热输入对AZ31镁合金FSP试样力学性能的影响

刘守法，周兆锋，李春风

热输入对AZ31镁合金FSP试样力学性能的影响

刘守法1，周兆锋2，李春风3

(1.西京学院机械工程学院，西安710123;2.南京航空航天大学机电学院，南京210016;3.承德石油高等专科学校工业中心，河北承德067000)

分别利用普通钢制垫板和自制的带有冷水通道的铜制垫板，对AZ31镁合金进行了搅拌摩擦加工。利用光学显微镜(OM)、SEM、显微硬度仪和拉伸设备，研究了被加工件厚度、搅拌头焊接速率和冷却条件对试样搅拌区力学性能的影响。研究表明:试样搅拌区从上层至中层和底层，再结晶晶粒尺寸依次减小。通过减小被加工件厚度、增大搅拌头焊接速率和加快冷却速率等方法，抑制了试样搅拌区晶粒长大。在搅拌头转速和焊接速率分别为800r/min和90mm/min的条件下，得到的搅拌区底部平均晶粒尺寸约为450nm，该区域显微硬度为96HV，与普通钢制垫板制备的试样相比，硬度提高了24HV，其屈服强度、抗拉强度和伸长率分别提高为原材料的1.27倍、1.6倍和2.2倍。

搅拌摩擦加工;垫板;AZ31镁合金;晶粒细化;显微硬度

镁合金具有很好的比刚度、比强度及优良的阻尼性能，被誉为“21世纪的绿色环保材料”，渐渐成为材料研究和工程应用的热点［1，2］。但相对较差的塑性使得镁合金的成形和工业应用均受到一定限制。如何通过晶粒细化作用来提高镁合金的综合性能越来越受到人们关注［3］。

搅拌摩擦加工(Friction stir processing-FSP)与搅拌摩擦焊接的原理一样，是一种固态加工工艺。但搅拌摩擦加工与搅拌摩擦焊接的目的不一样，搅拌摩擦焊接是要将两个工件连接到一起，而搅拌摩擦加工是用来优化材料的组织、提高材料力学性能。但是搅拌摩擦过程中的高温热循环作用会导致工件晶粒粗大、析出的强化相溶解，从而使工件力学性能恶化［4～7］。因此如何通过减少搅拌摩擦过程中的热输入来细化晶粒，在提高材料强度的同时而又不降低其塑性，这个问题目前已成为研究热点［8～11］。Mishra［12］等指出:降低合金搅拌摩擦加工过程中的温度，可在某种程度上抑制晶粒长大，提高材料的综合力学性能。为了细化被加工材料的晶粒，近年出现了一系列强制冷却搅拌摩擦工艺。FRATINI等［13，14］利用给搅拌头喷水冷却的方法来焊接AA7075铝合金，提高了接合强度;LIU等［15］利用水下搅拌摩擦焊接方法焊接了2219-T6铝合金，有效抑制了晶粒长大和析出相溶解;王快社等［16］研究了AZ31B镁合金水环境搅拌摩擦焊接接头的微观组织与力学性能，得到的接头焊核区为细小等轴状再结晶晶粒，FSW接头的抗拉强度值达到母材强度的81%;SU［17］等利用水、甲醇和干冰的混合液作为冷却介质，对7075铝合金进行了搅拌摩擦加工，将搅拌区晶粒尺寸细化至100nm。可见，流体介质冷却搅拌摩擦加工在制备细晶材料方面具有较大的潜力。

目前水介质冷却搅拌摩擦加工主要集中于细晶铝合金制备，而细晶镁合金制备的相关研究较少，而且铝合金或镁合金与冷却介质直接接触，难免会由于电化腐蚀作用而生成新物质从而影响材料性能［18，19］。本研究利用铜制带有冷水通道的冷却装置作为垫板，对AZ31镁合金进行了搅拌摩擦加工，通过强制冷却搅拌摩擦加工方法细化了搅拌区再结晶晶粒、提高了材料的抗拉强度和伸长率。

1 实验材料及方法

搅拌摩擦设备由普通立式铣床改造而成，自行设计的带有两个水流通道的铜制垫板如图1所示，冷却水可快速流过通道，带走因搅拌摩擦产生的热量。试验所用原材料为经过半连续铸造的AZ31镁合金棒料，切制成100mm×50mm板料，合金元素含量(质量分数/%)分别为Al3.02，Zn 1.01，Mn 0.3，Si 0.0067，Fe 0.0028，Cu0.0031，Ni0.0001%，镁余量。平均晶粒尺寸为75μm。FSP用搅拌头为圆柱螺纹型，如图2所示，搅拌针圆柱面上螺纹的螺距为1mm。对FSP加工试样的横截面进行常温抛光，分别用P800，P1200，P2000和P4000的SiC砂纸进行研磨，然后用0.3μm和0.05μm的A2O3颗粒抛光，最后利用5g苦味酸+100ml甲醇+50ml乙酸+ 10ml蒸馏水的混合溶液进行腐蚀，分别利用XJP-26A型显微镜和JSM-5600型扫描电镜分析试样搅拌区的显微组织。

