華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)鎂合金表面改性的微觀組織與力學(xué)性能研究

1、<p>　鎂合金表面改性的微觀組織與力學(xué)性能研究</p><p>　專業(yè)班級(jí)：模具2012－1</p><p>　學(xué)生學(xué)號(hào)：20120310040313</p><p>　學(xué)生姓名：劉運(yùn)君</p><p>　指導(dǎo)老師：劉德佳講師</p><p>　二〇一六年六月</p><p>　畢業(yè)

2、設(shè)計(jì)（論文）誠(chéng)信聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。就我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表和撰寫(xiě)的研究成果，也不包含為獲得華東交通大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)所使用過(guò)的材料。如在文中涉及抄襲或剽竊行為，本人愿承擔(dān)由此而造成的一切后果及責(zé)任。本人簽名____________導(dǎo)師簽名__________年 月 日</p>

3、<p>　　華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告書(shū)</p><p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)教師評(píng)分表</p><p>　　注：1、請(qǐng)給出每項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的得分（整數(shù)），并計(jì)算總分；</p><p>　　2、總分優(yōu)秀（≥90分）比例原則上不超過(guò)20%，優(yōu)良（≥80分）比例原則上不超過(guò)60%；</p><p>　　3、總分低于60分，

4、或評(píng)價(jià)指標(biāo)1、2、6中有一項(xiàng)為E級(jí)得分時(shí)，不得提交答辯；</p><p>　　4、補(bǔ)充說(shuō)明欄不夠用時(shí)可另加附頁(yè)。</p><p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱人評(píng)分表</p><p>　　注：1、請(qǐng)給出每項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的得分（整數(shù)），并計(jì)算總分；</p><p>　　2、總分優(yōu)秀（≥90分）比例原則上不超過(guò)20%，優(yōu)良（≥80分）比例原則上不超過(guò)

5、60%；</p><p>　　3、總分低于60分，或評(píng)價(jià)指標(biāo)1、2、5中有一項(xiàng)為E級(jí)得分時(shí)，不得提交答辯；</p><p>　　4、補(bǔ)充說(shuō)明欄不夠用時(shí)可另加附頁(yè)。</p><p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)評(píng)分表</p><p><b>　　（小組答辯使用）</b></p><p>　　注

6、：1、本表填寫(xiě)答辯小組各成員給出的平均成績(jī)；</p><p>　　2、分項(xiàng)分?jǐn)?shù)保留一位小數(shù)，答辯成績(jī)由各分項(xiàng)成績(jī)求和后四舍五入取整數(shù)；</p><p>　　3、指導(dǎo)教師或評(píng)閱人之一不同意提交答辯者，不得進(jìn)行小組答辯；根據(jù)整改情況和個(gè)人申請(qǐng)，答辯委員會(huì)應(yīng)做出是否同意其參加學(xué)院公開(kāi)答辯的決定。</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）最終成績(jī)</p><

7、p>　?。▍⒓庸_(kāi)答辯的同學(xué)不填寫(xiě)本表）</p><p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)評(píng)分表</p><p>　?。ü_(kāi)答辯用，未參加學(xué)院公開(kāi)答辯的同學(xué)不填寫(xiě)本表）</p><p>　　注：1、本表填寫(xiě)答辯委員會(huì)各成員給出的平均成績(jī)；</p><p>　　2、分項(xiàng)分?jǐn)?shù)保留一位小數(shù)，答辯成績(jī)由各分項(xiàng)成績(jī)求和后四舍五入取整數(shù)。<

8、/p><p>　　3、答辯成績(jī)小于60分時(shí)應(yīng)視為答辯未通過(guò)，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成績(jī)按不及格處理。</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）最終成績(jī)</p><p>　?。ㄎ磪⒓庸_(kāi)答辯的同學(xué)不填寫(xiě)本表）</p><p>　　注：參加公開(kāi)答辯的同學(xué)，答辯成績(jī)以公開(kāi)答辯成績(jī)?yōu)闇?zhǔn)，小組答辯成績(jī)一并保存。</p><p>　　鎂合金表面

9、改性的微觀組織與力學(xué)性能研究</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　ZK60鎂合金是一種中高溫強(qiáng)度時(shí)效強(qiáng)化鎂合金，在航空航天，交通運(yùn)輸，電子器材，國(guó)防軍事等領(lǐng)域具有廣泛關(guān)注和應(yīng)用。但ZK60鎂合金的耐磨性較差，易于產(chǎn)生裂紋，需要對(duì)其表面進(jìn)行改性。攪拌摩擦加工是一種固相連接技術(shù)，通過(guò)改變表面組織結(jié)構(gòu)來(lái)改性合金微觀組織與力學(xué)性能。</p>

10、;<p>　　本課題主要通過(guò)對(duì)ZK60合金進(jìn)行攪拌摩擦加工和時(shí)效強(qiáng)化處理，觀察和分析合金顯微組織和力學(xué)性能的變化。由于攪拌摩擦加工和時(shí)效處理后合金不同區(qū)域的組織發(fā)生了改變，導(dǎo)致其性能也發(fā)生了改變，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行研究來(lái)改善鎂合金強(qiáng)度，硬度等性能。</p><p>　　研究發(fā)現(xiàn)，攪拌摩擦加工后合金晶粒得到了細(xì)化，由母材區(qū)的112μm降低到焊縫區(qū)的6.8μm，SEM觀察到有第二相析出，在母材區(qū)沿晶界分布，焊

11、縫區(qū)彌散分布，通過(guò)譜圖分析，較小的第二相中存在Zr元素，而較大的第二相中卻沒(méi)有。摩擦系數(shù)由0.259降低到0.234，合金的耐磨性能得到提高，時(shí)效處理后，晶粒的組織形態(tài)發(fā)生了改變，同時(shí)析出了大量的第二相且尺寸更加均勻，摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低，合金的耐磨性也同步提高。</p><p>　　關(guān)鍵詞：ZK60鎂合金,攪拌摩擦加工,顯微組織特征,時(shí)效處理,析出相</p><p><b>　　

12、ABSTRACT</b></p><p>　　ZK60 magnesium alloy is a kind of high temperature strength of aging reinforced magnesium alloy, in the aerospace, transportation, electronics, national defense military and other

13、 fields have wide attention and application.But the ZK60 magnesium alloy wear resistance is poorer, prone to cracks, need modification on its surface.Friction stir processing is a kind of solid phase connection technolog

14、y, modified by changing the surface structure of alloy microstructure and mechanical properties.</p><p>　　This topic mainly through the study of the friction stir processing and ageing strengthening of ZK60

15、alloy , observing and analyzing the change of the alloy microstructure and mechanical properties. Because of the friction stir processing and aging treatment lead to the different parts of the alloy  organ

16、ization are changed, its performance is also changed, through carries on the research to improve the strength of the magnesium alloy and hardness etc.</p><p>　　Study found that after friction stir processing

17、 the alloy grain refinement, by the parent metal area 112 um down to the weld area of 6.8 um, a second phase precipitation was observed by SEM, in the base area along the grain boundary distribution, diffuse distribution

18、 of weld area, through the analysis of the spectra, Zr elements exist in the smaller of the second phase but larger in the second phase is not.Friction coefficient reduced from 0.259 to 0.259, the wear-resistin

19、g performance of the al</p><p>　　Key Words: ZK60, Friction stir processing, microstructure, aging treatment, precipitate phase</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 緒

