異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭：顯微結構與力學性能的關聯(lián)性探索一、引言1.1研究背景與意義鎂合金作為最輕的金屬結構材料，憑借其密度小（約1.8g/cm3）、比強度高、彈性模量大、散熱好、消震性強以及承受沖擊載荷能力強等諸多優(yōu)點，在現(xiàn)代工業(yè)領域中展現(xiàn)出了極為廣闊的應用前景。在航空航天領域，減輕飛行器重量對于提升燃油效率和飛行性能至關重要，鎂合金因此被廣泛應用于制造飛機零部件，如機身框架、發(fā)動機部件等。在汽車工業(yè)中，汽車輕量化是當下的發(fā)展趨勢，使用鎂合金制造汽車零部件，如方向盤骨架、座椅框架、輪轂等，可顯著降低車輛自重，進而減少燃油消耗和尾氣排放。在電子行業(yè)，鎂合金用于制造筆記本電腦、手機等電子產品的外殼，不僅具備良好的電磁屏蔽性能，還能提供輕巧美觀的外觀設計。隨著醫(yī)療技術的不斷進步，鎂金屬因其良好的生物相容性，在醫(yī)療器械和植入物制造，如骨固定材料等方面的需求也有望進一步增長。在實際應用中，單一鎂合金往往難以完全滿足復雜多樣的工況需求，而異種鎂合金的組合使用能夠整合不同鎂合金的優(yōu)勢性能，拓展其應用范圍。例如，將具有高強度的鎂合金與具備良好耐腐蝕性的鎂合金進行連接，可使連接件在承受較大載荷的同時，還能在惡劣的環(huán)境中保持穩(wěn)定的性能。然而，異種鎂合金的連接面臨著諸多挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)焊接方法在焊接異種鎂合金時，焊縫及近縫區(qū)金屬易發(fā)生過熱和晶粒長大，進而引起較大的熱應力和焊件變形，還容易產生裂紋、氫氣孔等缺陷，且晶粒間組織存在過燒傾向，這些問題嚴重影響了焊接接頭的質量和性能，限制了異種鎂合金的廣泛應用。攪拌摩擦焊（FSW）作為一種新型的固相連接技術，為異種鎂合金的連接提供了有效的解決方案。該技術于1991年由英國焊接研究所（TWI）發(fā)明，其原理是借助高速旋轉的摩擦頭（由軸肩和攪拌針組成）與工件緊密接觸，通過摩擦產生熱量使焊接區(qū)的金屬軟化，在攪拌針機械攪拌的作用下金屬發(fā)生流動，同時攪拌頭沿著焊接方向移動，從而實現(xiàn)工件的連接。與傳統(tǒng)的熔焊和釬焊相比，攪拌摩擦焊具有顯著的優(yōu)勢。由于其加工溫度低，不發(fā)生金屬熔化，屬于固態(tài)連接技術，因此焊件變形小，能有效減少焊接缺陷，如氣孔、縮孔、疏松及成分偏析等凝固缺陷的產生，同時焊接接頭力學性能優(yōu)良。此外，攪拌摩擦焊還具有節(jié)能、節(jié)材、清潔、高效等特點，操作過程便于實現(xiàn)機械化、自動化，設備簡單，能耗低，功效高，對作業(yè)環(huán)境要求低，無需添加焊絲，焊鋁合金時不需焊前除氧化膜，不需要保護氣體，成本低，可焊熱裂紋敏感的材料，適合異種材料焊接，焊接過程安全、無污染、無煙塵、無輻射等。目前，攪拌摩擦焊技術在鋁合金連接方面已相對成熟，并在航空航天、汽車制造等領域實現(xiàn)了工業(yè)化應用，如波音公司用攪拌摩擦焊實現(xiàn)了C17和C130大型軍用運輸機貨艙地板的制造，空客公司在A320中央翼盒、A340機翼承力墻、A350飛機機身蒙皮等結構中應用了攪拌摩擦焊技術。然而，關于鎂合金攪拌摩擦焊接技術的研究，尤其是異種鎂合金攪拌摩擦焊的研究還不夠充分，尚未實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化應用。深入研究異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭的顯微結構與力學性能，對于揭示攪拌摩擦焊連接異種鎂合金的內在機制，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，提高焊接接頭質量和性能具有重要的理論意義和實際應用價值。通過本研究，有望為異種鎂合金在更多領域的廣泛應用提供堅實的技術支撐，推動相關產業(yè)的發(fā)展。1.2國內外研究現(xiàn)狀近年來，國內外學者針對異種鎂合金攪拌摩擦焊展開了一系列研究，主要集中在焊接工藝、微觀組織和力學性能等方面。在焊接工藝研究方面，諸多學者對攪拌頭的形狀、尺寸以及焊接參數(shù)（如攪拌頭轉速、焊接速度、軸肩下壓量等）進行了廣泛探討。學者Liu等人在對AZ31和AZ61異種鎂合金攪拌摩擦焊的研究中發(fā)現(xiàn)，攪拌頭轉速和焊接速度的匹配對焊縫成形質量有著顯著影響。當攪拌頭轉速過低或焊接速度過快時，焊縫會出現(xiàn)未焊合缺陷；而攪拌頭轉速過高或焊接速度過慢，則可能導致焊縫過熱，進而降低接頭性能。通過優(yōu)化焊接參數(shù)，在攪拌頭轉速為1000r/min、焊接速度為100mm/min時，獲得了成形良好的焊縫。學者Zhang等人研究了攪拌針長度對AZ91和AM60異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭性能的影響，結果表明，合適的攪拌針長度能夠使焊縫金屬充分攪拌混合，提高接頭的強度和塑性。當攪拌針長度過短時，焊縫底部無法充分焊合；而攪拌針長度過長，則可能導致焊縫頂部出現(xiàn)飛邊等缺陷。關于微觀組織研究，學者們通過金相分析、掃描電鏡（SEM）等手段，對異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭的微觀組織特征進行了深入觀察和分析。研究發(fā)現(xiàn)，接頭通常可分為焊核區(qū)（NZ）、熱力影響區(qū)（TMAZ）和熱影響區(qū)（HAZ）。在焊核區(qū)，材料在攪拌針的劇烈攪拌作用下發(fā)生動態(tài)再結晶，形成細小均勻的等軸晶組織。學者Wang等人在對AZ31B和ZK60A異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭的研究中發(fā)現(xiàn)，焊核區(qū)的晶粒尺寸明顯小于母材，且隨著攪拌頭轉速的增加，晶粒尺寸進一步細化。這是因為較高的攪拌頭轉速會產生更多的熱量和更大的剪切應力，促進了動態(tài)再結晶的進行，從而細化晶粒。在熱力影響區(qū)，材料受到熱循環(huán)和機械攪拌的共同作用，晶粒發(fā)生變形和部分再結晶，組織呈現(xiàn)出明顯的方向性。熱影響區(qū)則主要受熱循環(huán)的影響，晶粒尺寸有所長大，但未發(fā)生明顯的塑性變形。在力學性能研究方面，學者們重點關注接頭的抗拉強度、硬度、韌性等力學性能指標，并分析了微觀組織與力學性能之間的關系。學者Li等人對AZ80和WE43異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭的抗拉強度進行了研究，結果表明，接頭的抗拉強度主要取決于焊核區(qū)的組織和性能。當焊核區(qū)晶粒細小且均勻時，接頭具有較高的抗拉強度；而當焊核區(qū)存在缺陷或晶粒粗大時，抗拉強度會顯著降低。此外，學者Zhao等人通過對AZ31和AZ91異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭的硬度測試發(fā)現(xiàn)，焊核區(qū)的硬度最低，這是由于焊核區(qū)發(fā)生了動態(tài)再結晶，晶粒細化，且合金元素的分布發(fā)生了變化。