發(fā)現(xiàn),焊核區(qū)晶粒尺寸范
圍為10～20μm ,晶界為大角晶界.由于焊核區(qū)晶
粒得到細(xì)化,在室溫下經(jīng)歷了自然時(shí)效(焊后至進(jìn)行
測試前的時(shí)間段,一般為幾周),形成了富含溶質(zhì)的
微區(qū)(常稱GP區(qū)),固溶物團(tuán)或空位團(tuán),焊核區(qū)的硬
度值較其它區(qū)域高.
雖然攪拌摩擦焊接頭焊核區(qū)等軸再結(jié)晶組織的
形成原因和特性得到了大量的研究,但是目前仍沒
有對(duì)焊核區(qū)母材內(nèi)具有明顯方向性的板條狀組織晶
界如何消失,通過何種機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序,無方向性的
等軸再結(jié)晶組織晶界給予很好的解釋.作者通過建
立的焊核區(qū)等軸再結(jié)晶組織形成物理模型,對(duì)上述
內(nèi)容進(jìn)行了初步的探討.
1 焊核區(qū)等軸再結(jié)晶組織形成物理模型
攪拌摩擦焊接過程中,由于攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn),
在與母材接觸的界面處產(chǎn)生了大量的摩擦熱,導(dǎo)致
攪拌頭附近的母材形成塑性軟化層.塑性軟化層在
第24卷 第4期
2 0 0 3年8月
焊接學(xué)報(bào)
TRANSACTIONS OF THE CHINA WELD IN G INSTITU TION
Vol. 24 No . 4
August 2 0 0 3
1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
攪拌頭的機(jī)械攪拌作用下發(fā)生塑性流動(dòng).當(dāng)軟化層
內(nèi)的塑性金屬發(fā)生流動(dòng)時(shí),其流動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的速度和方
向隨位置和時(shí)間不斷發(fā)生變化,因而其流動(dòng)形式屬
于非穩(wěn)定流場,如圖1所示,箭頭方向?yàn)檐浕瘜拥牧?br /> 動(dòng)方向,圖1a為軸肩下表面塑性軟化層的流動(dòng)形
式,圖1b為焊縫底部軟化層的塑性流動(dòng)形式.
圖1 攪拌摩擦焊接頭塑性軟化層的流動(dòng)
Fig.1 Flow of sof tening material in FSWjoint
軟化層內(nèi)的不同塑性流層間存在速度梯度,由
于軟化層內(nèi)存在一定程度的粘度,因而在流速不同
的流層間界面處產(chǎn)生粘性摩擦剪應(yīng)力fij.如軟化
流層i內(nèi)在i- 1層和i層的界面處存在剪應(yīng)力
fi,i- 1,在i層和i+ 1層的界面處存在剪應(yīng)力
fi,i+ 1,fi,i- 1和fi,i+ 1作用力方向相反,從而導(dǎo)致層
i處的板條狀組織受到拉伸而伸長,如圖2b所示.
軟化層的板條狀組織在伸長的同時(shí),由于受到攪拌
頭的攪拌作用而同時(shí)發(fā)生彎曲變形,如圖2c所示.
拉長的彎曲板條狀組織然后在熱循環(huán)的作用下發(fā)生
再結(jié)晶反應(yīng)而在板條狀組織內(nèi)形成細(xì)小的再結(jié)晶晶
粒,再結(jié)晶晶粒沿板條狀組織的取向方向排列,整體
上具有一定的方向性,如圖2d所示.由于焊縫中部
受到攪拌頭的強(qiáng)烈攪拌作用,導(dǎo)致發(fā)生再結(jié)晶的彎
曲板條狀組織發(fā)生更大程度的變形.然而板條狀組
織晶界所能承受的彎曲程度是有限的,當(dāng)彎曲程度
超過了晶界彎曲上限時(shí),原有的板條狀晶界將被破
壞,導(dǎo)致晶粒間的整體板條狀取向漸趨不明顯,而在
微觀下表現(xiàn)出無序狀排列的形貌,如圖2e所示,圖
2f為晶界被破壞后所形成的組織形貌,圖2g為圖
2f的局部放大,再結(jié)晶晶粒表現(xiàn)出一種無序,無方
向性的特點(diǎn).
