if钢搅拌摩擦加工组织与性能研究

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1、西安建筑科技大学硕士学位论文1绪论1.1引言钢铁材料在我国工业体系中占有举足轻重的位置，虽然有铝合金、钛合金等替代金属的出现，但在一些行业中还需使用大量的钢铁材料，所以提高钢铁材料的强度及使用寿命显得十分重要。目前主要采用合金化的方法来提高钢铁材料性[1-3]能，但高合金化会带来成本、工艺等方面的问题。如何在降低钢铁材料合金化[4]水平的同时提高材料的综合性能成为目前的热点研究问题。细化晶粒是一种在不改变材料本身化学成分的基础上提升材料性能的方法，使晶粒细化后的材料具有更加优越的性能。材料在各种环境中使

2、用时，由于环境对材料的表面会产生一定的物理化学作用，材料的失效一般发生于表面。所以，通过在材料表面加工制备一层晶粒细化层，提高材料表面性能，就可以有效的避[5]免材料破坏和失效的发生，提高材料的整体性能和使用寿命。表面细化晶粒的方法相比于喷涂等表面改性方法，在表面改性层与母材结合强度、成本等方面具有[6]明显优势，对进一步改善材料性能，提高材料使用寿命具有重大意义。[7]钢铁材料表面细晶技术目前主要有表面机械研磨处理法（SMAT）、超音速[8][9][10]颗粒轰击法（SFPB）、气动喷丸法（ABSP）

3、、凸轮滚压法（CRPD）等方法，这些技术主要基于塑性变形诱发纳米化机制来实现，通过在材料上循环施加载荷，累积塑性变形量，通过位错、孪生及两者的交互作用促使粗晶逐步演化为超细晶。该技术在实现材料晶粒超细化的同时，会使组织内部存在明显的择优取[11]向，而且组织内部残留的微观应力会对超细晶的组织稳定性产生显著影响。美国密苏里大学的Mishra教授基于搅拌摩擦焊接（FrictionStirWelding，FSW），于1999年提出了搅拌摩擦加工（Frictionstirprocessing，FSP）技术。FS

4、P可使材[12]料形成等轴细晶结构。如果在强制冷却条件下进行加工，材料晶粒和组织的细[13]化效果将更加明显。目前，采用FSP技术已成功加工出超细晶镁合金和铝合金[14-15]材料，FSP后加工区的晶粒尺寸可达100~300nm，材料性能明显提升。与SMAT、USSP、ABSP、SFPB、CRPD和USRP等表面细晶技术相比，FSP技术利用搅拌[16]摩擦过程中产生的动态再结晶、溶质原子加速扩散、材料均匀混合、破碎作用使材料的微观结构在极短的时间内发生细化和均匀化，具有可使材料致密化、提1万方数据西安建

5、筑科技大学硕士学位论文[17-19]高高角度晶界比例、易于实现自动化和工业化应用等优点，是一种可有效实现在碳钢表面加工制备细晶层的技术方案。目前，国内外关于FSP技术的主要研究方向集中在材料的微观组织改性、超塑性、表面复合等方面。加工材料主要集中在铝合金、镁合金、铜合金等有色金[20-24]属，但在利用FSP技术实现钢铁材料细晶方面的研究仍然处于初步探索阶段。1.2搅拌摩擦加工技术简介1.2.1搅拌摩擦加工技术原理FSP是在FSW的基础上发展起来的一种新型固态加工技术，由美国密苏里大学的Mishra教授

6、首次提出，其原理与FSW相同，只是加工对象不是两个分离的工[12]件，而是一个完整的工件。FSP过程中，搅拌头高速旋转并使搅拌针缓慢插入工件表面，直到轴肩与材料表面产生一定压力，搅拌针在材料内部进行机械搅拌和摩擦，其旋转产生的摩擦热将搅拌针周围的金属软化进而热塑化，使加工区域的材料发生塑性流动，搅拌头沿加工方向与工件相对移动，热塑化的材料由搅拌针的前部向后部转移，且在搅拌针的搅拌和轴肩的锻压下，发生了强烈的塑性变[25-26]形，加工示意图如1.1所示。旋转方向加工方向轴肩后退侧搅拌针前进侧图1.1FS

7、P示意图Fig.1.1Theschematicoffrictionstirprocessing与其他传统强塑性变形技术相比，FSP具有如下多个特点：（1）FSP整个过程无需预热或加热，轴肩与工件间的摩擦热及工件自身的塑性变形热已可以提供变形热，变形过程中热量输入量小，金属材料始终保持为固相状态，加工后成品无热裂纹，加工方式环保、节能；（2）FSP加工工件时，加工区由于受到搅拌摩擦热及塑性变形热发生软化行为，产生塑性流动。在整个过程中，搅拌头剧烈的搅拌作用使得加工过程中材料2万方数据西安建筑科技大学硕士学

8、位论文发生的剧烈的塑性变形、混合及破碎，进而实现微观结构的细化、均匀化和致密[27]化，最终得到细晶或超细晶组织。（3）FSP是一种短流程工艺，不仅能够单道次加工，还能实现双搅拌头甚至多重搅拌头的同时重加工，对厚板可以进行双面同步加工，可以采用多道次FSP[28]制备大面积细晶板材，利于实现工业化应用；（4）可以通过改变搅拌头形貌、尺寸和调整加工时的工艺参数等条件来获得所需的微观组织和力学性能；（5）由于加工过程发生在所需的加工区域，其他区