而熱力影響區(qū)和熱影響區(qū)的硬度則介于焊核區(qū)和母材之間。盡管國內外在異種鎂合金攪拌摩擦焊方面已取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足之處。部分研究僅針對特定的異種鎂合金組合，缺乏對不同合金體系之間的系統(tǒng)性對比研究，這限制了對異種鎂合金攪拌摩擦焊普遍規(guī)律的深入理解。目前對于焊接過程中材料的塑性流動行為和動態(tài)再結晶機制的研究還不夠透徹，尚未建立起完善的理論模型，難以實現(xiàn)對焊接過程和接頭性能的精確預測和控制。在實際應用中，異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭的長期服役性能和可靠性研究相對較少，無法滿足工程應用對焊接接頭性能穩(wěn)定性和耐久性的要求。針對當前研究的不足，本研究將選取多種不同的異種鎂合金組合，系統(tǒng)地研究焊接工藝參數(shù)對焊縫成形、微觀組織和力學性能的影響規(guī)律。通過先進的實驗技術和數(shù)值模擬方法，深入探究焊接過程中材料的塑性流動行為和動態(tài)再結晶機制，建立相關的理論模型。同時，對異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭的長期服役性能和可靠性進行評估，為其在實際工程中的應用提供更全面、可靠的理論依據(jù)和技術支持。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容本研究旨在深入探究異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭的顯微結構與力學性能，具體研究內容如下：焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的影響：選用多種不同組合的異種鎂合金，如AZ31與AZ61、AZ91與AM60等，系統(tǒng)研究攪拌頭轉速、焊接速度、軸肩下壓量等焊接工藝參數(shù)對焊縫成形質量的影響規(guī)律。通過大量的焊接實驗，觀察焊縫表面的宏觀形貌，如是否存在溝槽、飛邊、未焊合等缺陷，分析不同工藝參數(shù)下焊縫的外觀特征，確定獲得良好焊縫成形的工藝參數(shù)范圍。接頭微觀組織特征及形成機制：運用金相分析、掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）等微觀分析手段，詳細研究異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭不同區(qū)域（焊核區(qū)、熱力影響區(qū)、熱影響區(qū)）的微觀組織特征，包括晶粒尺寸、形態(tài)、取向，以及第二相的分布和析出情況。通過對不同工藝參數(shù)下接頭微觀組織的對比分析，深入探討焊接過程中材料的塑性流動行為和動態(tài)再結晶機制，揭示微觀組織的形成機制。接頭力學性能研究：對焊接接頭進行拉伸試驗、硬度測試、沖擊試驗等力學性能測試，全面評估接頭的抗拉強度、屈服強度、伸長率、硬度、沖擊韌性等力學性能指標。分析不同工藝參數(shù)和微觀組織對接頭力學性能的影響規(guī)律，建立微觀組織與力學性能之間的內在聯(lián)系。建立理論模型：基于實驗研究結果，結合材料塑性流動理論和動態(tài)再結晶理論，建立異種鎂合金攪拌摩擦焊過程中材料塑性流動和動態(tài)再結晶的理論模型，實現(xiàn)對焊接過程和接頭性能的數(shù)值模擬和預測，為焊接工藝的優(yōu)化提供理論依據(jù)。接頭長期服役性能和可靠性評估：采用加速腐蝕試驗、疲勞試驗等方法，研究異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭在不同環(huán)境條件下的長期服役性能和可靠性，評估接頭在實際工程應用中的性能穩(wěn)定性和耐久性。1.3.2研究方法為實現(xiàn)上述研究內容，本研究擬采用以下研究方法：實驗研究：設計并開展大量的攪拌摩擦焊接實驗，選用合適的異種鎂合金板材作為實驗材料，對實驗材料進行預處理，包括清洗、打磨等，以確保焊接質量。采用不同形狀和尺寸的攪拌頭，設置多組不同的焊接工藝參數(shù)進行焊接實驗。對焊接后的接頭進行宏觀形貌觀察，采用目視檢查、拍照等方法記錄焊縫表面的缺陷情況。利用線切割將焊接接頭切割成合適尺寸的試樣，進行金相制備，采用金相顯微鏡觀察接頭不同區(qū)域的微觀組織，利用掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）進一步分析微觀組織的細節(jié)特征，如第二相的形態(tài)、分布等。對焊接接頭進行拉伸試驗、硬度測試、沖擊試驗等力學性能測試，使用電子萬能試驗機進行拉伸試驗，測定接頭的抗拉強度、屈服強度和伸長率；采用顯微硬度計測試接頭不同區(qū)域的硬度分布；使用沖擊試驗機進行沖擊試驗，測定接頭的沖擊韌性。數(shù)值模擬：基于材料塑性力學和傳熱學原理，利用有限元分析軟件，建立異種鎂合金攪拌摩擦焊的數(shù)值模型，模擬焊接過程中的溫度場、應力場和材料塑性流動行為，分析焊接工藝參數(shù)對焊接過程和接頭性能的影響，通過與實驗結果對比，驗證數(shù)值模型的準確性和可靠性，為焊接工藝的優(yōu)化提供理論指導。理論分析：結合實驗研究和數(shù)值模擬結果，深入分析異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭的微觀組織形成機制和力學性能變化規(guī)律，建立微觀組織與力學性能之間的定量關系模型，從理論上揭示攪拌摩擦焊連接異種鎂合金的內在機制，為焊接工藝的優(yōu)化和接頭性能的提高提供理論依據(jù)。二、攪拌摩擦焊技術原理與實驗設計2.1攪拌摩擦焊技術原理攪拌摩擦焊（FSW）是一種基于摩擦焊接技術的固相連接方法，其工作原理如圖1所示。在焊接過程中，一個由軸肩和攪拌針組成的非消耗性攪拌頭高速旋轉并緩慢插入待焊工件的連接界面。攪拌頭的軸肩與工件表面緊密接觸，通過高速旋轉產生劇烈的摩擦熱，使接觸部位的金屬溫度迅速升高，達到塑性狀態(tài)。同時，攪拌針深入工件內部，對塑性狀態(tài)的金屬進行攪拌和揉搓，使其發(fā)生強烈的塑性變形。隨著攪拌頭沿著焊接方向移動，熱塑性金屬在攪拌針的帶動下，從攪拌頭的前部向后部轉移，并在軸肩的鍛造作用下，實現(xiàn)工件間的固相連接。在焊接過程中，工件需剛性固定在背墊上，以防止焊接過程中產生位移和變形。軸肩不僅起到提供摩擦熱的作用，還能防止塑性狀態(tài)材料的溢出，同時可以利用其與工件表面的摩擦清除表面氧化膜。攪拌摩擦焊的產熱機制主要包括摩擦生熱和塑性變形生熱兩部分。摩擦生熱是攪拌頭與工件之間的摩擦作用產生的熱量，這部分熱量是焊接過程中的主要熱源。根據(jù)摩擦生熱理論，摩擦熱功率Q_{friction}可表示為：Q_{friction}=\muFv其中，\mu為摩擦系數(shù)，與攪拌頭和工件的材料、表面狀態(tài)等因素有關；F為攪拌頭對工件的壓力，主要由軸肩提供；v為攪拌頭與工件的相對線速度，與攪拌頭的旋轉速度和半徑有關。塑性變形生熱是由于金屬在塑性變形過程中，內部的位錯運動、晶粒破碎和重組等微觀機制消耗能量，這些能量大部分轉化為熱能。