水中搅拌摩擦加工镁合金文档格式.docx

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Liu[7]等人做了另一个试验，比较了在空气中和水下搅拌摩擦焊接2219铝合金的力学性能，他们报道,在水下焊接的抗拉强度较高，但是与空气中焊接的焊缝相比，塑性得到恶化。

Zhang[8]等人研究了在水里搅拌摩擦焊接2219-T6的微观结构和力学性能，结果表明抗拉强度对旋转速度非常敏感，当转速增到1400rpm时会在搅拌区形成空隙缺陷，随旋转速度的提高，晶粒大小和位错密度会增加。

UpadhyayandReynolds[9]研究了热影响区对搅拌摩擦焊接7050-T7铝合金的影响，他们发现在水下进行搅拌摩擦焊接时表面的对流很高，从而使工具温度降低，所需转矩和电力消耗增加，而且在水中搅拌摩擦焊接的焊核硬度高于在空气中的焊核硬度。

HofmannandVecchio[10]研究对比了在水中和在空气中搅拌摩擦加工对6061-T6铝合金的晶粒尺寸的影响，结果表明，在水中进行搅拌摩擦加工时由于较快的冷却速度，可以细化晶粒，他们还通过测量搅拌加工材料的热过程利用边界迁移模型来预测晶粒尺寸。

关于在水中进行搅拌摩擦这一领域的研究不是很多，本文进行了在水中搅拌摩擦加工AZ31镁合金的试验，讨论了不同覆盖条件对于热过程，微观结构和机械性能的影响。

2、实验细节

取厚度5毫米,长130毫米,宽60毫米的AZ31B-O镁合金试样用于该研究，AZ31B-O镁合金的化学成分见表1，选镁是因为它有很大的潜力作为轻质建筑金属，此外,最近的研究表明显微结构的改变可以显著改善镁的塑性[4、11]。

表1AZ31B-O镁合金的化学成分

在立式数控铣床上进行搅拌摩擦加工，设计和建造一个特殊的夹具使试样固定在淹没容器中，该工具有一个直径15mm的轴肩和一个直径5mm长3mm的搅拌针，选择合适的旋转和移动速度来加工材料，本试验选用3000rpm和650mm/min,3200rpm和550mm/min.为了研究在水中对加工的影响，在空气、温水和60-70摄氏度的热水三种不同条件下进行搅拌摩擦加工，选择水是由于水有高的比热容，能够吸收高温，用温水和热水是为了研究在水介质中初始温度对试验的影响。

完整的实验装置和近距的夹具和搅拌摩擦加工工具见图1,2。

图1实验设备

图2搅拌摩擦加工夹具和工具

在加工过程中，用k型热电偶测试样不同两处的温度，见图3。

在搅拌摩擦加工中期，在距试样顶部表面1.5mm处进行所有的微观测试。

为了获得均匀的晶粒尺寸，首先将所有的试样用铝粉抛光成镜面，然后用10毫升醋酸、4.2g苦味酸,10毫升水,和70毫升乙醇（95%）浸蚀液腐蚀，再用光学显微镜捕获试样的微观图片，平均晶粒尺寸取决于ASTM:

E112，沿着搅拌摩擦加工方向取拉伸试样，以确保整个测量区都在搅拌摩擦加工区（见图4）。

用万能拉力试验机进行拉伸测试，拉伸速度为2mm/min，在搅拌摩擦加工时，用PS3500电力数据记录器捕获电能消耗，这个电力数据记录器连接在数控加工中心的主要输入电源上,因此所记录的数值能够代表机器的输入功率。

图3热电偶的位置和测试区域微观分析

图4在水中FSP试样上取下拉伸试样的位置

3、实验结果和讨论

3.1温度

图5和6记录了三种介质中两个不同位置的温度变化，加工材料的热历史对控制最终的微观结构和机械性能非常关键[12]。

这样的曲线有重要的信息，不仅反映了材料加工时可达到的最高温度，而且反映了材料加工过程中的加热和冷却速率，此外，在考虑晶粒生长时，根据这些曲线可以确定材料在参考温度以上的时间，这是非常重要的。

图51点热电偶的温度变化（TC1）

图62点热电偶的温度变化（TC2）

结果显示了在水中加工材料时热过程发生了巨大变化，在水中加工时不仅最大限度地降低了温度，也减少了在一定温度以上处理材料的时间，这两个因素都被认为是在搅拌摩擦加工时发生热处理的关键方面，此外，该结果表明了在冷水中加工时的最小峰值温度和高于某一温度所花的时间，这些结果解释了水的比热容高，能够吸收大量的热量，从而获得一个更高的冷却速度[13]。