20、論1</b></p><p><b>　　1.1前言1</b></p><p>　　1.2 鎂合金強(qiáng)化途徑1</p><p>　　1.2.1 固溶強(qiáng)化1</p><p>　　1.2.2析出強(qiáng)化2</p><p>　　1.2.3 細(xì)晶強(qiáng)化2</p><p&

21、gt;　　1.2.4 復(fù)合強(qiáng)化3</p><p>　　1.3攪拌摩擦加工技術(shù)3</p><p>　　1.3.1 攪拌摩擦焊技術(shù)原理3</p><p>　　1.3.2 攪拌摩擦焊加工工藝特點(diǎn)4</p><p>　　1.3.3攪拌摩擦焊焊接接頭研究4</p><p>　　1.3.4 攪拌摩擦加工在鎂合金中的應(yīng)用

22、5</p><p>　　1.4 ZK60鎂合金研究5</p><p>　　1.4.1 ZK60鎂合金的組織性能研究5</p><p>　　1.4.2稀土元素對(duì)ZK60鎂合金影響6</p><p>　　1.4.3 Zr元素對(duì)ZK60鎂合金影響6</p><p>　　1.4.4 ZK60鎂合金的應(yīng)用7</p

23、><p>　　1.5 本文的研究目的和主要內(nèi)容8</p><p>　　1.5.1 研究目的8</p><p>　　1.5.2 主要研究?jī)?nèi)容8</p><p>　　第二章 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備及方法10</p><p>　　2.1 實(shí)驗(yàn)材料10</p><p>　　2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備11</

24、p><p>　　2.3 實(shí)驗(yàn)方法12</p><p>　　2.3.1 接頭與母材微觀顯微組織的表征12</p><p>　　2.3.2 ZK60試樣時(shí)效處理12</p><p>　　2.3.3 ZK60摩擦系數(shù)測(cè)定12</p><p>　　2.3.4 第二相粒子觀察13</p><p>　

25、　2.3.5 第二相粒子大小和尺寸統(tǒng)計(jì)13</p><p>　　第三章 攪拌摩擦加工對(duì)ZK60鎂合金組織性能分析14</p><p>　　3.1 攪拌摩擦加工ZK60合金宏觀照片14</p><p>　　3.2 攪拌摩擦加工晶粒微觀組織分析14</p><p>　　3.3 析出相演變16</p><p>　　

26、3.3.1 第二相分析17</p><p>　　3.4摩擦系數(shù)分析20</p><p><b>　　3.5 小結(jié)22</b></p><p>　　第四章 時(shí)效處理對(duì)攪拌摩擦加工ZK60合金組織性能影響23</p><p>　　4.1 時(shí)效過(guò)程組織演變23</p><p>　　4.2 時(shí)效

27、后第二相分析24</p><p>　　4.3 時(shí)效前后摩擦系數(shù)演變26</p><p>　　4.4 晶粒細(xì)化，析出強(qiáng)化對(duì)摩擦系數(shù)的影響模型27</p><p><b>　　4.5 小結(jié)28</b></p><p><b>　　第五章 總結(jié)29</b></p><p>

28、;<b>　　參考文獻(xiàn)30</b></p><p><b>　　致謝31</b></p><p>　　附錄A 外文翻譯原文32</p><p>　　附錄B 外文翻譯譯文51</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><

29、;b>　　1.1 前言</b></p><p>　　鎂作為“21世紀(jì)綠色工程材料”與其它工程材料相比具有很多一系列顯著的優(yōu)點(diǎn)：特別是其鎂合金，無(wú)論是在力學(xué)性能，物理性能還是化學(xué)性能上都要強(qiáng)于鎂。鎂合金還具有良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性，高比剛度和比強(qiáng)度，電磁屏蔽，阻尼減振，加工成形較簡(jiǎn)單以及回收容易。因此鎂合金在航空航天，交通運(yùn)輸，電子器材和國(guó)防軍事等領(lǐng)域中受到了很大的關(guān)注，其也被認(rèn)為具有很重要的應(yīng)用價(jià)值和

30、廣闊應(yīng)用前景的材料。</p><p>　　鎂及其合金最主要的缺點(diǎn)是其摩擦系數(shù)相對(duì)較高導(dǎo)致耐磨性能較差，強(qiáng)度、彈性模量相對(duì)其它合金較低，因此在摩擦工況條件下鎂合金還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。鎂合金及其鎂基復(fù)合材料在使用過(guò)程中由于其相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致零部件不可避免的會(huì)與其它材料相互接觸摩擦，由此會(huì)造成一定的摩擦磨損，但由于其耐磨性能較差，使得它在發(fā)動(dòng)機(jī)零部件上的使用得到了一定的約束。因此到目前為止，其應(yīng)用范圍并非我們想象的那么廣泛

31、，被工業(yè)界接受也尚有一個(gè)過(guò)程。</p><p>　　通過(guò)對(duì)鎂合金表面微觀組織進(jìn)行改性的方法來(lái)提高其強(qiáng)度，硬度，降低摩擦系數(shù)，提高耐磨性。因此本文通過(guò)對(duì)ZK60鎂合金進(jìn)行攪拌摩擦加工，和對(duì)其經(jīng)過(guò)時(shí)效處理來(lái)探索鎂合金表面改性后的微觀組織和力學(xué)性能變化規(guī)律。</p><p>　　1.2 鎂合金的強(qiáng)化途徑

32、

33、

34、 </p><p>　　工業(yè)純鎂由于塑性較差，強(qiáng)度較低，因此往往不能直接作為結(jié)構(gòu)材料來(lái)使用，往往需要通過(guò)合金化，熱處理，晶粒細(xì)化和鎂合金復(fù)合等途徑來(lái)提高其力學(xué)性能，因此探索鎂合金強(qiáng)化的途徑尤為重要。</p><p>　　1.2.1 固溶強(qiáng)化</p><p>　　當(dāng)基體元素中被加入合金元素時(shí)，由于基體元素和合金元素之間存在一定的彈性模量和原子半徑的差別，使得基體元素中

35、的點(diǎn)陣發(fā)生相應(yīng)的畸變，由此產(chǎn)生的畸變阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，從而使基體的強(qiáng)度，硬度提高，而其塑性，韌性有所下降，加入不同的溶質(zhì)對(duì)鎂基復(fù)合材料的固溶強(qiáng)化影響有所差別，當(dāng)Al每增加1%時(shí)其屈服強(qiáng)度提高25MPa，硬度提高8HV;Zn每增加1%時(shí)其屈服強(qiáng)度提高45MPa，硬度提高7HV，Ag每增加1%其屈服強(qiáng)度提高23%，硬度提高7HV,等等?？偟膩?lái)說(shuō)，應(yīng)變場(chǎng)決定了溶質(zhì)的強(qiáng)化效果。在固溶體中，合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，基體元素與合金元素的價(jià)電子差

36、和尺寸差越大，強(qiáng)化效果則越顯著。而強(qiáng)化效果沒(méi)那么明顯的往往是因?yàn)橹脫Q原子尺寸和溶劑原子的尺寸基本相同，相應(yīng)的點(diǎn)陣畸變沒(méi)有那么大，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)不能有一個(gè)很好的限制。</p><p><b>　　1.2.2析出強(qiáng)化</b></p><p>　　衡量鎂合金強(qiáng)化的一個(gè)重要因素是沉淀析出，隨著溫度變化，在合金中，合金元素固溶度隨著溫度的降低而逐漸減少，這時(shí)便可能發(fā)生了時(shí)效強(qiáng)化。時(shí)