塑性變形熱功率Q_{plastic}可通過材料的塑性功與熱轉換效率來計算，其表達式較為復雜，涉及材料的流變應力、應變速率、熱轉換系數(shù)等多個參數(shù)。在攪拌摩擦焊過程中，塑性變形生熱在高溫區(qū)和變形劇烈的區(qū)域較為顯著，對焊接過程的熱輸入和溫度分布也有重要影響。在攪拌摩擦焊過程中，材料的塑性變形和金屬流動行為極為復雜。在攪拌針周圍，金屬受到攪拌針的攪拌作用和軸肩的壓力作用，發(fā)生強烈的塑性變形，形成一個高度塑性變形區(qū)。該區(qū)域內的金屬在攪拌針的帶動下，沿著攪拌針的表面和軸肩的底面流動，呈現(xiàn)出復雜的流線形態(tài)。在焊縫的前進側，金屬受到攪拌頭的推擠作用，向前流動并填充到攪拌頭后方的空腔中；在后退側，金屬則受到攪拌頭的拖拽作用，向后流動并與前進側的金屬匯合。這種復雜的金屬流動行為使得焊縫中的金屬得到充分混合和均勻化，從而提高了焊接接頭的質量和性能。與傳統(tǒng)的熔焊方法相比，攪拌摩擦焊在異種鎂合金焊接中具有顯著的優(yōu)勢。由于攪拌摩擦焊是一種固相連接技術，焊接過程中金屬不發(fā)生熔化，避免了熔焊過程中因液態(tài)金屬凝固而產生的氣孔、縮孔、疏松及成分偏析等凝固缺陷。焊接過程中的熱輸入相對較低，焊接接頭的熱影響區(qū)較窄，接頭的組織和性能變化較小，能夠較好地保留母材的力學性能和物理性能。攪拌摩擦焊還具有焊接變形小、生產效率高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)對焊接質量和生產效率的要求。在航空航天、汽車制造等領域，對于異種鎂合金的連接，攪拌摩擦焊技術展現(xiàn)出了良好的應用前景，有望替代傳統(tǒng)的焊接方法，實現(xiàn)異種鎂合金結構件的高效、高質量連接。2.2實驗材料與設備本實驗選用的異種鎂合金材料為AZ31B鎂合金和AZ61A鎂合金，兩種材料均為軋制態(tài)板材，其尺寸規(guī)格為200mm×70mm×3mm。AZ31B鎂合金是以鎂（Mg）為基體，添加鋁（Al）、鋅（Zn）等合金元素組成的變形鎂合金，其中鋁元素的質量分數(shù)約為3.0%，鋅元素的質量分數(shù)約為1.0%，還含有少量的錳（Mn）等元素。該合金具有良好的強度和塑性，室溫下的抗拉強度可達250MPa左右，屈服強度約為140MPa，伸長率在15%左右。AZ61A鎂合金同樣為變形鎂合金，鋁元素的質量分數(shù)約為6.0%，鋅元素的質量分數(shù)約為1.0%，錳元素含量相對較低。其室溫抗拉強度約為300MPa，屈服強度為160MPa左右，伸長率在12%左右。選擇這兩種鎂合金進行攪拌摩擦焊實驗，主要是因為它們在實際工程應用中較為常見，且合金元素含量的差異使得它們在性能上具有一定的互補性。通過攪拌摩擦焊將它們連接在一起，有望獲得兼具多種優(yōu)異性能的焊接接頭，拓展鎂合金在復雜工況下的應用范圍。在進行攪拌摩擦焊實驗前，對實驗材料進行了預處理。首先，使用砂紙對鎂合金板材的待焊表面進行打磨，去除表面的氧化膜和油污等雜質，以確保焊接過程中攪拌頭與材料之間能夠良好地接觸，提高焊接質量。打磨完成后，用無水乙醇對板材進行清洗，進一步去除表面殘留的雜質和碎屑，然后將板材吹干備用。實驗采用的攪拌摩擦焊設備為自行改裝的數(shù)控攪拌摩擦焊機，該設備主要由機床主體、攪拌頭驅動系統(tǒng)、焊接工作臺、控制系統(tǒng)等部分組成。機床主體提供了穩(wěn)定的機械結構，確保焊接過程中設備的剛性和穩(wěn)定性。攪拌頭驅動系統(tǒng)能夠實現(xiàn)攪拌頭的高速旋轉，轉速范圍為500-2000r/min，可根據(jù)實驗需求進行精確調節(jié)。焊接工作臺能夠實現(xiàn)工件的精確移動，焊接速度范圍為50-300mm/min?？刂葡到y(tǒng)采用先進的數(shù)控技術，可對焊接過程中的各種參數(shù)，如攪拌頭轉速、焊接速度、軸肩下壓量等進行實時監(jiān)測和控制，保證焊接過程的穩(wěn)定性和重復性。實驗使用的攪拌頭采用H13模具鋼加工而成，這種鋼材具有良好的高溫強度、韌性和耐磨性，能夠滿足攪拌摩擦焊過程中對攪拌頭的性能要求。攪拌頭的軸肩直徑為12mm，呈凹面圓臺形，這種形狀能夠在焊接過程中更好地與工件表面接觸，提供均勻的摩擦熱，同時有助于防止塑性金屬的溢出。攪拌針為右旋螺紋圓柱型，直徑為4mm，長度為2.8mm，略小于板材厚度，以避免攪拌針穿透板材，影響焊接質量。在焊接過程中，設置攪拌頭轉速分別為800r/min、1000r/min、1200r/min，焊接速度分別為80mm/min、100mm/min、120mm/min，軸肩下壓量為0.2mm、0.3mm、0.4mm。通過改變這些焊接工藝參數(shù)，研究不同參數(shù)組合對焊縫成形、微觀組織和力學性能的影響規(guī)律。2.3實驗方案設計為深入研究焊接工藝參數(shù)對異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭性能的影響，本實驗設計了多組對比實驗，系統(tǒng)地改變攪拌頭轉速、焊接速度和軸肩下壓量等關鍵參數(shù)。具體實驗方案如下：焊接工藝參數(shù)設計：設置攪拌頭轉速分別為800r/min、1000r/min、1200r/min，焊接速度分別為80mm/min、100mm/min、120mm/min，軸肩下壓量為0.2mm、0.3mm、0.4mm。將這些參數(shù)進行組合，共得到3×3×3=27組不同的焊接工藝參數(shù)組合。具體參數(shù)組合如表1所示：接頭制備：按照表1中的參數(shù)組合，使用數(shù)控攪拌摩擦焊機對AZ31B鎂合金和AZ61A鎂合金板材進行攪拌摩擦焊接。在焊接過程中，確保工件剛性固定在焊接工作臺上，攪拌頭沿預定的焊接路徑勻速移動。焊接完成后，在焊縫兩端去除長度約為20mm的部分，以消除焊接起始和結束階段的不穩(wěn)定因素對實驗結果的影響。接頭處理：采用線切割方法，從焊接后的板材上切取尺寸合適的試樣，用于后續(xù)的微觀組織觀察和力學性能測試。對于微觀組織觀察試樣，將其切割成10mm×10mm×3mm的小塊；對于拉伸試驗試樣，按照相關標準制備成標準拉伸試樣，標距長度為25mm，平行段寬度為6mm；對于硬度測試試樣，保持其原始尺寸。微觀組織分析：將切割好的微觀組織觀察試樣進行金相制備，依次經(jīng)過粗磨、細磨、拋光等工序，最后用4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕，以顯示出微觀組織。使用金相顯微鏡對試樣的橫截面進行觀察，拍攝不同區(qū)域（焊核區(qū)、熱力影響區(qū)、熱影響區(qū)）的微觀組織照片，分析晶粒尺寸、形態(tài)和分布情況。利用掃描電鏡（SEM）對微觀組織進行進一步觀察，分析第二相的分布、形態(tài)和尺寸，采用能譜分析（EDS）確定第二相的化學成分。對于部分需要更詳細微觀結構信息的試樣，采用透射電鏡（TEM）進行觀察，分析位錯密度、亞晶結構等微觀特征。力學性能測試：使用電子萬能試驗機對拉伸試樣進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為1mm/min，記錄拉伸過程中的載荷-位移曲線，根據(jù)曲線計算接頭的抗拉強度、屈服強度和伸長率。