这个结果和HoffmanandVecchio[13]的报告结果是一致的，他们在水中加工时获得了更小的峰值温度和更快的冷却速度。

Fu等人[6]发现在冷水中进行搅拌摩擦焊可获得最低的峰值温度，Upadhyay和Reynolds[9]也观察到水下进行搅拌摩擦焊可获得较快的冷却速率。

材料的导热率影响加工材料的热场，高的导热率导致沿搅拌摩擦方向的热场不均匀分布（温度沿着加工方向增加[12]），低的导热率产生局部加热（高温梯度）。

AZ31B-O镁合金相比于其他结构金属的导热率是96（W/MK）[14]，导热率适中。

3.2微观结构

图7a示出母材的微观结构，其晶粒大且不均匀，有很多空隙，FSP显着改善了材料的晶粒结构，细化了晶粒，使平均晶粒尺寸从高于100lm减小到13.3lm，FSP也增强了晶粒结构的同质化，并明显降低了材料的孔隙率。

图7反映了不同介质对于微观结构的影响，在空气、热水和冷水中分别进行搅拌那摩擦加工所得到的平均晶粒尺寸为18.9lm,15.9lm，13.3lm，显然，在水中加工时晶粒更加细化，水的温度也影响所得到的晶粒尺寸，温度越低，晶粒尺寸越小，这与加工区的热场有关，正如在3.1节中所述，热场对覆盖条件非常敏感，他们不仅影响峰值温度，也会影响材料高于一定温度的时间，峰值温度越低，高于临界温度时间越短，晶粒生长就越慢，晶粒尺寸越小[15,16]，许多研究者支持这些实验结果，HoffmanandVecchio[13]建议在水中搅拌摩擦加工来细化晶粒，UpadhyayandReynolds[9]也称在水中进行搅拌摩擦焊来获得细小的晶粒。

图7（a）母材的微观结构（b）空气中FSP的微观结构

（c）热水中FSP的微观结构（d）冷水中FSP的微观结构

3.3拉伸性能

镁在室温的塑性有限，这是限制镁在工业上得到广泛应用的一个重要的问题，人们认为从改变材料的微观结构来解决这个问题。

图8对比了未经处理的，在空气、冷水和热水中进行FSP的试样应力-应变曲线，图9概括这些条件下试样的拉伸性能，结果表明初始材料的伸长率为2%左右，屈服强度为200MPa.左右，FSP可提高AZ31镁合金的成形性，使伸长率增加至18.5％，这是原始伸长率的9倍，经过FSP，材料软化，导致强度较低，延展性提高，提高材料在室温下的成形性，这与文献报道的结果是一致的[17〜20]，Peel等人[17]也称FSW可显著软化材料。

Charit和Mishra[18]的研究结果表明FSP可显著增强延展性，Hung等人[20]发现，未经处理的AZ31-O试样的拉伸强度高于经FSP标的试样，但经FSP的试样延展性较好，他们还称，经FSP的试样残留高的取向和残余应力，这与霍尔-佩奇公式不符。

结果表明，FSP是一种增强AZ31镁合金成形性的有效技术，在水中进行FSP可影响材料的机械性能，这与在水中所形成的热场和微观结构直接相关。

图8未经加工、在空气、热水和冷水中FSP的应力应变曲线

图9未经加工、在空气、热水和冷水中FSP的拉伸性能

3.4能量消耗

三种不同条件下加工的电源消耗功率曲线见图10，从曲线上观察，其没有显著的功耗差异，在空气，热水和冷热水条件下平均功率值分别为：

2006，2038和2089W，然而我们预计有显著的差异，一个可能的解释是，测量的功率是机器的输入功率，但我们预计在水中FSP处理材料时的输入功率会明显增加，因为在低温搅拌材料时需要更多的功率。

为方便起见,结果的总结见表2。

图10FSP时的机械输入功率

表2结果总结

4、结论

本文进行了水中FSPAZ31镁合金的实验研究，得出以下结论：

1、FSP是一种微观结构改性技术，能够显著细化晶粒和减少孔隙度。

2、在水中加工时，控制热的过程有利于实现晶粒细化。

3、水中加工高度影响加工材料的热场，降低峰值温度和减少在参考温度以上的时间，这将导致进一步的研究不同的冷却制度，例如，油淬和零度以下的冷却。

4、FSP可以提高AZ31镁合金的成形性能，伸长率实现显着增加（可达在热水中FSP的九倍）。

5、致谢

感谢阿联酋基金会，科学与工程学院研究资助＃2010/117的支持和沙迦美国大学工程学院的认可！

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