{10-12}孪晶改善变形镁合金搅拌摩擦焊接头强塑性的机制研究

For the joining of Mg alloys, effective strength-ductility synergy design of friction stir welded (FSW) wrought Mg alloy joint is a hotspot. The problem is that a strong base texture usually formed in the joint, and thus deteriorates the strength and ductility of the joint. The large-load low-speed FSW (LL-FSW) process which developed by authors can produce {10-12} twins in the joint. {10-12} twinning behavior can randomize the base texture and refine the grain structure, and thus significantly improves the strength and ductility of the joint. However, the effect of {10-12} twinning behavior on the strength and ductility of the joint is not yet clear. This project aims to calculate the critical Zener-Hollomon parameter of the {10-12} twinning behavior, and clarify the relationship between the Zener-Hollomon parameter and the main mechanism of the plastic deformation; research the influence of dislocation slipping, twinning and slipping-twinning interaction on the recrystallization behavior and grain orientation, and reveal the microstructure and texture evolution during the FSW process; investigate the effect of microstructure and texture on the tensile properties, the crack initiation and propagation and failure mechanism of the joint, explore the effect of the {10-12} twinning behavior on the strength and ductility modification mechanism of the FSWed wrought Mg alloy joint. This project can further improve the theory of "mechanical properties' modification of Mg alloys using twin boundaries", and also provides theoretical guidance and design basis for the practical application of LL-FSW in the manufacture of large complicated Mg alloy components.

对变形镁合金搅拌摩擦焊(FSW)接头进行有效的强塑化设计是镁合金焊接领域的研究热点，其难题在于接头极易形成强烈的基面织构，降低接头的屈服强度和延伸率。申请人提出的大载荷超低速FSW工艺可在接头制备{10-12}孪晶，促进基面织构弱化和晶粒细化，显著改善强塑性，但{10-12}孪晶对接头强塑化的作用机制尚不明确。本项目拟探索发生{10-12}孪生行为的临界Zener-Hollomon指数，阐明其与塑性变形主导机制的内在关联；研究滑移、孪生以及滑移-孪生交互作用对再结晶行为和晶粒取向的影响，揭示接头微观组织和织构演变规律；研究接头微观组织和织构对拉伸性能、裂纹萌生与扩展和失效机制的影响规律，揭示{10-12}孪晶改善变形镁合金FSW接头强塑性的机制。本项目研究结果既可完善孪晶界改善镁合金综合力学性能的相关理论，也为大载荷超低速FSW在镁合金大型复杂结构件制造上的实际应用提供理论指导和设计依据。

镁合金作为轻质合金，其结构件可有效减轻飞机、高铁和汽车的重量，对当今节能减排具有重要意义。镁合金结构件的制备离不开焊接技术。由于镁合金自身特性，熔化焊方法制备的结构件常出现大量缺陷。搅拌摩擦焊（FSW）为固相连接方式，避免了镁合金熔化再凝固带来的缺陷。然而镁合金FSW接头易形成强烈的基面织构，使接头变形不协调而提前断裂，严重限制了其工业应用。本项目通过使用快速冷却介质辅助焊接和大载荷超低速低温焊接工艺，改善FSW过程中的热循环，成功制备了力学性能良好的镁合金FSW接头。通过对微观组织进行多尺度的表征，研究了微观组织演变规律及其与力学性能之间的内在关联。主要研究成果如下：1.通过研究FSW的应变速率及温度，阐明通过精准调控Z参数以控制焊缝微观组织和屈服强度的规律，结果表明应变速率的增加和温度的减小都有助于提高Z参数，从而减小再结晶晶粒尺寸。2.通过对比研究镁合金低温FSW和常规FSW接头的微观组织，揭示了不同焊接温度对晶粒细化的影响方式，同时建立了再结晶机制的物理模型。结果表明常规FSW主要的晶粒细化机制为连续动态再结晶和不连续动态再结晶，低温FSW条件下由于保留了第二相和孪晶，发现了孪晶诱导动态再结晶和粒子刺激形核动态再结晶机制。3.研究了镁合金低温FSW过程中不同于常规FSW的微观组织演变机理及其对于力学性能的影响规律。结果表明，低温FSW保留并细化了第二相粒子，激活了{10-12}孪生行为。第二相β-Mg17Al12为硬质不变形粒子，塑性变形过程中，产生的位错仅能以位错环形式通过，增大了位错运动阻力，有效提高了屈服强度。孪晶的生成则将原始晶粒旋转了86.3°，可有效减弱基面织构的强度。孪晶界还可通过将变形过程中产生的位错分解为两个不全位错的方式协调塑性变形，缓解应力集中，同时提高接头的强度和塑性。项目的研究结果进一步完善了{10-12}孪晶改善镁合金综合力学性能的相关理论。