采用顯微硬度計對焊接接頭不同區(qū)域（從母材到焊核區(qū)）進行硬度測試，加載載荷為0.5kg，加載時間為15s，每隔0.5mm測量一個點，繪制硬度分布曲線。使用沖擊試驗機對沖擊試樣進行室溫沖擊試驗，沖擊能量為30J，根據(jù)沖擊試驗結果計算接頭的沖擊韌性。通過以上實驗方案，全面研究焊接工藝參數(shù)對異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭的焊縫成形、微觀組織和力學性能的影響規(guī)律，為優(yōu)化焊接工藝參數(shù)和提高焊接接頭性能提供實驗依據(jù)。三、異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭顯微結構分析3.1焊接接頭區(qū)域劃分攪拌摩擦焊接頭根據(jù)材料所經(jīng)歷的熱循環(huán)和塑性變形程度的不同，可清晰地劃分為四個區(qū)域，分別為焊核區(qū)（NZ）、熱機影響區(qū)（TMAZ）、熱影響區(qū)（HAZ）以及母材區(qū)（BM），各區(qū)域的微觀結構和性能存在顯著差異，其形成過程與焊接時的物理過程密切相關。下面對各個區(qū)域進行詳細分析。焊核區(qū)（NZ）：焊核區(qū)位于焊縫的中心部位，是攪拌摩擦焊過程中材料經(jīng)歷最為復雜物理過程的區(qū)域。在焊接過程中，攪拌針高速旋轉并深入材料內部，與周圍材料產生劇烈的摩擦和攪拌作用。軸肩與工件表面緊密接觸，產生大量的摩擦熱，使得焊核區(qū)的溫度迅速升高，達到甚至超過材料的再結晶溫度。在高溫和強烈的機械攪拌作用下，材料發(fā)生劇烈的塑性變形，位錯大量增殖、運動和相互作用。由于變形儲能的積累，材料發(fā)生動態(tài)再結晶，形成細小均勻的等軸晶組織。這些等軸晶的晶粒尺寸通常在1-15μm之間，遠小于母材的晶粒尺寸。在某些鋁合金和鎂合金的焊核區(qū)，還可以觀察到類似“洋蔥環(huán)”的結構，這是由于攪拌針與材料之間的周期性相互作用，導致材料在不同位置的變形程度和溫度分布存在差異，從而形成了這種特殊的微觀結構。在異種鎂合金攪拌摩擦焊中，焊核區(qū)是兩種鎂合金材料混合最為充分的區(qū)域，合金元素在該區(qū)域發(fā)生擴散和重新分布，形成了獨特的化學成分和微觀組織。熱機影響區(qū)（TMAZ）：熱機影響區(qū)緊鄰焊核區(qū)，處于焊核區(qū)與母材之間的過渡地帶。該區(qū)域的材料既受到攪拌頭的機械攪拌作用，又受到焊接熱循環(huán)的影響。在機械攪拌作用下，材料發(fā)生一定程度的塑性變形，晶粒被拉長和扭曲。然而，由于該區(qū)域所受到的應力和應變水平低于焊核區(qū)，不足以使材料發(fā)生完全的動態(tài)再結晶。在熱循環(huán)的作用下，部分變形儲能較高的區(qū)域會發(fā)生部分再結晶，形成一些細小的再結晶晶粒。熱機影響區(qū)的晶粒通常由高密度的亞晶界組成，這是由于材料在塑性變形過程中，位錯運動形成了大量的亞結構。在熱機影響區(qū)，還會發(fā)生強化相的溶解和粗化現(xiàn)象，這取決于該區(qū)域所經(jīng)歷的熱循環(huán)強度。如果熱循環(huán)溫度較高且持續(xù)時間較長，強化相可能會大量溶解于基體中；而在較低溫度和較短時間的熱循環(huán)作用下，強化相則可能會發(fā)生粗化。在異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭的熱機影響區(qū)，由于兩種鎂合金的熱物理性能和化學成分存在差異，可能會導致該區(qū)域的組織和性能分布不均勻。熱影響區(qū)（HAZ）：熱影響區(qū)位于熱機影響區(qū)之外，該區(qū)域的材料未受到攪拌頭的機械攪拌作用，主要受熱循環(huán)的影響。在焊接過程中，熱影響區(qū)的材料經(jīng)歷了快速的加熱和冷卻過程。在加熱階段，材料的溫度升高，但由于未受到機械攪拌，材料不發(fā)生塑性變形。隨著溫度的升高，材料中的晶粒會發(fā)生長大現(xiàn)象，這是因為高溫下原子的擴散能力增強，晶粒通過晶界的遷移和吞并來降低系統(tǒng)的能量。熱影響區(qū)的晶粒長大程度與材料所經(jīng)歷的最高溫度和高溫持續(xù)時間密切相關。在冷卻階段，材料逐漸冷卻至室溫，由于熱影響區(qū)的材料未發(fā)生塑性變形，其組織和性能主要取決于加熱階段的熱過程。在熱影響區(qū)，還可能會發(fā)生一些相變和析出過程，這取決于材料的成分和熱循環(huán)參數(shù)。在一些熱處理強化的鎂合金中，熱影響區(qū)可能會發(fā)生時效析出相的粗化或溶解，從而影響接頭的力學性能。對于異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭的熱影響區(qū)，由于兩種鎂合金的熱膨脹系數(shù)和相變特性不同，可能會在該區(qū)域產生較大的熱應力，從而對接頭的性能產生不利影響。母材區(qū)（BM）：母材區(qū)遠離焊接區(qū)域，在焊接過程中未受到熱循環(huán)和機械攪拌的影響，保持了原始的組織和性能。母材區(qū)的微觀組織和性能取決于材料的初始狀態(tài)，如軋制態(tài)、鍛造態(tài)或熱處理態(tài)等。在本實驗中，AZ31B和AZ61A鎂合金母材均為軋制態(tài)，其微觀組織呈現(xiàn)出明顯的軋制流線，晶粒沿軋制方向被拉長。母材區(qū)的力學性能穩(wěn)定，是評估焊接接頭性能的重要參考基準。通過對母材區(qū)性能的了解，可以對比分析焊接接頭不同區(qū)域的性能變化，從而深入研究焊接過程對材料性能的影響。在實際應用中，確保母材區(qū)的質量和性能對于保證整個焊接結構的可靠性至關重要。3.2顯微組織特征觀察利用金相顯微鏡對異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭的橫截面進行觀察，圖2展示了在攪拌頭轉速為1000r/min、焊接速度為100mm/min、軸肩下壓量為0.3mm工藝參數(shù)下接頭不同區(qū)域的金相組織。從圖中可以清晰地分辨出焊核區(qū)（NZ）、熱機影響區(qū)（TMAZ）、熱影響區(qū)（HAZ）和母材區(qū)（BM）。在母材區(qū)，AZ31B和AZ61A鎂合金均呈現(xiàn)出軋制態(tài)的典型組織特征，晶粒沿軋制方向被拉長，形成明顯的軋制流線。AZ31B鎂合金的晶粒尺寸相對較小，平均晶粒尺寸約為20-30μm，而AZ61A鎂合金的晶粒尺寸稍大，平均晶粒尺寸在30-40μm左右。這是由于兩種鎂合金的化學成分和加工工藝略有差異，導致其原始晶粒尺寸存在一定區(qū)別。在熱影響區(qū)，材料主要受熱循環(huán)的作用，未發(fā)生明顯的塑性變形。該區(qū)域的晶粒尺寸相較于母材有所長大，尤其是靠近熱機影響區(qū)的部分，晶粒長大較為明顯。這是因為在焊接過程中，熱影響區(qū)經(jīng)歷了快速的加熱和冷卻過程，高溫下原子的擴散能力增強，晶粒通過晶界的遷移和吞并實現(xiàn)長大。熱影響區(qū)的晶粒長大程度與焊接過程中的最高溫度和高溫持續(xù)時間密切相關。在本實驗條件下，熱影響區(qū)的晶粒平均尺寸增長到了30-50μm（AZ31B側）和40-60μm（AZ61A側）。熱機影響區(qū)的組織較為復雜，該區(qū)域既受到攪拌頭的機械攪拌作用，又受到焊接熱循環(huán)的影響。