圖2 焊核區(qū)組織形成過程示意圖
Fig.2 Formingprocess of equiaxedgra in
in weld nugget zone
2 試驗(yàn)驗(yàn)證
對(duì)Al - Li - Cu合金板(板厚2 mm)進(jìn)行了攪拌
摩擦焊連接,攪拌頭轉(zhuǎn)速為1 500 r/ min ,行走速度
為100～800 mm/ min ,攪拌針長度為1 mm.母材
及接頭的顯微組織如圖3所示.圖3a為試驗(yàn)用Al
- Li - Cu合金母材原始組織,晶粒呈明顯方向性的
板條狀.焊接過程中,母材軟化層內(nèi)的板條狀組織
在流層內(nèi)的粘性摩擦剪切力作用下被拉長,發(fā)生彎
曲變形,同時(shí)發(fā)生再結(jié)晶反應(yīng),形成再結(jié)晶晶粒,如
圖3b所示.從圖3b明顯看出母材的原始板條狀組
織在攪拌頭的機(jī)械攪拌作用下,發(fā)生較大程度的彎
曲變形,板條的寬度變窄,在板條內(nèi)由于熱循環(huán)的作
用形成了再結(jié)晶晶粒.圖3c為焊核區(qū)所形成的等
軸再結(jié)晶組織,從該圖可以看出焊態(tài)下該組織形貌
與圖2g焊核區(qū)的再結(jié)晶組織形貌基本一致,表現(xiàn)出
一種無序,無方向性的特征.
43焊 接 學(xué) 報(bào)第24卷
1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
圖3 Al-Li-Cu合金母材及攪拌摩擦
焊接頭微觀組織形貌
Fig.3 Microstructures of Al-Li-Cu alloy
and FSWjoint
3 結(jié) 論
(1)攪拌頭附近的材料受到熱循環(huán)的作用而軟
化.
(2)軟化層內(nèi)的板條狀組織在流層間粘性摩擦
剪應(yīng)力的作用下被拉長,并在攪拌頭的機(jī)械攪拌作
用下發(fā)生彎曲變形.
(3)拉長,變形的板條狀組織在熱循環(huán)的作用
下發(fā)生再結(jié)晶反應(yīng),形成細(xì)小的等軸再結(jié)晶晶粒.
(4)隨著攪拌頭持續(xù)的機(jī)械攪拌,發(fā)生再結(jié)晶
反應(yīng),拉長,變形的板條狀組織發(fā)生更大程度的變
形,當(dāng)變形程度超過了板條狀組織和再結(jié)晶晶粒晶
界的承載能力時(shí),板條狀組織和再結(jié)晶晶粒的晶界
被破壞而逐漸消失,晶界按能量最小原理重新排列,
導(dǎo)致再結(jié)晶晶粒呈無序,不規(guī)則排列的形貌.
鋁合金攪拌摩擦焊接頭焊核區(qū)等軸再結(jié)晶組織的形成機(jī)制PDF文檔高清版下載地址：
http://bbs.dalilvcai.com/aluminium_jointing/thread-3341-1-1.html
王大勇, 馮吉才, 狄 歐, 劉會(huì)杰
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150001)
摘 要:建立了攪拌摩擦焊鋁合金接頭焊核區(qū)等軸再結(jié)晶組織形成過程的物理模型,
詳細(xì)闡述了焊核區(qū)的組織形成過程.試驗(yàn)結(jié)果表明,熱循環(huán)的作用導(dǎo)致攪拌頭附近的
母材發(fā)生軟化,形成軟化層;軟化層在攪拌頭的機(jī)械攪拌作用下發(fā)生塑性流動(dòng),軟化層
內(nèi)不同的流層間流速不同,存在速度梯度.在流層間的界面處產(chǎn)生粘性摩擦剪應(yīng)力.
在粘性剪應(yīng)力的作用下,母材軋制態(tài)下的板條狀組織被拉長,并發(fā)生強(qiáng)烈的彎曲變形,
當(dāng)彎曲程度超過了其晶界所能承受的上限時(shí),原有的板條狀組織晶界被破壞而逐漸消
失,板條內(nèi)的等軸再結(jié)晶組織按能量最小原理重新排列,形成焊態(tài)下無序,無方向性的
等軸再結(jié)晶組織排列.
關(guān)鍵詞:焊核區(qū);攪拌摩擦焊;形成機(jī)制
中圖分類號(hào):T G453 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):0253 - 360X(2003)04 - 33 - 03王大勇
0 序 言
攪拌摩擦焊(FSW)是英國焊接研究所發(fā)明的
一種新的連接方法,其實(shí)質(zhì)是通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌
頭與被焊材料表面間生成的摩擦熱而實(shí)現(xiàn)的一種固
相連接,具有連接溫度低,焊后殘余應(yīng)力小,接頭性
能高等一系列優(yōu)點(diǎn),在航空航天領(lǐng)域,尤其是在高強(qiáng)
鋁合金的連接方面具有廣闊的應(yīng)用前景[ 1～5 ].