图1 齐聚合成装置Fig.1 Device for oligomerization

图2 1-癸烯三聚体结构模拟图Fig.2 Structure simulation diagram of1-decene trimer

利用HXS-1000A型显微硬度仪，在搅拌摩擦加工后试样横截面上沿水平方向测量硬度值，测量点间距为0.5mm，同一坐标点沿垂直方向相隔0.2mm测量三个点硬度然后求平均值，加载重量为200g，加载时间为15s。搅拌摩擦加工后拉伸试样的截取位置和尺寸如图3所示，保证了搅拌区位于试样标距内。利用RG2000-20型微机控制电子万能试验机，在室温下对试样进行等应变速率拉伸，应变速率为1× 10－3s－1。

图3 拉伸试样截取示意图Fig.3 Schematic illustration of the tensile sample

2 结果与分析

2.1板料厚度对晶粒尺寸的影响

设定搅拌头转速和焊接速率分别为800r/min和45mm/min，在普通钢制垫板上，分别对7mm和10mm厚AZ31合金板料进行FSP一道次加工，分别测得板料搅拌区的上层、中层和底层的平均晶粒尺寸和整个搅拌区再结晶晶粒平均尺寸如表1所示。同一板料从搅拌区上层、中层至底层晶粒尺寸依次减小，同时板料总厚度减小可减小整个搅拌区的平均晶粒尺寸。搅拌摩擦过程中热量主要是由搅拌头与材料摩擦引起的，受到焊接温度梯度的影响，热作用从上层至底层依次减小，再结晶晶粒的长大速率也就存在差异，在垫板的快速冷却作用下，底部动态再结晶晶粒的长大速率减弱，使得搅拌头的摩擦产热效应显著降低，导致底部晶粒细化。由于板料厚度减小有利于加快散热，在相同的FSP参数下，减小板料厚度有利于加快散热，也可起到抑制晶粒长大的作用。

2.2降温方法对晶粒尺寸的影响

设定搅拌头转速和焊接速率分别为800r/min和45mm/min，分别在普通钢制垫板和自制的铜制垫板上，对7mm厚AZ31合金板料进行一道次FSP加工，不同散热条件对应的试样搅拌区晶粒尺寸如表2所示，从板料上层、中层至下层，晶粒尺寸仍然是依次减小。由于铜制垫板的使用加快了降温速率，试样搅拌区各层晶粒尺寸均有所减小。FSP加工时，普通钢制垫板可起到散热作用，但散热作用有限。铜制垫板加快了搅拌过程中试样的冷却速率，从而保证了搅拌摩擦过程中温度不会太高，使再结晶组织受热小从而得到较细小的再结晶颗粒。

表1 不同板料厚对应的搅拌区晶粒尺寸Table 1 Grain size of the stir zone of different thickness of sheet metal

表2 不同冷却方式对应的搅拌区晶粒尺寸Table 1 Grain size of the stir zone with different cooling methods

设定搅拌头转速为800rpm，对7mm厚AZ31合金板料进行一道次FSP加工，不同垫板和搅拌头焊接速率对应的搅拌区再结晶晶粒显微组织如图4所示，较大的焊接速率对应的晶粒尺寸较细小。

根据单位焊接长度热输入公式［20］:

式中:E为热输入率(W/mm);v为焊接速率(mm· min－1)，n为搅拌头转速(r/min)，D和d为轴肩与搅拌针直径(mm)，F为搅拌头轴向压力(N/mm2); μ为摩擦系数(0.3～0.5)。在搅拌摩擦焊接过程中，影响焊接热输入的可变参数为搅拌头转速与焊接速率的比值。可见，增大焊接速率，单位焊接长度输入热量减小，可有效抑制再结晶晶粒长大。空冷方式与90mm/min的搅拌焊接速率，对应的搅拌区晶粒平均尺寸为2.7μm，而水冷却方式得到的搅拌区晶粒较细小，平均尺寸为1.6μm，底部晶粒尺寸约为550nm。

图4 不同冷却条件和焊接速率试样的显微组织(a)普通钢制垫板，45mm/min; (b)铜制垫板，45mm/min;(c)普通钢制垫板，90mm/min;(d)铜制垫板，90mm/minFig.4 Microstructure of different cooling conditions and welding speeds(a)common steel backing plate and 45mm/min;(b)copper backing plate and 45mm/min;(c)common steel backing plate and 90mm/min;(d)copper backing plate and 90mm/min