在機械攪拌作用下，晶粒被強烈拉長和扭曲，呈現(xiàn)出明顯的變形特征。同時，由于熱循環(huán)的作用，部分區(qū)域發(fā)生了部分再結晶現(xiàn)象，形成了一些細小的再結晶晶粒。在熱機影響區(qū)，還可以觀察到大量的亞晶界，這是由于材料在塑性變形過程中，位錯運動形成了高密度的亞結構。這些亞結構在后續(xù)的熱循環(huán)作用下，部分發(fā)展成為再結晶晶粒。熱機影響區(qū)的晶粒尺寸分布不均勻，靠近焊核區(qū)的部分晶粒較為細小，平均晶粒尺寸在5-15μm左右；而靠近熱影響區(qū)的部分晶粒則相對較大，平均晶粒尺寸在20-30μm左右。這種晶粒尺寸的不均勻分布是由于熱機影響區(qū)內不同位置所受到的熱和力的作用程度不同所致。焊核區(qū)是攪拌摩擦焊接頭中最關鍵的區(qū)域，該區(qū)域在攪拌頭的強烈攪拌和摩擦熱作用下，發(fā)生了劇烈的塑性變形和動態(tài)再結晶。從金相照片中可以看到，焊核區(qū)的晶粒細小且均勻，平均晶粒尺寸在3-8μm之間，明顯小于其他區(qū)域的晶粒尺寸。這是因為在高溫和強烈的機械攪拌作用下，材料內部的位錯大量增殖、運動和相互作用，積累了足夠的變形儲能，從而引發(fā)了動態(tài)再結晶。動態(tài)再結晶過程中，新的晶粒在變形儲能較高的區(qū)域形核并迅速長大，最終形成了細小的等軸晶組織。在焊核區(qū)，還可以觀察到類似“洋蔥環(huán)”的結構，這是由于攪拌針與材料之間的周期性相互作用，導致材料在不同位置的變形程度和溫度分布存在差異，進而形成了這種特殊的微觀結構。這些“洋蔥環(huán)”結構實際上是由不同變形程度和晶粒尺寸的區(qū)域交替組成，它們對焊核區(qū)的性能有著重要影響。為了更深入地分析接頭的微觀組織特征，采用掃描電鏡（SEM）對接頭不同區(qū)域進行觀察，重點關注第二相的分布和形態(tài)。在母材區(qū)，AZ31B和AZ61A鎂合金中均存在一定數(shù)量的第二相粒子。AZ31B鎂合金中的第二相主要為Mg17Al12相，呈顆粒狀或短棒狀分布在晶界和晶粒內部。這些第二相粒子的尺寸較小，一般在0.5-2μm之間。而AZ61A鎂合金中的第二相除了Mg17Al12相外，還含有少量的Al8Mn5相等其他相。其中Mg17Al12相的尺寸相對較大，約為1-3μm，且在晶界處的分布更為密集。這些第二相粒子在母材中起到了強化作用，阻礙了位錯的運動，從而提高了母材的強度。在熱影響區(qū)，由于熱循環(huán)的作用，第二相粒子發(fā)生了一定程度的溶解和粗化。部分細小的第二相粒子溶解于基體中，導致第二相的數(shù)量減少；而剩余的第二相粒子則在高溫下發(fā)生粗化，尺寸增大。在靠近熱機影響區(qū)的部分，第二相粒子的粗化現(xiàn)象更為明顯。這種第二相的變化會影響熱影響區(qū)的性能，使得該區(qū)域的強度和硬度有所降低。在熱機影響區(qū)，第二相粒子的分布和形態(tài)也發(fā)生了顯著變化。在機械攪拌和熱循環(huán)的共同作用下，第二相粒子被破碎并重新分布。部分第二相粒子沿著材料的流動方向排列，形成了一定的取向。同時，由于部分再結晶的發(fā)生，一些第二相粒子被包裹在再結晶晶粒內部。熱機影響區(qū)的第二相粒子尺寸分布較為不均勻，既有尺寸較大的粗化粒子，也有被破碎后的細小粒子。這種第二相的不均勻分布會導致熱機影響區(qū)的性能存在一定的各向異性。在焊核區(qū)，由于強烈的塑性變形和動態(tài)再結晶，第二相粒子幾乎全部溶解于基體中。在掃描電鏡下，難以觀察到明顯的第二相粒子。這是因為在高溫和劇烈的機械攪拌作用下，第二相粒子與基體之間的界面能降低，使得第二相粒子能夠迅速溶解于基體中。隨著焊接過程的進行，在冷卻階段，部分溶質原子可能會重新析出形成細小的第二相粒子。但由于冷卻速度較快，這些析出相的尺寸較小，且數(shù)量相對較少。焊核區(qū)第二相的溶解和重新析出過程對其性能有著重要影響，一方面，第二相的溶解使得基體的固溶強化作用增強，提高了焊核區(qū)的強度；另一方面，重新析出的細小第二相粒子可能會對位錯運動產生一定的阻礙作用，進一步提高了焊核區(qū)的強度和硬度。通過能譜分析（EDS）確定了不同區(qū)域第二相粒子的化學成分，驗證了上述關于第二相種類和變化的分析。3.3微觀結構形成機制探討異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭微觀結構的形成是一個復雜的過程，受到焊接過程中熱循環(huán)和塑性變形的共同作用，其中動態(tài)再結晶、回復以及元素擴散等機制對組織的演變有著關鍵影響。在攪拌摩擦焊過程中，焊接區(qū)域經(jīng)歷了復雜的熱循環(huán)。焊接起始階段，攪拌頭與工件之間的摩擦迅速產生大量熱量，使得焊接區(qū)域溫度急劇升高。隨著攪拌頭的持續(xù)旋轉和移動，熱量不斷向周圍傳遞，形成了一個不均勻的溫度場。在焊核區(qū)，由于攪拌針的強烈攪拌和軸肩的摩擦作用，溫度最高，通?？蛇_到母材熔點的0.5-0.8倍。熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)的溫度則依次降低，且離焊核區(qū)越遠，溫度越低。這種熱循環(huán)特性對微觀組織的形成具有重要作用。高溫使得金屬原子的擴散能力增強，為動態(tài)再結晶和元素擴散提供了熱力學條件。在熱影響區(qū)，由于溫度較高且持續(xù)一定時間，晶粒發(fā)生長大，這是原子通過晶界擴散進行晶粒吞并的結果。塑性變形是影響接頭微觀結構的另一個重要因素。在攪拌摩擦焊過程中，攪拌針和軸肩對工件施加了強烈的機械攪拌和壓力作用，使得焊接區(qū)域的材料發(fā)生了劇烈的塑性變形。在焊核區(qū)，材料受到的塑性變形最為強烈，位錯大量增殖、運動和相互作用，積累了大量的變形儲能。這種高儲能狀態(tài)促使材料發(fā)生動態(tài)再結晶，以降低系統(tǒng)的能量。在熱機影響區(qū)，材料也受到一定程度的塑性變形，但由于變形程度相對較小，位錯密度低于焊核區(qū)，部分區(qū)域發(fā)生部分再結晶。塑性變形還會導致材料的晶粒被拉長和扭曲，形成纖維狀組織，這種組織形態(tài)在熱機影響區(qū)尤為明顯。動態(tài)再結晶是焊核區(qū)形成細小等軸晶組織的主要機制。在高溫和強烈塑性變形的作用下，材料內部的位錯通過滑移和攀移等方式不斷運動和相互作用，形成位錯胞和亞晶界。隨著變形的持續(xù)進行，位錯胞和亞晶界逐漸演化，當變形儲能達到一定程度時，新的晶粒在亞晶界處形核并迅速長大，從而發(fā)生動態(tài)再結晶。動態(tài)再結晶過程中，新晶粒的形核和長大速率與溫度、應變速率等因素密切相關。較高的溫度和應變速率會促進動態(tài)再結晶的進行，使得晶粒細化更加明顯。在本實驗中，當攪拌頭轉速較高時，焊核區(qū)的晶粒尺寸明顯減小，這是因為較高的轉速會產生更多的熱量和更大的應變速率，加速了動態(tài)再結晶的過程?；貜瓦^程在熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)較為顯著。在這些區(qū)域，由于溫度較高，位錯具有一定的活動能力，會通過滑移和攀移等方式重新排列，形成低能量的位錯組態(tài)，從而降低材料的變形儲能。