鋁合金攪拌摩擦焊接頭通常由焊核區(qū),熱機(jī)影
響區(qū)和熱影響區(qū)三部分構(gòu)成[ 6～8 ].其中焊核區(qū)是
受熱循環(huán)和機(jī)械作用影響最嚴(yán)重的區(qū)域,組織變化
程度較大,是合金元素過度飽和區(qū)域,該區(qū)域變形晶
粒發(fā)生沉淀和回復(fù)交互作用,導(dǎo)致晶體的生長動(dòng)力
學(xué)比較復(fù)雜[ 9 ].世界上的許多研究人員對(duì)焊核區(qū)
的組織形成機(jī)制,性能特點(diǎn)進(jìn)行了大量的研究,
文獻(xiàn)[ 10 ,11 ]認(rèn)為焊核區(qū)的塑性流動(dòng)是非對(duì)稱性的,
經(jīng)歷了高溫,大應(yīng)變和高的應(yīng)變率,并且在焊核中心
發(fā)生了強(qiáng)烈的變形.焊核區(qū)的應(yīng)變在5～10之間,
應(yīng)變率大約是102,應(yīng)變和應(yīng)變梯度隨著距焊縫中
心線距離的增加呈指數(shù)下降.大應(yīng)變和初期為大角
晶界,導(dǎo)致焊核區(qū)在焊接過程中發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)
晶[ 9 ,11 ].英國曼徹斯特大學(xué)的Norman A F[ 10 ]等人
認(rèn)為焊核區(qū)發(fā)生了較大的應(yīng)變,導(dǎo)致該區(qū)出現(xiàn)高密
度的細(xì)晶沉淀相,從而抑制晶粒發(fā)生長大而發(fā)生再
收稿日期:2003 - 01 - 10
基金項(xiàng)目:國家863基金資助項(xiàng)目(2002AA724040)
結(jié)晶反應(yīng).在理想的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程中,局部累積
能的變化導(dǎo)致應(yīng)變誘發(fā)晶界的遷移,這種遷移和塑
性流動(dòng)的不同將導(dǎo)致在初始晶粒的沉淀相周圍開始
形成鏈狀新晶粒.在焊接過程中,不斷形成新晶粒
層,并從晶粒邊界向內(nèi)部發(fā)展,一直到每一個(gè)初始晶
粒均發(fā)生再結(jié)晶.美國愛迪生焊接研究所的
Lienert T J[ 11 ]等人通過對(duì)6061 - T651鋁合金攪拌
摩擦焊接頭焊核區(qū)的研究發(fā)現(xiàn),焊核區(qū)晶粒尺寸范
圍為10～20μm ,晶界為大角晶界.由于焊核區(qū)晶
粒得到細(xì)化,在室溫下經(jīng)歷了自然時(shí)效(焊后至進(jìn)行
測試前的時(shí)間段,一般為幾周),形成了富含溶質(zhì)的
微區(qū)(常稱GP區(qū)),固溶物團(tuán)或空位團(tuán),焊核區(qū)的硬
度值較其它區(qū)域高.
雖然攪拌摩擦焊接頭焊核區(qū)等軸再結(jié)晶組織的
形成原因和特性得到了大量的研究,但是目前仍沒
有對(duì)焊核區(qū)母材內(nèi)具有明顯方向性的板條狀組織晶
界如何消失,通過何種機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序,無方向性的
等軸再結(jié)晶組織晶界給予很好的解釋.作者通過建
立的焊核區(qū)等軸再結(jié)晶組織形成物理模型,對(duì)上述
內(nèi)容進(jìn)行了初步的探討.
1 焊核區(qū)等軸再結(jié)晶組織形成物理模型
攪拌摩擦焊接過程中,由于攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn),
在與母材接觸的界面處產(chǎn)生了大量的摩擦熱,導(dǎo)致
攪拌頭附近的母材形成塑性軟化層.塑性軟化層在
第24卷 第4期
2 0 0 3年8月
焊接學(xué)報(bào)
TRANSACTIONS OF THE CHINA WELD IN G INSTITU TION
Vol. 24 No . 4
August 2 0 0 3
1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
攪拌頭的機(jī)械攪拌作用下發(fā)生塑性流動(dòng).當(dāng)軟化層
內(nèi)的塑性金屬發(fā)生流動(dòng)時(shí),其流動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的速度和方
向隨位置和時(shí)間不斷發(fā)生變化,因而其流動(dòng)形式屬
于非穩(wěn)定流場,如圖1所示,箭頭方向?yàn)檐浕瘜拥牧?br /> 動(dòng)方向,圖1a為軸肩下表面塑性軟化層的流動(dòng)形
式,圖1b為焊縫底部軟化層的塑性流動(dòng)形式.