37、效強(qiáng)化是金屬固溶體在過(guò)飽和狀態(tài)下發(fā)生脫溶，在偏聚區(qū)有第二相析出，析出的第二相彌散分布，與金屬中運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)相互作用，從而對(duì)基體達(dá)到強(qiáng)化效果。但好的時(shí)效效果與鎂合金自身表面性質(zhì)和沉淀析出時(shí)的大小，分布狀況，硬度等因素有緊密關(guān)系。最理想情況是得到的第二相細(xì)小，均勻分布并且與鎂合金基體之間呈現(xiàn)共格關(guān)系，并且隨著溫度升高第二相不容易被粗化。</p><p>　　在鎂基體中，大部分合金系都滿足溶解度隨溫度變化的規(guī)律，但是目前為

38、止我們研究還沒(méi)發(fā)現(xiàn)鎂合金中存在共格區(qū)，最主要原因是相對(duì)其它金屬原子，鎂原子半徑較大，而且其析出沉淀相結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，使得鎂基體以及其析出沉淀相之間難以形成共格關(guān)系。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)，沉淀相沒(méi)有像預(yù)期的一樣逐漸增多，而是隨著溫度升高，析出相很快變粗從而變軟，這種現(xiàn)象稱為過(guò)時(shí)效，析出相也失去了其強(qiáng)化效果。因此在工藝生產(chǎn)中，對(duì)于鎂合金的時(shí)效強(qiáng)化，我們要選擇其最佳時(shí)效溫度，達(dá)到最大沉淀析出量，從而達(dá)到最好的強(qiáng)化效果。</p

39、><p>　　1.2.3 細(xì)晶強(qiáng)化 </p><p>　　晶粒大小可以用單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目的多少來(lái)表示，數(shù)目越多，晶粒越細(xì)，而提高鎂合金力學(xué)性能的有效方法之一就是細(xì)化其晶粒。根據(jù)霍爾-配奇方程，因?yàn)榫Я＝缡俏诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的有效阻礙，又因?yàn)樾【Я２牧厦繂挝惑w積中有更高的晶粒界密度，我們發(fā)現(xiàn)多晶體的屈服應(yīng)力一般隨晶粒尺寸減小而增大。通過(guò)一定研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)化金屬晶粒尺寸后，其塑性發(fā)生明顯改善，而且其強(qiáng)

40、度發(fā)生顯著提高。而相對(duì)于鎂合金來(lái)說(shuō)，它的霍爾-配奇常數(shù)k值很大，根據(jù)霍爾-配奇公式可知屈服應(yīng)力與常數(shù)k成正比關(guān)系。因此通過(guò)細(xì)化晶粒方法可以使得鎂合金的屈服應(yīng)力得到很大的提升。</p><p>　　在室溫下鎂合金延伸性較低，而且難以塑性加工成型，這時(shí)通過(guò)細(xì)化晶粒的方法能夠有效解決這些問(wèn)題。曾經(jīng)也有一些研究者通過(guò)添加合金元素Ag，Li,In等來(lái)降低晶體軸比，增加滑移系數(shù)目來(lái)增強(qiáng)鎂合金的塑性加工變形能力，但都沒(méi)有達(dá)到很

41、好效果，而且這些合金元素熔于基體金屬的能力較差，對(duì)鎂合金強(qiáng)度提高沒(méi)有積極作用，因此得出通過(guò)細(xì)化晶粒的方法來(lái)提高鎂合金材料強(qiáng)度和改善其塑性是最有效的方法。鎂合金材料細(xì)化晶粒方法主要有兩種：第一種是通過(guò)一定的工藝手段，如熱處理，熱加工，塑性變形來(lái)達(dá)到晶粒細(xì)化，另一種是在鎂合金中加入一定的晶粒細(xì)化劑，如Zr，Ca，Re,Sr等來(lái)達(dá)到細(xì)化晶?；蛘呤羌尤肷倭康牡腃2Cl2來(lái)對(duì)鑄錠進(jìn)行細(xì)化晶粒。</p><p>　　1.2.

42、4 復(fù)合強(qiáng)化</p><p>　　鎂合金強(qiáng)度較低，以陶瓷顆粒、纖維或晶須作為增強(qiáng)相可以制成高比強(qiáng)度、高比剛度、低膨脹系數(shù)的鎂基復(fù)合材料，從而提高鎂合金的彈性模量，改善合金的耐磨性能、抗拉強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度以及抗蠕變性能，在航空航天及汽車工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景。增強(qiáng)相與金屬基體能夠復(fù)合的原因主要有以下幾點(diǎn)：（1）在增強(qiáng)相與基體之間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。由化學(xué)鍵提供結(jié)合力，輕微的界面反應(yīng)能夠有效的改善金屬基體與增強(qiáng)相的浸潤(rùn)和結(jié)

43、合，是有利的；但嚴(yán)重的界面反應(yīng)將造成增強(qiáng)相的損傷或形成脆性界面等，對(duì)材料性能不利。（2）在增強(qiáng)相與基體之間有共同的晶體學(xué)取向，以SiC顆粒表面上非均質(zhì)形核。（3）復(fù)合材料組元之間的相互擴(kuò)散或者液相的良好潤(rùn)濕性，即使不發(fā)生界面反應(yīng)，也可以產(chǎn)生強(qiáng)的界面結(jié)合。</p><p>　　由于長(zhǎng)纖維的成本高，復(fù)合材料制備工藝難度大，因此國(guó)際上主要針對(duì)不連續(xù)鎂基復(fù)合材料的研究，通過(guò)在鎂合金中加入SiC顆粒，SiC晶須，B4C顆粒

44、等增強(qiáng)體。目前對(duì)于不增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備工藝手段主要有以下幾種：（1）液態(tài)金屬浸滲法（2）噴射成形法（3）流變鑄造法（4）攪拌鑄造法（5）片層冶金法（6）粉末冶金法等。</p><p>　　1.3攪拌摩擦加工技術(shù)</p><p>　　1.3.1 攪拌摩擦焊技術(shù)的原理</p><p>　　原理為：首先用夾具夾緊放置在工件臺(tái)上兩兩對(duì)應(yīng)接觸的工件，用來(lái)避免在焊接過(guò)程中對(duì)

45、接接頭之間發(fā)生松動(dòng)。接著，找到兩兩對(duì)應(yīng)接觸的板材之間的焊縫，將攪拌摩擦焊焊針慢慢插入其焊縫中，在攪拌頭攪拌作用下，工件與攪拌頭摩擦產(chǎn)生大量熱量，此時(shí)對(duì)接接頭被加熱至塑性階段，最后工件冷卻后形成固態(tài)焊縫。</p><p>　　攪拌摩擦焊在焊接過(guò)程中的工具有如下定義：</p><p>　　攪拌頭：攪拌摩擦焊中的焊接工具</p><p>　　攪拌頭軸肩：焊件表面和攪拌頭相

46、互接觸的那部分臺(tái)肩。軸肩對(duì)攪拌頭施加壓力，產(chǎn)生熱量，使金屬發(fā)生塑性流動(dòng)，同時(shí)防止材料受熱產(chǎn)生塑性流動(dòng)后溢出。</p><p>　　前進(jìn)側(cè)：焊接過(guò)程中在焊縫側(cè)面可以看到攪拌頭軸肩前進(jìn)的方向與焊縫方向一致。</p><p>　　后退側(cè)：焊接過(guò)程中在焊縫側(cè)面可以看到攪拌頭軸肩前進(jìn)的方向與焊縫方向相反。</p><p>　　攪拌針：在工件中用來(lái)插入焊件。焊縫材料變形的差異與