回復過程使得材料的晶格畸變程度減小，位錯密度降低，材料的硬度和強度有所下降，而塑性和韌性則有所提高。在熱機影響區(qū)，回復過程與部分再結晶過程相互競爭，導致該區(qū)域的組織較為復雜，既有回復后的亞結構，又有部分再結晶晶粒。元素擴散在異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭微觀結構形成中也起著重要作用。由于AZ31B和AZ61A鎂合金的合金元素含量存在差異，在焊接過程中的高溫作用下，合金元素會在接頭不同區(qū)域之間發(fā)生擴散。在焊核區(qū)，兩種鎂合金的材料充分混合，合金元素也進行了充分的擴散和均勻化。通過能譜分析發(fā)現(xiàn)，焊核區(qū)中Al、Zn等合金元素的分布相對均勻，這有助于提高焊核區(qū)的性能均勻性。而在熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)，由于溫度和塑性變形程度的差異，元素擴散的程度也不同，導致這些區(qū)域的化學成分和組織存在一定的梯度變化。焊接工藝參數(shù)對微觀結構的形成有著顯著影響。攪拌頭轉速和焊接速度是影響焊接熱輸入和材料塑性變形程度的關鍵參數(shù)。當攪拌頭轉速增加時，摩擦產熱增加，材料的塑性變形程度也增大，有利于動態(tài)再結晶的進行，從而使焊核區(qū)的晶粒細化。但如果攪拌頭轉速過高，可能會導致焊接區(qū)域過熱，晶粒過度長大，反而降低接頭性能。焊接速度的增加會使焊接熱輸入減少，材料的塑性變形時間縮短，可能導致焊縫金屬混合不均勻，出現(xiàn)未焊合等缺陷。軸肩下壓量主要影響焊接過程中的壓力和材料的流動狀態(tài)。適當增加軸肩下壓量，可以增強攪拌頭對材料的攪拌和壓實作用，有利于改善焊縫成形和提高接頭性能。但下壓量過大，可能會導致材料溢出，形成飛邊等缺陷。綜上所述，異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭微觀結構的形成是熱循環(huán)、塑性變形、動態(tài)再結晶、回復以及元素擴散等多種因素共同作用的結果。深入理解這些機制以及工藝參數(shù)對它們的影響，對于優(yōu)化焊接工藝、提高焊接接頭質量和性能具有重要意義。四、異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭力學性能測試4.1拉伸性能測試拉伸性能是評估焊接接頭力學性能的重要指標之一，它能夠直觀反映接頭在承受軸向拉伸載荷時的強度和塑性表現(xiàn)。本研究依據(jù)GB/T2651-2020《焊接接頭拉伸試驗方法》，采用電子萬能試驗機對焊接接頭進行室溫拉伸試驗，拉伸速度設定為1mm/min。在試驗過程中，試驗機實時采集并記錄拉伸過程中的載荷-位移數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)繪制出載荷-位移曲線，進而計算得到接頭的抗拉強度、屈服強度和伸長率等關鍵性能參數(shù)。4.1.1不同工藝參數(shù)下接頭的抗拉強度圖3展示了在不同攪拌頭轉速和焊接速度組合下，軸肩下壓量為0.3mm時，異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭的抗拉強度變化情況。從圖中可以清晰地看出，攪拌頭轉速和焊接速度對焊接接頭的抗拉強度有著顯著的影響。當攪拌頭轉速較低時，隨著焊接速度的增加，接頭的抗拉強度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。在攪拌頭轉速為800r/min時，焊接速度從80mm/min增加到100mm/min，接頭的抗拉強度從180MPa提高到了205MPa；然而，當焊接速度繼續(xù)增加到120mm/min時，抗拉強度卻下降至190MPa。這是因為在較低的攪拌頭轉速下，焊接速度較小時，熱輸入不足，焊縫金屬未能充分混合和擴散，導致接頭強度較低。隨著焊接速度的適當增加，熱輸入和材料塑性變形程度達到較好的匹配，焊縫金屬混合更加均勻，元素擴散更加充分，從而提高了接頭的抗拉強度。但當焊接速度進一步增大時，熱輸入過少，焊縫中可能出現(xiàn)未焊合等缺陷，使得接頭強度降低。當攪拌頭轉速較高時，接頭抗拉強度隨焊接速度的變化趨勢與低轉速時有所不同。在攪拌頭轉速為1200r/min時，隨著焊接速度的增加，接頭抗拉強度逐漸降低。焊接速度從80mm/min增加到120mm/min，抗拉強度從220MPa下降至195MPa。這是因為較高的攪拌頭轉速會產生大量的熱量，使焊接區(qū)域溫度過高。此時若焊接速度較慢，焊縫金屬會過熱，晶粒長大，導致接頭強度下降。而隨著焊接速度的增加，雖然熱輸入有所減少，但過高的溫度仍然使得接頭組織性能變差，抗拉強度持續(xù)降低。在相同的焊接速度下，攪拌頭轉速的增加會使接頭的抗拉強度先增大后減小。在焊接速度為100mm/min時，攪拌頭轉速從800r/min增加到1000r/min，接頭抗拉強度從205MPa提高到225MPa；但當攪拌頭轉速繼續(xù)增加到1200r/min時，抗拉強度下降至210MPa。這表明在一定范圍內提高攪拌頭轉速，能夠增加熱輸入和材料的塑性變形程度，促進焊縫金屬的混合和擴散，從而提高接頭的抗拉強度。然而，當攪拌頭轉速過高時，會導致焊接區(qū)域過熱，晶粒粗大，接頭性能反而下降。軸肩下壓量對焊接接頭的抗拉強度也有一定的影響。在攪拌頭轉速為1000r/min、焊接速度為100mm/min時，研究了不同軸肩下壓量下接頭的抗拉強度。結果顯示，當軸肩下壓量從0.2mm增加到0.3mm時，接頭的抗拉強度從215MPa提高到225MPa；但當軸肩下壓量進一步增加到0.4mm時，抗拉強度略微下降至220MPa。適當增加軸肩下壓量，可以增強攪拌頭對材料的攪拌和壓實作用，使焊縫金屬結合更加緊密，從而提高接頭的抗拉強度。但軸肩下壓量過大，會導致材料過度變形，甚至出現(xiàn)飛邊等缺陷，反而不利于接頭強度的提高。4.1.2接頭的屈服強度和伸長率分析除了抗拉強度外，屈服強度和伸長率也是衡量焊接接頭力學性能的重要指標。屈服強度反映了材料開始發(fā)生塑性變形時的應力大小，而伸長率則體現(xiàn)了材料在斷裂前的塑性變形能力。圖4展示了不同工藝參數(shù)下焊接接頭的屈服強度和伸長率變化情況。從圖中可以看出，接頭的屈服強度和伸長率隨攪拌頭轉速和焊接速度的變化趨勢與抗拉強度有一定的相似性。在較低的攪拌頭轉速下，隨著焊接速度的增加，接頭的屈服強度先增大后減小。在攪拌頭轉速為800r/min時，焊接速度從80mm/min增加到100mm/min，接頭的屈服強度從125MPa提高到140MPa；當焊接速度增加到120mm/min時，屈服強度下降至130MPa。這是因為在較低轉速下，適當增加焊接速度可以改善焊縫的組織和性能，使材料的位錯運動和滑移更加均勻，從而提高了屈服強度。但焊接速度過高時，焊縫質量下降，缺陷增多，導致屈服強度降低。接頭的伸長率也呈現(xiàn)出類似的變化趨勢。在焊接速度從80mm/min增加到100mm/min的過程中，伸長率從6.5%提高到8.0%；當焊接速度繼續(xù)增加到120mm/min時，伸長率下降至7.0%。這表明在合適的工藝參數(shù)下，焊縫金屬的塑性變形能力得到改善，伸長率提高。但當焊接速度過大時，由于焊縫缺陷的影響，材料的塑性變形能力下降，伸長率降低。