2.3细小晶粒的获得设定搅拌头转速和焊接速率分别为800rpm和90mm/min，在铜制水冷垫板上，对4mm厚AZ31合金板料进行一道次FSP加工，得到的试样搅拌区底部显微组织如图5所示，可观察到非常细小的等轴晶粒，其平均晶粒尺寸约为450nm。对该区域硬度进行测试，结果如图6所示，FSP参数和板料厚度相同，普通的钢垫板对应的试样搅拌区硬度最大为72HV，而带有流水通道的铜制垫板对应的试样搅拌区最大硬度达到了96HV，可见加快散热速率对晶粒细化作用明显，搅拌区材料硬度也提高了24HV。搅拌区硬度明显高于母材，主要是由搅拌摩擦作用使搅拌区晶粒和第二相颗粒细化所致，水冷却搅拌摩擦加工晶粒细化作用好，所以搅拌区硬度高于无水冷装置加工试样搅拌区硬度。水冷搅拌摩擦加工后没有造成热影响区硬度降低，主要是因为强制冷却作用减少了加工过程中的热积累，缩短了晶粒长大时间，抑制了晶粒长大和第二相溶入到基体材料中。

图5 4mm厚板料搅拌区SEM图Fig.5 SEM fractograph of the stir zone of the plate thickness of4 mm

图6 不同条件下FSP试样显微硬度Fig.6 Microstructure of the FSP samples in different conditions

2.4力学性能

设定搅拌头转速和焊接速率分别为800rpm和90mm/min，分别在钢制垫板上和铜制水冷垫板上对4mm厚AZ31合金板料进行一道次FSP加工，拉伸试样的屈服强度、抗拉强度和伸长率如图7所示，钢制垫板与铜制垫板均有利于提高试样的力学性能，铜制垫板对应试样的屈服强度和拉伸强度最大，分别为167MPa和255MPa，为原材料的1.27倍和1.6倍，伸长率也提高为原材料的2.2倍。由于母材的晶粒粗大，其抗拉强度和伸长率较小，通过搅拌摩擦加工使搅拌区细化晶粒后，细化的晶粒使该区域材料受载时内部变形更均匀，同时又没有高温使第二相溶入基体材料中，提高了材料的强度和韧性。柴方［3］等利用水下搅拌摩擦加工得到了AZ91镁合金细晶组织，认为强制冷却搅拌摩擦加工可起到细晶强化和颗粒强化的综合作用，从而提高材料的综合力学性能。王快社［15］等也报道了类似结果，对AZ31镁合金进行了水环境搅拌摩擦焊，利用水对搅拌摩擦过程中的试样进行降温，得到了细晶组织，有效提高了抗拉强度。

图7 不同试样的强度和伸长率柱状图Fig.7 The histogram of strength and elongation of different samples

3 结论

(1)FSP过程中，被加工工件厚度越小，越有利于散热，得到的搅拌区晶粒尺寸就越小。同一被加工件的搅拌区中，从上层至中层和底层，再结晶晶粒尺寸依次减小。

(2)同一搅拌头转速下，焊接速率越大，搅拌头单位进给长度上生成的热量就越小，而得到的搅拌区再结晶晶粒就越小。

(3)利用自制的带有流水通道的铜制垫板，可有效加快散热，有效抑制晶粒长大，在搅拌头转速和焊接速率分别为800rpm和90mm/min的条件下，得到的搅拌区底部平均晶粒尺寸约为450nm，该区域显微硬度为96HV，与普通钢制垫板试样相比，硬度提高了24 HV，试样的屈服强度和拉伸强度最大，分别为167 MPa和255MPa，为原材料的1.27倍和1.6倍，伸长率也提高为原材料的2.2倍。

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Effects of Heat Input on Mechanical Properties of AZ31 Mg Alloy Fabricated by FSP

LIU Shou-fa1，ZHOU Zhao-feng2，LI Chun-feng3
(1.School of Mechanical Engineering，Xijing University，Xi＇an 710123，China;2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China;3.Industry Engineering and Technology Center，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，China)

Friction stir processing was conducted on AZ31 Mg alloy using common steel backing plate and copper backing plate with cool water channel as backboard respectively.The effects ofthickness of workpiece，welding speed of FSP tooland cooling condition on mechanical properties of stir zone were investigated by means of OM，SEM，microhardness tester and tensile equipment.Results show that the recrystal grain size of stir zone decreases in turn from top layer to middle and bottom layers.The grain growth of samples could be restrained by decreasing the workpiece thickness and increasing welding speed of FSP tooland cooling rate.In the condition that the rotate speed and welding speed of FSP tool are 800r/min and 90mm/min，the grain in the bottom layer of the stir zone obtained is refined to 450nm.The microhardness of the stir zone reaches 96HV，which denotes an increase of24HV compared with that using steel backing plate under the same FSP parameter.The yield strength，ultimate tensile strength and elongation are 1.27，1.6 and 2.2 times over that of the as-

material.

friction stir processing;backing plate;AZ31 Mg alloy;grain refinement;microhardness

10.11868/j.issn.1005-5053.2015.1.007

TG146.2+2

A

1005-5053(2015)01-0039-06

2014-08-07;

2014-09-01

陕西省教育厅科研基金项目资助(11JK0880)

刘守法(1980—)，男，硕士，讲师，主要从事有色金属搅拌摩擦焊及超塑成形方面的研究，(E-mail)liushoufa807456@163.com。