47、攪拌針形狀有關(guān)。同時(shí)，焊接過(guò)程中金屬流動(dòng)方向隨攪拌針表面螺紋形狀的不同而發(fā)生改變。在攪拌針旋轉(zhuǎn)過(guò)程中還可以產(chǎn)生熱量。</p><p>　　圖1.1 攪拌摩擦工作原理圖</p><p>　　Fig.1.1 Schematic of FSW</p><p>　　1.3.2 攪拌摩擦焊加工的工藝特點(diǎn)</p><p>　　攪拌摩擦焊技術(shù)是一種固相連接

48、技術(shù)，相對(duì)于熔焊、釬焊等焊接技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)較明顯，因此其主要優(yōu)點(diǎn)有：</p><p>　?。?）低成本：焊前不需要經(jīng)過(guò)特殊的處理和開(kāi)一定的坡口，不需要保護(hù)氣體，焊劑，也不需要進(jìn)行金屬填充，能量消耗比熔化焊低80%，能夠?qū)崿F(xiàn)水下焊接。</p><p>　　（2）環(huán)保：焊接過(guò)程中不產(chǎn)生輻射，顆粒等有害氣體，沒(méi)有飛濺、強(qiáng)弧光，噪聲低的綠色連接技術(shù)</p><p>　?。?）

49、連接性能好：由于焊接溫度低，金屬不熔化，焊縫中無(wú)氣孔，無(wú)熱裂紋，無(wú)元素因高溫而失去活性，無(wú)凝固時(shí)組織發(fā)生偏析、熱變形和殘余應(yīng)力小。</p><p>　?。?）易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化：操作類似于銑床的加工過(guò)程，因此較為簡(jiǎn)便，操作人員不需要經(jīng)過(guò)專業(yè)的焊接培訓(xùn)，需要控制的參數(shù)較少，易于實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化，提高其生產(chǎn)效率，從而縮短制造周期。</p><p>　　1.3.3攪拌摩擦焊焊接接頭的研究</p&g

50、t;<p>　　在攪拌摩擦焊接過(guò)程中，攪拌頭周圍的材料由于受到攪拌和摩擦熱作用將會(huì)產(chǎn)生塑性流動(dòng)，通過(guò)觀察焊接接頭截面可以發(fā)現(xiàn)三個(gè)很明顯的區(qū)域：攪拌區(qū)（Nugget Zone，NZ）、熱機(jī)械影響區(qū)（Thermo-mechanical Zone,TMZ）、熱影響區(qū)（Heat Affect Zone,HAZ）三個(gè)部分。圖1.2為攪拌接頭微觀組織的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中A為母材區(qū)，B為熱影響區(qū)，C為熱機(jī)影響區(qū),D為攪拌區(qū)。</p&

51、gt;<p>　　圖1.2 焊縫接頭截面宏觀組織</p><p>　　Fig.1.2 cross-section macrostructure of weld joint</p><p>　　從圖中觀察可以看到焊接三個(gè)主要區(qū)域顯微組織特點(diǎn)不同。目前一般認(rèn)為焊核區(qū)主要是由等軸再結(jié)晶組織構(gòu)成；熱影響區(qū)的組織靠近焊核區(qū)受到較多熱循環(huán)作用，發(fā)生回復(fù)反應(yīng)，組織發(fā)生較大彎曲變形，因此熱影

52、響區(qū)組織一般為粗大的板條狀。</p><p>　　通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究得出攪拌摩擦加工對(duì)晶粒細(xì)化機(jī)制：攪拌摩擦焊接過(guò)程中，攪拌頭的攪拌為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶提供了足夠溫度、應(yīng)變和應(yīng)變速率，從而導(dǎo)致在焊核區(qū)產(chǎn)生精細(xì)等軸晶粒，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生使得晶粒發(fā)生細(xì)化，從而導(dǎo)致焊縫區(qū)金屬?gòu)?qiáng)度提高。晶粒大小，即晶粒度，其對(duì)晶體的各種性能都有一定影響。其中影響最大的即力學(xué)性能。晶粒越小，晶界越多，而晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有一定的阻礙運(yùn)動(dòng)。因此通過(guò)攪拌摩

53、擦加工使得晶粒變小，使得金屬原子的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)得到阻礙，從而使材料強(qiáng)度和韌性得到提高。</p><p>　　1.3.4 攪拌摩擦加工在鎂合金中應(yīng)用</p><p>　　鎂合金導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好，比強(qiáng)度、比剛度高而且密度小，所以被廣泛應(yīng)用于航空航天，交通運(yùn)輸以及電子器材中。但鎂合金的比熱容、線膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)大而且其熔點(diǎn)較低，在采用傳統(tǒng)焊接工藝，如熔焊時(shí)，易產(chǎn)生氣孔、裂紋、大變形等焊接缺陷。同時(shí)，

54、由于傳統(tǒng)焊接大部分屬于高溫焊接，因此高溫使得焊縫處晶粒粗大，降低接頭性能。而攪拌摩擦焊作為一種固相連接技術(shù)，焊接溫度較低，從而避免了氣孔，裂紋，大變形等缺陷。因此攪拌摩擦加工技術(shù)在鎂合金中得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　1.4 ZK60鎂合金的研究</p><p>　　1.4.1 ZK60鎂合金的組織性能研究</p><p>　　Mg-Zn系合金的晶粒容易長(zhǎng)

55、大，Zr在鎂合金中對(duì)晶粒具有細(xì)化作用，因此其被認(rèn)為是鑄態(tài)Mg-Zn合金中最有效的的細(xì)化晶粒元素，工藝生產(chǎn)中在Mg-Zn系合金中添加適量Zr元素的合金都被稱為時(shí)效強(qiáng)化合金，通常情況下都是在直接固溶或時(shí)效接著再時(shí)效情況下使用，這類合金具有的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都比較高。這類合金系列有ZK31，ZK60，ZK61等，國(guó)類牌號(hào)主要有MB15、MB25等。Zn是ZK60鎂合金中主要強(qiáng)化元素，在合金中隨著Zn含量增加其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨之增大，但是

56、其延伸率反而有點(diǎn)下降。在Mg-Zn-Zr合金系中，比強(qiáng)度最高的一種合金是ZK60鎂合金，一般研究者對(duì)ZK60鎂合金的組織和性能改善兩個(gè)方面有較多的研究。北京航空材料研究所的張少卿等人對(duì)ZK60合金的相組成和微觀形態(tài)做了較全面的研究。鑄態(tài)合金由粗大的等軸晶粒組成，每個(gè)晶?？梢苑譃?個(gè)區(qū)域，對(duì)試樣表面進(jìn)行電子探針成分分析得出在核心區(qū)和核周區(qū)Zr的濃度高，中心還有Zr 質(zhì)點(diǎn)存在，在非核區(qū)Zr的含量很低。與Zr的分布規(guī)律有所不同，Zn在核周區(qū)的