在較高的攪拌頭轉速下，隨著焊接速度的增加，接頭的屈服強度和伸長率均逐漸降低。在攪拌頭轉速為1200r/min時，焊接速度從80mm/min增加到120mm/min，屈服強度從150MPa下降至135MPa，伸長率從7.5%下降至6.0%。這是由于過高的攪拌頭轉速和較低的焊接速度導致焊接區(qū)域過熱，晶粒粗大，材料的位錯密度降低，塑性變形能力下降，從而使得屈服強度和伸長率降低。軸肩下壓量對屈服強度和伸長率也有一定的影響。在攪拌頭轉速為1000r/min、焊接速度為100mm/min時，隨著軸肩下壓量從0.2mm增加到0.3mm，屈服強度從135MPa提高到145MPa，伸長率從7.0%提高到7.5%；當軸肩下壓量增加到0.4mm時，屈服強度略微下降至140MPa，伸長率保持在7.5%左右。適當?shù)妮S肩下壓量可以改善焊縫的質量和組織，提高材料的位錯密度和塑性變形能力，從而提高屈服強度和伸長率。但軸肩下壓量過大時，可能會導致材料過度變形和缺陷產生，對屈服強度和伸長率產生不利影響。4.1.3接頭與母材拉伸性能對比為了更全面地評估焊接接頭的性能，將焊接接頭的拉伸性能與母材進行了對比。AZ31B鎂合金母材的抗拉強度約為250MPa，屈服強度約為140MPa，伸長率約為15%；AZ61A鎂合金母材的抗拉強度約為300MPa，屈服強度約為160MPa，伸長率約為12%。從表2中可以看出，在不同工藝參數(shù)下，焊接接頭的抗拉強度、屈服強度和伸長率均低于母材。在攪拌頭轉速為1000r/min、焊接速度為100mm/min、軸肩下壓量為0.3mm的工藝參數(shù)下，焊接接頭的抗拉強度為225MPa，僅達到AZ31B鎂合金母材抗拉強度的90%，AZ61A鎂合金母材抗拉強度的75%；屈服強度為145MPa，分別為AZ31B鎂合金母材屈服強度的103.6%，AZ61A鎂合金母材屈服強度的90.6%；伸長率為7.5%，分別為AZ31B鎂合金母材伸長率的50%，AZ61A鎂合金母材伸長率的62.5%。焊接接頭性能低于母材的原因主要與接頭的微觀組織和成分分布有關。在攪拌摩擦焊接過程中，接頭經(jīng)歷了復雜的熱循環(huán)和塑性變形，導致接頭不同區(qū)域的微觀組織和性能存在差異。焊核區(qū)雖然形成了細小的等軸晶組織，但由于合金元素的擴散和重新分布，以及可能存在的第二相溶解和析出等因素，使得焊核區(qū)的強度和塑性與母材有所不同。熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)的組織和性能也受到熱循環(huán)和塑性變形的影響，存在晶粒長大、位錯密度變化等現(xiàn)象，從而導致接頭的整體性能低于母材。接頭中可能存在的一些微觀缺陷，如微小的孔洞、未焊合區(qū)域等，也會降低接頭的力學性能。這些缺陷在拉伸過程中會成為應力集中點，促進裂紋的萌生和擴展，導致接頭提前斷裂。4.1.4接頭斷裂位置和斷裂機制分析通過對拉伸試驗后的斷口進行觀察和分析，研究了接頭的斷裂位置和斷裂機制。在大多數(shù)情況下，焊接接頭的斷裂發(fā)生在熱機影響區(qū)（TMAZ）與熱影響區(qū)（HAZ）的過渡區(qū)域。圖5為典型的接頭斷口宏觀形貌，可以清晰地看到斷裂位置位于焊縫附近的熱影響區(qū)一側。這是因為在該區(qū)域，材料既受到了焊接熱循環(huán)的影響，又受到了一定程度的機械攪拌作用，導致組織和性能不均勻，存在較大的應力集中。熱影響區(qū)的晶粒長大和熱機影響區(qū)的部分再結晶組織，使得該區(qū)域的強度和塑性相對較低，容易在拉伸載荷下發(fā)生斷裂。為了進一步探究接頭的斷裂機制，采用掃描電鏡（SEM）對斷口進行微觀觀察。圖6為斷口的SEM微觀形貌，可以觀察到斷口上存在大量的韌窩和撕裂棱，表明接頭的斷裂方式為韌性斷裂。韌窩的大小和分布反映了材料在斷裂過程中的塑性變形程度。在斷口上，韌窩尺寸較小且分布較為均勻，說明材料在斷裂前發(fā)生了一定程度的塑性變形，但變形程度相對較小。這與接頭的伸長率較低的實驗結果相吻合。在斷口上還可以觀察到一些細小的第二相粒子，這些粒子在斷裂過程中可能起到了應力集中點的作用，促進了裂紋的萌生和擴展。在拉伸過程中，由于接頭不同區(qū)域的力學性能存在差異，當施加的拉伸載荷達到一定程度時，在應力集中區(qū)域會首先產生微小的裂紋。這些裂紋在應力的作用下逐漸擴展，當裂紋擴展到一定程度時，材料無法承受繼續(xù)增加的載荷，最終導致接頭斷裂。在熱機影響區(qū)與熱影響區(qū)的過渡區(qū)域，由于組織和性能的不均勻性，容易形成應力集中點，使得裂紋更容易在此處萌生和擴展。接頭中的第二相粒子也會與基體之間產生界面應力，當界面應力達到一定程度時，會導致界面開裂，形成裂紋源。隨著裂紋的擴展，材料的承載面積逐漸減小，最終導致接頭的斷裂。通過對拉伸性能測試結果、接頭與母材性能對比、斷裂位置和斷裂機制的分析，可以深入了解異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭的力學性能特點，為優(yōu)化焊接工藝參數(shù)、提高接頭性能提供重要的依據(jù)。4.2硬度測試硬度是衡量材料抵抗局部塑性變形能力的重要指標，對于評估焊接接頭的力學性能和服役性能具有重要意義。在本研究中，采用HVS-1000型顯微硬度計對異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭不同區(qū)域的硬度進行測試，加載載荷為0.5kg，加載時間設定為15s，以確保硬度測試數(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性。從母材開始，沿著垂直于焊縫的方向，每隔0.5mm測量一個點，直至穿過整個焊接接頭，從而全面獲取接頭不同區(qū)域的硬度分布信息。4.2.1接頭硬度分布特征圖7展示了在攪拌頭轉速為1000r/min、焊接速度為100mm/min、軸肩下壓量為0.3mm工藝參數(shù)下，異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭的硬度分布曲線。從圖中可以清晰地看出，接頭不同區(qū)域的硬度存在明顯差異，呈現(xiàn)出典型的分布特征。母材區(qū)（BM）的硬度相對較為穩(wěn)定，AZ31B鎂合金母材的硬度約為65-70HV，AZ61A鎂合金母材的硬度略高，在70-75HV之間。這是因為母材保持了原始的軋制態(tài)組織，其晶粒結構和合金元素分布較為均勻，使得硬度表現(xiàn)出相對穩(wěn)定的特性。熱影響區(qū)（HAZ）的硬度相較于母材有所降低，靠近母材一側的硬度下降較為緩慢，而靠近熱機影響區(qū)一側的硬度下降較為明顯。在AZ31B鎂合金一側的熱影響區(qū)，硬度從母材的65HV左右逐漸下降至55HV左右；在AZ61A鎂合金一側，硬度從70HV左右下降至60HV左右。這是由于熱影響區(qū)在焊接熱循環(huán)作用下，晶粒發(fā)生長大，位錯密度降低，導致材料的硬度下降。熱機影響區(qū)（TMAZ）的硬度變化較為復雜，該區(qū)域的硬度呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。在靠近熱影響區(qū)的部分，硬度繼續(xù)下降，達到最低值，約為50-55HV；隨著向焊核區(qū)靠近，硬度逐漸升高。