圖1 攪拌摩擦焊接頭塑性軟化層的流動(dòng)
Fig.1 Flow of sof tening material in FSWjoint
軟化層內(nèi)的不同塑性流層間存在速度梯度,由
于軟化層內(nèi)存在一定程度的粘度,因而在流速不同
的流層間界面處產(chǎn)生粘性摩擦剪應(yīng)力fij.如軟化
流層i內(nèi)在i- 1層和i層的界面處存在剪應(yīng)力
fi,i- 1,在i層和i+ 1層的界面處存在剪應(yīng)力
fi,i+ 1,fi,i- 1和fi,i+ 1作用力方向相反,從而導(dǎo)致層
i處的板條狀組織受到拉伸而伸長,如圖2b所示.
軟化層的板條狀組織在伸長的同時(shí),由于受到攪拌
頭的攪拌作用而同時(shí)發(fā)生彎曲變形,如圖2c所示.
拉長的彎曲板條狀組織然后在熱循環(huán)的作用下發(fā)生
再結(jié)晶反應(yīng)而在板條狀組織內(nèi)形成細(xì)小的再結(jié)晶晶
粒,再結(jié)晶晶粒沿板條狀組織的取向方向排列,整體
上具有一定的方向性,如圖2d所示.由于焊縫中部
受到攪拌頭的強(qiáng)烈攪拌作用,導(dǎo)致發(fā)生再結(jié)晶的彎
曲板條狀組織發(fā)生更大程度的變形.然而板條狀組
織晶界所能承受的彎曲程度是有限的,當(dāng)彎曲程度
超過了晶界彎曲上限時(shí),原有的板條狀晶界將被破
壞,導(dǎo)致晶粒間的整體板條狀取向漸趨不明顯,而在
微觀下表現(xiàn)出無序狀排列的形貌,如圖2e所示,圖
2f為晶界被破壞后所形成的組織形貌,圖2g為圖
2f的局部放大,再結(jié)晶晶粒表現(xiàn)出一種無序,無方
向性的特點(diǎn).
圖2 焊核區(qū)組織形成過程示意圖
Fig.2 Formingprocess of equiaxedgra in
in weld nugget zone
2 試驗(yàn)驗(yàn)證
對(duì)Al - Li - Cu合金板(板厚2 mm)進(jìn)行了攪拌
摩擦焊連接,攪拌頭轉(zhuǎn)速為1 500 r/ min ,行走速度
為100～800 mm/ min ,攪拌針長度為1 mm.母材
及接頭的顯微組織如圖3所示.圖3a為試驗(yàn)用Al
- Li - Cu合金母材原始組織,晶粒呈明顯方向性的
板條狀.焊接過程中,母材軟化層內(nèi)的板條狀組織
在流層內(nèi)的粘性摩擦剪切力作用下被拉長,發(fā)生彎
曲變形,同時(shí)發(fā)生再結(jié)晶反應(yīng),形成再結(jié)晶晶粒,如
圖3b所示.從圖3b明顯看出母材的原始板條狀組
織在攪拌頭的機(jī)械攪拌作用下,發(fā)生較大程度的彎
曲變形,板條的寬度變窄,在板條內(nèi)由于熱循環(huán)的作
用形成了再結(jié)晶晶粒.圖3c為焊核區(qū)所形成的等
軸再結(jié)晶組織,從該圖可以看出焊態(tài)下該組織形貌
與圖2g焊核區(qū)的再結(jié)晶組織形貌基本一致,表現(xiàn)出
一種無序,無方向性的特征.
43焊 接 學(xué) 報(bào)第24卷
1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
圖3 Al-Li-Cu合金母材及攪拌摩擦
焊接頭微觀組織形貌
Fig.3 Microstructures of Al-Li-Cu alloy
and FSWjoint
3 結(jié) 論
(1)攪拌頭附近的材料受到熱循環(huán)的作用而軟
化.
(2)軟化層內(nèi)的板條狀組織在流層間粘性摩擦
剪應(yīng)力的作用下被拉長,并在攪拌頭的機(jī)械攪拌作
用下發(fā)生彎曲變形.
(3)拉長,變形的板條狀組織在熱循環(huán)的作用
下發(fā)生再結(jié)晶反應(yīng),形成細(xì)小的等軸再結(jié)晶晶粒.
(4)隨著攪拌頭持續(xù)的機(jī)械攪拌,發(fā)生再結(jié)晶
反應(yīng),拉長,變形的板條狀組織發(fā)生更大程度的變
形,當(dāng)變形程度超過了板條狀組織和再結(jié)晶晶粒晶
界的承載能力時(shí),板條狀組織和再結(jié)晶晶粒的晶界
被破壞而逐漸消失,晶界按能量最小原理重新排列,
導(dǎo)致再結(jié)晶晶粒呈無序,不規(guī)則排列的形貌.
鋁合金攪拌摩擦焊接頭焊核區(qū)等軸再結(jié)晶組織的形成機(jī)制PDF文檔高清版下載地址：
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