57、濃度高于核心區(qū)，在非核區(qū)Zn 的濃度也很低。</p><p>　　一般研究鎂合金的組織演變規(guī)律可以通過(guò)Mg-Zn二元合金相圖，在相變點(diǎn)富鎂端主要發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變L→a+MgZn，在二元系中MgZn化合物具有六方結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)二元相圖分析發(fā)現(xiàn)，在共晶溫度以下，Zn在鎂中的溶解度會(huì)減少，有MgZn化合物沉淀析出，而MgZn系合金的特征為具有明顯時(shí)效強(qiáng)化的效果，有共格的GP區(qū)，因此在研究ZK60鎂合金時(shí)控制其熱處理溫度對(duì)合金

58、組織和力學(xué)性能有明顯的影響。</p><p>　　1.4.2稀土元素對(duì)ZK60鎂合金的影響</p><p>　　稀土元素能夠提高合金力學(xué)性能，因此生產(chǎn)中通常在合金中添加稀土元素，其作用有：（1）一般鎂合金容易氧化，添加稀土元素后可以減緩其在液態(tài)和固態(tài)情況下的氧化（2）對(duì)鎂合金焊接性能有改觀，焊接質(zhì)量同步提高，降低其在鑄造過(guò)程中產(chǎn)生顯微疏松和熱裂紋的傾向（3）鎂合金中添加稀土元素可以避免其發(fā)

59、生應(yīng)力侵蝕，同時(shí)耐腐蝕性不會(huì)低于其它鎂合金（4）稀土鎂合金能夠提高其在高溫下的強(qiáng)度以及在恒定在載荷下，合金的變形程度隨時(shí)間能夠增加。（5）大部分稀土元素易于固溶在鎂基體中，經(jīng)過(guò)固溶處理的合金可以使Mg-RE化合物全部溶入基體，從而對(duì)鎂合金在室溫和高溫下的力學(xué)性能有很大的改善。</p><p>　　1.4.3 Zr元素對(duì)ZK60鎂合金的影響</p><p>　　Zr在ZK60鎂合金中的重量比

60、大概為0.3%-0.9%，是其第二主要添加的元素。Zr可以作為熔煉澆鑄時(shí)合金的結(jié)晶核心，細(xì)化合金晶粒尺寸，降低合金顯微疏松，有研究表明，在 ZK60 合金中Zr主要分布在晶粒中心，由中心向晶粒邊緣逐漸減低，侵蝕后偏析區(qū)呈年輪狀或花朵狀，因此Zr對(duì)ZK60鎂合金的組織和性能有重要影響。其也能夠近似的替代成為a-Mg的異質(zhì)形核核心，是由于Zr在合金溶液中具有與a-Mg相似的晶格常數(shù)。</p><p>　　通過(guò)對(duì)ZK6

61、0鎂合金力學(xué)性能的研究，發(fā)現(xiàn)Zr元素的存在對(duì)其力學(xué)性能有一定的影響。研究發(fā)現(xiàn)Zr元素一般以兩種形式存在于ZK60鎂合金中。一種是與其它元素形成化合物，分布在枝晶網(wǎng)邊界，易造成偏析；另一種是固溶到鎂基體中的Zr，形成α-Zr相，在絡(luò)和滴定法中溶于鹽酸，稱之為酸溶性Zr。而起強(qiáng)化作用的為酸溶性Zr。要使MB15合金型材的抗拉強(qiáng)度超過(guò)314Mpa，鋯含量要大于0.45%，最好控制在0.55%左右。</p><p>　　

62、1.4.4 ZK60鎂合金的應(yīng)用</p><p>　　鎂作為一種具有潛在發(fā)展前景、性能優(yōu)異的的候選實(shí)用金屬材料已經(jīng)被人們拿來(lái)廣泛研究，目前在航空航天中、交通運(yùn)輸工具中，電子器材中都有很好的應(yīng)用。在眾多變形鎂合金中，ZK60合金在各方面都表現(xiàn)出優(yōu)異的性能以及高強(qiáng)度，因此其在各領(lǐng)域都被廣泛應(yīng)用。在ZK60鎂合金中Zr元素對(duì)晶粒起著細(xì)化作用，因此該鎂合金可以直接進(jìn)行鍛造從而進(jìn)行鑄錠，從而降低了成本消耗。</p&g

63、t;<p>　　ZK60鎂合金中的固溶體位錯(cuò)與彈性畸變（原子半徑引起）相互作用，從而對(duì)位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動(dòng)起到阻礙作用，使合金具有很高的強(qiáng)度，再在其中加入Zr原子，達(dá)到晶粒細(xì)化作用，使合金在強(qiáng)度方向得到提高，變形能力得到改善。ZK60鎂合金在生產(chǎn)中一般通過(guò)熱擠壓成型方法來(lái)壓制成各種板材。但其主要缺陷是：ZK60鎂合金有著嚴(yán)重的熱裂傾向，在熱擠壓加工過(guò)程中容易產(chǎn)生熱裂，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。</p><p&

64、gt;　　在目前研究中，一般我們?cè)赯K60鎂合金原有的基礎(chǔ)上加入一些稀土元素，用來(lái)減輕其熱裂傾向。此研究也是剛剛發(fā)展起來(lái)的。ZK60鎂合金的塑性不足一直以來(lái)都是難解的問(wèn)題，因此一些研究者開(kāi)始研究其超塑性用來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。也有一些材料研究者開(kāi)始致力于研究鎂合金中加入增強(qiáng)劑的復(fù)合材料。我國(guó)對(duì)鎂合金的研究工作一直落后于世界水平，只有當(dāng)航空航天工業(yè)發(fā)展的同時(shí)迫切需要強(qiáng)度高、材質(zhì)輕的材料時(shí)才開(kāi)始掀起了研究的熱潮，但一直以來(lái)ZK60的熱裂問(wèn)題遲遲得

65、不到解決，而同時(shí)7075鋁合金的出現(xiàn)又使ZK60的研究出現(xiàn)了擱置，因此需要我們現(xiàn)在投入更多的熱情與心血去研究ZK60鎂合金。</p><p>　　隨著時(shí)代的發(fā)展，鎂及其合金作為最輕的常用金屬結(jié)構(gòu)材料，已經(jīng)受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，世界各國(guó)都將鎂合金列入21世紀(jì)最為重要的結(jié)構(gòu)材料之一。由于變形產(chǎn)品相對(duì)于鑄造成型產(chǎn)品來(lái)說(shuō)有著更高的強(qiáng)度，更容易制成形狀復(fù)雜，表面質(zhì)量良好，且尺寸精度更加精確的產(chǎn)品，因此用于變形加工的鎂合金

66、得到了更廣泛的研究。而由于ZK60的強(qiáng)度超過(guò)了大部分的變形鎂合金中，因此ZK60鎂合金被廣泛用來(lái)研究。</p><p>　　圖1.3 ZK60合金在汽車上的應(yīng)用</p><p>　　Fig.1.3 Application of ZK60 alloy in automobile</p><p>　　1.5 本文研究目的和主要內(nèi)容</p><p>

67、;　　1.5.1 研究目的</p><p>　　目前鎂合金研發(fā)方向主要集中在固態(tài)成型，其結(jié)構(gòu)零件主要是應(yīng)用壓鑄技術(shù)制造而成，但是鑄造帶來(lái)的缺陷如夾雜和孔洞在很大程度上降低了鎂合金的力學(xué)性能。因此相對(duì)于鑄造鎂合金零件，塑性成形的鎂合金零件組織更加細(xì)化，成分更加均勻，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊密。因此由于變形鎂合金的高延伸率和高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，所以其被廣泛用來(lái)作為研究，而作為變形鎂合金中強(qiáng)度最高的ZK60其研究意義更大。增強(qiáng)鎂合金的

68、力學(xué)性能我們可以通過(guò)細(xì)化其晶粒的方法。因此通過(guò)攪拌摩擦加工的方法去改變鎂合金表面形態(tài)，從而觀察鎂合金表面微觀形貌的變化以及力學(xué)性能變化。鎂合金的熱處理相對(duì)來(lái)說(shuō)較簡(jiǎn)單，只有時(shí)效和固溶兩種。但對(duì)于熱處理的研究我們還是存在一些問(wèn)題：對(duì)于高性能產(chǎn)品的設(shè)計(jì)我們僅僅依靠現(xiàn)有的力學(xué)性能數(shù)據(jù)是不能夠得到滿足的；對(duì)于熱處理如何優(yōu)化其工藝；對(duì)于變形鎂合金如何通過(guò)科學(xué)的控制熱處理機(jī)理來(lái)達(dá)到其所需要的性能。這些因素對(duì)變形鎂合金的應(yīng)用和推廣有很大的阻礙作用。因此

69、，如何通過(guò)攪拌摩擦技術(shù)以及如何經(jīng)過(guò)熱處理來(lái)得到高強(qiáng)度，高延伸率，高質(zhì)量的ZK60鎂合金成為本文的重點(diǎn)。</p><p>　　1.5.2 主要研究?jī)?nèi)容</p><p>　　對(duì)ZK60鎂合金進(jìn)行攪拌摩擦加工，人工時(shí)效處理，在電子顯微鏡下進(jìn)行金相觀察，得到未時(shí)效前母材和焊縫的微觀組織，時(shí)效后母材和焊縫的微觀組織，對(duì)這四種材料晶粒尺寸作出統(tǒng)計(jì)，得出加工處理后ZK60鎂合金晶粒變化情況。使用SEM觀

70、察合金析出的第二相粒子在基體中的分布情況以及第二相粒子平均尺寸大小，探索第二相粒子的演變規(guī)律。對(duì)這四種鎂合金材料做摩擦實(shí)驗(yàn)，得出其摩擦系數(shù)在加工處理前后的變化情況。最后探索晶粒細(xì)化，析出強(qiáng)化對(duì)合金摩擦系數(shù)的影響模型。</p><p>　　第二章 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備及方法</p><p><b>　　2.1 實(shí)驗(yàn)材料</b></p><p>　　本實(shí)

71、驗(yàn)所用的母材為鑄造時(shí)效態(tài)ZK60，鑄造時(shí)效態(tài)2K60的宏觀圖（如圖2.1所示）。ZK60母材的化學(xué)成分、物理性能、和化學(xué)性能分別如下表所示。</p><p>　　圖2.1 時(shí)效態(tài)ZK60宏觀圖</p><p>　　Fig.2.1 ZK60 macro diagram of aging state</p><p>　　表2.1 ZK60 鎂合金主要化學(xué)成分/%<

72、/p><p>　　Table2.1 Chemical composition of ZK60 Magnesium</p><p>　　表2.2 ZK60鎂合金室溫物理性能</p><p>　　Table2.2 Physical properties of ZK60 magnesium alloy</p><p>　　表2.3 ZK60 鎂合金室溫

73、力學(xué)性能</p><p>　　Table2.3 ZK60 magnesium alloy typical mechanical properties at room temperature</p><p><b>　　2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)所用的試驗(yàn)設(shè)備如下所示有：</p><p>　　本試

74、驗(yàn)采用攪拌摩擦焊接機(jī), 如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 攪拌摩擦焊接機(jī)</p><p>　　Fig.2.2 Friction stir welding machine</p><p>　　攪拌摩擦焊所用的焊接接頭如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3攪拌摩擦焊焊接接頭</p><p>　　Fig

75、.2.3 Friction stir welding joint</p><p>　　攪拌摩擦焊的焊接參數(shù)如下表所示：</p><p>　　表2.5 攪拌摩擦焊焊接參數(shù)</p><p>　　Table2.5 Parameter of FSW</p><p><b>　　金相顯微鏡</b></p><p

76、><b>　　SEM</b></p><p>　　MET-400多功能材料表面性能實(shí)驗(yàn)儀</p><p>　　金相試樣鑲嵌機(jī)

77、

78、 </p><p><b>　　時(shí)效爐</b></p><p>　

79、　PG-2C金相試樣拋光機(jī)</p><p><b>　　2.3 實(shí)驗(yàn)方法</b></p><p>　　2.3.1 接頭與母材的微觀顯微組織的表征</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)所用腐蝕劑成份如下表2.6所示，所配成的腐蝕液為黃色透明液體。</p><p>　　表2.6 腐蝕液成分</p><p>　　

80、Table2.6 composition of the corrosive solution</p><p>　　將ZK60試樣制成一定的尺寸大小，分別用400#，600#，1000#，1400#的砂紙隨水打磨，每次更換砂紙時(shí)都把試樣交叉90°再進(jìn)行磨制，直到表面平整光滑無(wú)劃痕，用酒精沖洗吹干防止氧化，接著用事先配置好的腐蝕液腐蝕，直至腐蝕得到清晰的組織，再次用酒

81、精沖洗吹干防止在空氣中氧化。把制備好的試樣裝入試樣帶，準(zhǔn)備進(jìn)行金相觀察。</p><p>　　2.3.2 ZK60試樣時(shí)效處理</p><p>　　將鑄造固溶時(shí)效態(tài)ZK60放在時(shí)效爐里進(jìn)行時(shí)效，時(shí)效溫度控制為175℃，時(shí)效時(shí)間為10h，將時(shí)效后的樣品進(jìn)行同樣的接頭與母材的微觀顯微組織觀察。</p><p>　　2.3.3 ZK60摩擦系數(shù)的測(cè)定</p>

82、<p>　　用MFT-400多功能材料表面性能試驗(yàn)儀對(duì)ZK60試樣和再次時(shí)效后的ZK60試樣進(jìn)行摩擦系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)，得出往復(fù)摩擦試驗(yàn)報(bào)告。對(duì)摩擦形貌進(jìn)行SEM掃描電鏡觀察。</p><p>　　圖2.4 試樣宏觀圖</p><p>　　Fig.2.4 Macrograph of joint</p><p>　　2.3.4 第二相粒子的觀察</p&g

83、t;<p>　　對(duì)ZK60母材和焊縫中的第二相粒子進(jìn)行分析，首先對(duì)母材和焊接接頭進(jìn)行研磨拋光，但不腐蝕，采用SEM觀察母材與焊接區(qū)域第二相粒子的種類、整體數(shù)量和分布規(guī)律。其次，將焊接接頭進(jìn)行腐蝕，再觀察各區(qū)域第二相粒子的數(shù)量和分布規(guī)律。</p><p>　　2.3.5 第二相粒子的大小和尺寸統(tǒng)計(jì)</p><p>　　使用Image J 軟件對(duì)拍攝的第二相粒子的大小和尺寸進(jìn)行統(tǒng)

84、計(jì)。注意我們?cè)谧鯥mage → Adjust → Threshold這步操作把黑色圖片處理成紅色時(shí)候。應(yīng)該嚴(yán)格控制好Threshold下的兩個(gè)控制條，使得大部分粒子被紅色所標(biāo)記。那些特別小的粒子應(yīng)該盡量避免。由Image j軟件統(tǒng)計(jì)出粒子的面積，最后由Origin軟件以柱狀圖的形式統(tǒng)計(jì)出第二相粒子的大小和尺寸。</p><p><b>　　tu</b>

85、</p><p>　　圖2.5 第二相粒子統(tǒng)計(jì)對(duì)比圖</p><p>　　Fig.2.5 Statistical comparison of the second phase</p><p>　　第三章 攪拌摩擦加工對(duì)ZK60鎂合金組織性能分析</p><p>　　3.1 攪拌摩擦加工ZK60合金宏觀照片</p><p&g

86、t;　　圖3.1為ZK60攪拌加工宏觀圖。ZK60鎂合金的攪拌區(qū)域較平整，無(wú)熱裂紋，無(wú)較明顯的缺陷。</p><p>　　圖3.1 ZK60攪拌加工宏觀圖</p><p>　　Fig.3.1 Macro graph of ZK60 stirring process</p><p>　　3.2 攪拌摩擦加工晶粒微觀組織分析</p><p>　　

87、對(duì)ZK60母材和焊縫研磨腐蝕后用金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察，拍攝金相照片（如圖3.2所示）。對(duì)晶粒尺寸大小作統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下表3.1,3.2所示。其中a表示母材區(qū)的微觀組織，b表示母材與焊縫之間的界線，c表示熱機(jī)械影響區(qū)晶粒的微觀組織，d表示焊縫區(qū)的微觀組織。</p><p>　　圖3.2 金相顯微照片</p><p>　　Fig.3.2 Metallographic microscop

88、e photograph</p><p>　　表3.1 ZK60母材晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)表</p><p>　　Table3.1 Table of grain size statistics for ZK60 parent material</p><p>　　表3.2 ZK60焊縫晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)表</p><p>　　Table3.2 Table o

89、f grain size statistics for ZK60 weld</p><p>　　從圖3.2 a中可以看出ZK60母材的晶粒為粗大的鑄造組織，其平均晶粒尺寸為111.96μm。對(duì)ZK60板材進(jìn)行攪拌摩擦加工后，由于攪拌頭的旋轉(zhuǎn)和摩擦產(chǎn)熱將導(dǎo)致攪拌頭周圍的材料進(jìn)入塑性流動(dòng)，此時(shí)攪拌摩擦焊焊縫組織可以分為三個(gè)主要部分：受攪拌頭攪拌而形成的焊縫區(qū)、靠近攪拌區(qū)域受熱而形成的冠狀區(qū)和母材區(qū)三個(gè)部分。圖3.2

90、b為過(guò)渡區(qū)，它包括熱影響區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)?？梢钥闯鲈谒鼈冎g有一條明顯的分界線，在分界線兩側(cè)分布著兩種不同的晶粒尺寸大小，在熱影響區(qū)晶粒粗大，而在熱機(jī)影響區(qū)晶粒明顯細(xì)化。</p><p>　　圖3.2 c為熱機(jī)械影響區(qū)。在攪拌摩擦過(guò)程中，熱機(jī)械影響區(qū)的應(yīng)變速率和變形量均小于攪拌區(qū)，晶粒動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的不完全。因此熱機(jī)械影響區(qū)形成的組織為小晶粒分布在大晶粒的周圍，大小晶粒相間，組織不均勻性增大，晶粒被拉長(zhǎng)。由圖3.2

91、可以看出，熱機(jī)械影響區(qū)的晶粒尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于母材區(qū)的晶粒尺寸，但大于攪拌區(qū)的晶粒尺寸。</p><p>　　圖3.2 d為攪拌區(qū)的晶粒尺寸，由表3.2 統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出其平均晶粒尺寸為6.81μm，尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于母材區(qū)的晶粒尺寸大小。攪拌區(qū)的晶粒在攪拌頭的攪動(dòng)下為其動(dòng)態(tài)再結(jié)晶得到了足夠的應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度，同時(shí)該區(qū)域受到摩擦熱的作用和劇烈攪拌作用，材料發(fā)生劇烈流動(dòng)和塑性變形，晶粒被攪拌頭打碎，壓力和攪拌力阻礙晶粒的長(zhǎng)大，

92、在這些因素驅(qū)使下晶粒變得非常細(xì)小而且均勻。</p><p>　　3.3 析出相的演變</p><p>　　ZK60鎂合金中含有Zr元素，Zr對(duì)晶粒的長(zhǎng)大有強(qiáng)烈的抑制作用，能夠細(xì)化晶粒。同時(shí)，在ZK60鎂合金中Zn作為主要的時(shí)效強(qiáng)化元素，在攪拌摩擦過(guò)程中會(huì)有第二相析出，同樣可以細(xì)化晶粒。圖3.3 a、c高倍電鏡下可以看出在母材區(qū)第二相沿晶界分布[6]，在焊縫區(qū)第二相彌散分布。圖3.3 b、d

93、較低倍數(shù)電鏡下觀察可以看到母材區(qū)析出的第二相數(shù)量較少，且尺寸較大，焊縫區(qū)析出的第二相數(shù)量較多且尺寸較小。</p><p>　　圖3.3 ZK60SEM圖（a、c：ZK60-BM ;b、d：ZK60-SZ）</p><p>　　Fig.3.3 SEM images for ZK60(a、c：ZK60-BM ;b、d：ZK60-SZ）</p><p>　　圖3.4 a可

94、以看出在母材區(qū)存在一定量的較大尺寸的第二相粒子，攪拌摩擦加工后,如b所示較大尺寸的第二相粒子的數(shù)量明顯減少。</p><p>　　圖3.4 第二相尺寸統(tǒng)計(jì)圖：（a）ZK60-BM (B)ZK60-SZ</p><p>　　Fig.3.4 The second phase size statistical chart （a）ZK60-BM (B)ZK60-SZ</p><

95、p>　　3.3.1 第二相分析</p><p>　　根據(jù)文獻(xiàn)[7]，Arbegast 和Hartley根據(jù)鋁合金建立了一個(gè)焊核區(qū)溫度和工藝參數(shù)之間的關(guān)系式：，其中Tm為合金熔點(diǎn)，a和k均為常數(shù)。對(duì)于ZK60鎂合金的攪拌摩擦加工，其Tm為635℃，常數(shù)a=0.0442，k=0.8052，w=800rpm，v=100mm/min.按照上述公式可以算出焊核區(qū)ZK60的溫度為501.3℃。從圖3.4 Mg-Zn合金

96、相圖可以看出ZK60焊核區(qū)溫度高于合金相變點(diǎn)，因此焊核區(qū)的第二相經(jīng)歷了熔化和破碎，其數(shù)量減少。</p><p>　　圖3.5Mg-Zn二元相圖</p><p>　　Fig.3.5 Mg-Zn Binary phase digram </p><p>　　ZK60鎂合金在時(shí)效態(tài)下能夠強(qiáng)化合金性能，而其中第二相的大小和分布情況對(duì)其性能有很大的影響。許多研究表明，第二相的

97、大小和分布情況通過(guò)攪拌摩擦加工的方法可以得到很大的改變。其中，在ZK60鎂合金中主要存在兩種二元合金相：第一種是尺寸相對(duì)較大，含有大量Zr元素的第二相粒子，一般為Zr2Zn3 相。另一種是其尺寸為納米級(jí)別的Mg-Zn相，即β相，包括桿狀的MgZn析出相，與基體之間存在嚴(yán)格的位相關(guān)系。也包括MgZn2析出相，并且它沒(méi)有取向關(guān)系，呈近似平行四邊形關(guān)系。并且β相在ZK60鎂合金中是最重要的強(qiáng)化合金相。</p><p>

98、　　圖3.6 焊縫第二相顯微組織和成分</p><p>　　Fig.3.6 Microstructure and composition of second phases of the weld zone</p><p>　　表3.3 焊縫第二相成分</p><p>　　Table3.3 Composition of second phases of the wel

99、d zone</p><p>　　從表3.3中可以看出譜圖1和譜圖2中較大的相中含有Mg、Zn、Zr三種元素，譜圖3和譜圖4中較小的二次相中只含有Mg、Zn兩種元素而不含有Zr元素。在ZK60合金中，Zn的含量較大，達(dá)到了4.8%-6.2%，而其主要強(qiáng)化方式為時(shí)效強(qiáng)化，由于Zn具有時(shí)效強(qiáng)化的作用，因此Zn是ZK60鎂合金的主要強(qiáng)化元素，ZK60合金中Zr的含量較低，但Zr能夠抑制晶粒的長(zhǎng)大，使晶粒得到細(xì)化，因此在

100、較小的第二相中可以看到Zr元素的存在，而較大晶粒中卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Zr元素的存在。圖3.4第二相尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果中可以看出在攪拌區(qū)較小尺寸的第二相占了絕大多數(shù)，而母材區(qū)存在一定量的較大的第二相。是因?yàn)楹缚p區(qū)的第二相在攪拌摩擦加工中攪拌頭和摩擦熱的作用下使得其中較大的第二相被打碎或者有新的第二相重新析出。使得第二相的尺寸更小，分布更廣。而母材區(qū)由于遠(yuǎn)離焊縫區(qū)，受到攪拌作用和熱量較少，析出較大的第二相得不到細(xì)化，因此有一定的較大的第二相存在。<

101、/p><p><b>　　3.4摩擦系數(shù)分析</b></p><p>　　鎂合金正是因?yàn)槟Σ料禂?shù)高而成為阻止其發(fā)展應(yīng)用為運(yùn)動(dòng)部件。因此我們需要不斷探索降低鎂合金摩擦系數(shù)的辦法。通過(guò)攪拌摩擦加工來(lái)對(duì)比攪拌區(qū)和母材區(qū)摩擦系數(shù)的變化。圖3.6為摩擦形貌宏觀圖,對(duì)其摩擦形貌進(jìn)行SEM觀察，圖3.7為摩擦形貌微觀圖，可以看到在摩擦表面材料發(fā)生了微量的塑性變形流動(dòng)現(xiàn)象，摩擦表面的溝槽

102、比較平滑，沒(méi)有出現(xiàn)凹凸不平的現(xiàn)象。</p><p>　　圖3.7 摩擦形貌宏觀圖</p><p>　　Fig.3.7 Macroscopic diagram of friction topography</p><p>　　圖3.8 摩擦形貌微觀圖</p><p>　　Fig.3.8 Microstructure of friction<

103、;/p><p>　　根據(jù)往復(fù)摩擦試驗(yàn)報(bào)告,實(shí)驗(yàn)載荷設(shè)定為50N,摩擦長(zhǎng)度為5mm,摩擦頻率為50mm/min,摩擦?xí)r間為30Min。使用Origin軟件統(tǒng)計(jì)出試樣母材區(qū)和攪拌區(qū)的摩擦系數(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3.8所示。母材區(qū)的摩擦系數(shù)在摩擦長(zhǎng)度上的曲線波動(dòng)較大，而攪拌區(qū)的摩擦系數(shù)在摩擦長(zhǎng)度上的曲線要平緩的多。經(jīng)過(guò)攪拌摩擦加工后試樣的摩擦系數(shù)減少了。</p><p>　　圖3.9 摩擦系數(shù)統(tǒng)計(jì)圖（a）

104、ZK60-BM （b）ZK60-FSP</p><p>　　Fig.3.9 Statistical graph of friction coefficient（a）ZK60-BM （b）ZK60-FSP</p><p>　　Rabinoejc完善了R.Holm提出的粘著磨損理論，接著Archard對(duì)這一理論進(jìn)行了進(jìn)一步的發(fā)展，并得出了試樣磨損體積的表達(dá)式，即W=KLF/3H，其中W為試樣的

105、磨損體積，K為磨損系數(shù)：L為摩擦距離，F(xiàn)為載荷，H為試樣的硬度。根據(jù)粘著磨損理論，我對(duì)其得出摩擦理論的猜想：摩擦系數(shù)為摩擦體積，摩擦長(zhǎng)度，附加載荷和試樣硬度的函數(shù)，即K1=3H1W1/L1F1,根據(jù)摩擦試驗(yàn)可以知道母材和攪拌區(qū)的W1，L1，F(xiàn)1相等，而且攪拌區(qū)的晶粒更細(xì)小，由細(xì)晶強(qiáng)化得知攪拌區(qū)的硬度H要高于母材區(qū),根據(jù)猜想得出的結(jié)論為攪拌區(qū)的摩擦系數(shù)要大于母材區(qū)的摩擦系數(shù)，這顯然與試驗(yàn)結(jié)果相反。</p><p>

106、　　根據(jù)研究者的研究，當(dāng)晶粒的尺寸很細(xì)小時(shí)，ZK60受到粘著磨損的影響，摩擦系數(shù)隨著增大，并且由于在摩擦表面會(huì)受到較大的塑性變形，其磨損量會(huì)增加。相反，對(duì)于晶粒尺寸較大的合損機(jī)金其磨理并非粘著磨損而是磨粒磨損，而發(fā)生的變形也并非塑性變形。攪拌加工后攪拌區(qū)和母材區(qū)晶粒尺寸變化很大。圖3.7摩擦形貌微觀圖看出試樣只發(fā)生了輕微的塑性變形，因此摩擦系數(shù)的變化規(guī)律不符合粘著磨損的變化規(guī)律并得出通過(guò)攪拌摩擦加工細(xì)化晶粒能夠降低材料的摩擦系數(shù)。<

107、;/p><p><b>　　3.5 小結(jié)</b></p><p>　　(1)ZK60鎂合金能夠進(jìn)行攪拌摩擦加工。</p><p>　　(2)攪拌摩擦加工能夠細(xì)化晶粒，從母材區(qū)平均晶粒尺寸為112μm降低到焊縫區(qū)平均晶粒尺寸為6.8μm。</p><p>　　(3)ZK60鎂合金析出的第二相主要含Mg，Zn兩種元素，含有少量的

108、Zr元素，通過(guò)譜圖分析發(fā)現(xiàn)較小的第二相晶粒中含有Zr元素，而較大的相中卻不存在，這一結(jié)果符合Zr能夠細(xì)化晶粒這一特性，Mg、Zn兩種元素形成的第二相主要表現(xiàn)為強(qiáng)化作用，含Zr元素形成的第二相主要表現(xiàn)為細(xì)化作用。(4)攪拌摩擦加工能夠降低ZK60鎂合金的摩擦系數(shù)，提高其耐磨性。</p><p>　　第四章 時(shí)效處理對(duì)攪拌摩擦加工ZK60合金組織性能影響</p><p>　　4.1 時(shí)效過(guò)程