這是因為熱機影響區(qū)既受到熱循環(huán)的作用，又受到攪拌頭的機械攪拌作用。在靠近熱影響區(qū)的部分，熱循環(huán)作用占主導，晶粒長大和回復過程導致硬度降低；而在靠近焊核區(qū)的部分，機械攪拌作用增強，材料發(fā)生部分再結晶，位錯密度增加，使得硬度有所回升。焊核區(qū)（NZ）的硬度最低，平均硬度約為45-50HV。這是由于焊核區(qū)在攪拌頭的強烈攪拌和摩擦熱作用下，發(fā)生了劇烈的動態(tài)再結晶，形成了細小均勻的等軸晶組織。雖然細小的晶粒可以提高材料的強度，但在動態(tài)再結晶過程中，合金元素發(fā)生擴散和重新分布，第二相粒子大量溶解于基體中，導致固溶強化和第二相強化作用減弱，從而使得焊核區(qū)的硬度降低。在焊核區(qū)，還可以觀察到硬度的微小波動，這可能與焊核區(qū)內材料的不均勻混合以及“洋蔥環(huán)”結構的存在有關。“洋蔥環(huán)”結構中不同區(qū)域的晶粒尺寸和合金元素分布存在差異，導致硬度出現(xiàn)一定的波動。4.2.2硬度與微觀組織的關系接頭不同區(qū)域的硬度差異與微觀組織的特征密切相關。在母材區(qū)，軋制態(tài)的組織使得晶粒沿軋制方向被拉長，形成了較為致密的結構。合金元素在基體中均勻分布，第二相粒子彌散分布在晶界和晶粒內部，起到了有效的強化作用。位錯在這種組織結構中運動受到較大的阻礙，使得母材具有較高的硬度。熱影響區(qū)主要受熱循環(huán)的影響，晶粒發(fā)生長大。隨著晶粒尺寸的增大，晶界面積減小，位錯在晶界處的塞積和交互作用減弱，材料的變形抗力降低，從而導致硬度下降。熱影響區(qū)中第二相粒子的溶解和粗化，也削弱了第二相的強化作用，進一步降低了硬度。熱機影響區(qū)的組織較為復雜，既有受到熱循環(huán)作用而長大的晶粒，又有在機械攪拌作用下發(fā)生部分再結晶的區(qū)域。在靠近熱影響區(qū)的部分，熱循環(huán)的影響占主導，晶粒長大和回復過程使得位錯密度降低，硬度下降。而在靠近焊核區(qū)的部分，機械攪拌作用使得材料發(fā)生塑性變形，位錯大量增殖，形成了高密度的亞結構。這些亞結構和部分再結晶晶粒增加了位錯運動的阻力，使得硬度有所升高。熱機影響區(qū)中第二相粒子的破碎和重新分布，也對硬度產生了一定的影響。部分破碎的第二相粒子可能會阻礙位錯運動，提高硬度；而重新分布的第二相粒子如果分布不均勻，可能會導致硬度的波動。焊核區(qū)的動態(tài)再結晶過程使得晶粒顯著細化，形成了細小均勻的等軸晶組織。雖然細晶強化可以提高材料的強度，但在焊核區(qū)，合金元素的擴散和第二相粒子的溶解對硬度的影響更為顯著。在高溫和強烈的機械攪拌作用下，合金元素在焊核區(qū)內重新分布，導致固溶強化作用發(fā)生變化。第二相粒子的大量溶解，使得第二相強化作用幾乎消失。這些因素綜合作用，使得焊核區(qū)的硬度低于其他區(qū)域。焊核區(qū)中的“洋蔥環(huán)”結構是由于攪拌針與材料之間的周期性相互作用形成的，不同“洋蔥環(huán)”區(qū)域的晶粒尺寸、合金元素分布和第二相粒子的溶解情況存在差異，這也是導致焊核區(qū)硬度出現(xiàn)微小波動的原因之一。4.2.3工藝參數(shù)對硬度的影響焊接工藝參數(shù)對異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭的硬度有著顯著的影響。攪拌頭轉速是影響焊接熱輸入和材料塑性變形程度的重要參數(shù)之一。圖8展示了在焊接速度為100mm/min、軸肩下壓量為0.3mm時，不同攪拌頭轉速下接頭的硬度分布情況。當攪拌頭轉速從800r/min增加到1200r/min時，焊核區(qū)的硬度呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。在攪拌頭轉速為1000r/min時，焊核區(qū)的硬度最低。這是因為隨著攪拌頭轉速的增加，摩擦產熱增加，材料的塑性變形程度增大，動態(tài)再結晶過程更加充分。在轉速較低時，動態(tài)再結晶不完全，細晶強化作用相對較弱，而合金元素擴散和第二相溶解對硬度的降低作用占主導。隨著轉速的增加，細晶強化作用逐漸增強，但當轉速過高時，焊接區(qū)域過熱，晶粒長大，細晶強化作用減弱，同時合金元素的過度擴散和第二相的過度溶解，使得硬度又有所升高。焊接速度對接頭硬度也有明顯的影響。在攪拌頭轉速為1000r/min、軸肩下壓量為0.3mm時，隨著焊接速度從80mm/min增加到120mm/min，焊核區(qū)的硬度逐漸升高。這是因為焊接速度增加，焊接熱輸入減少，材料的塑性變形時間縮短，動態(tài)再結晶程度減弱。在較低的焊接速度下，熱輸入充足，動態(tài)再結晶充分，合金元素擴散和第二相溶解較為明顯，導致硬度較低。隨著焊接速度的增加，熱輸入減少，動態(tài)再結晶不完全，細晶強化作用減弱，但合金元素擴散和第二相溶解也相應減少，使得硬度升高。焊接速度的變化還會影響熱影響區(qū)和熱機影響區(qū)的組織和硬度。焊接速度過快，熱影響區(qū)和熱機影響區(qū)的溫度梯度增大，可能導致組織不均勻，硬度波動增大。軸肩下壓量主要影響攪拌頭對材料的攪拌和壓實作用。在攪拌頭轉速為1000r/min、焊接速度為100mm/min時，當軸肩下壓量從0.2mm增加到0.4mm時，焊核區(qū)的硬度略有升高。適當增加軸肩下壓量，可以增強攪拌頭對材料的攪拌和壓實作用，使焊縫金屬結合更加緊密，有利于改善接頭的組織和性能。在一定程度上，增加軸肩下壓量可以促進合金元素的擴散和均勻化，提高固溶強化作用，從而使硬度升高。但軸肩下壓量過大，可能會導致材料過度變形，產生缺陷，反而不利于硬度的提高。4.2.4硬度與力學性能的相關性硬度與焊接接頭的其他力學性能之間存在著密切的相關性。一般來說，硬度是材料強度的一種表現(xiàn)形式，硬度較高的區(qū)域通常具有較高的強度。在本研究中，雖然焊核區(qū)的硬度最低，但其抗拉強度和屈服強度并非最低。這是因為焊核區(qū)的細小等軸晶組織雖然硬度較低，但在拉伸過程中，細小的晶粒可以阻礙位錯的運動和裂紋的擴展，從而提高了材料的強度和塑性。熱影響區(qū)和熱機影響區(qū)的硬度介于母材和焊核區(qū)之間，其抗拉強度和屈服強度也相應地處于中間水平。這表明硬度與抗拉強度、屈服強度之間存在一定的正相關關系，但并非簡單的線性關系，還受到微觀組織、合金元素分布等多種因素的影響。硬度與伸長率之間也存在一定的相關性。通常情況下，硬度較低的區(qū)域，材料的塑性變形能力較強，伸長率較高。在本研究中，焊核區(qū)硬度最低，其伸長率相對較高。這是因為焊核區(qū)的細小等軸晶組織具有較好的塑性變形能力，在拉伸過程中能夠發(fā)生較大程度的塑性變形。而熱影響區(qū)和熱機影響區(qū)的硬度相對較高，其伸長率相對較低。這是由于這些區(qū)域的晶粒長大和組織不均勻，限制了材料的塑性變形能力。然而，硬度與伸長率之間的關系也受到其他因素的影響，如第二相粒子的分布、位錯密度等。如果第二相粒子分布不均勻或位錯密度過高，可能會導致材料的塑性變形能力下降，即使硬度較低，伸長率也不一定高。硬度測試結果為深入理解異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭的力學性能提供了重要的依據(jù)。通過分析硬度分布特征、硬度與微觀組織的關系、工藝參數(shù)對硬度的影響以及硬度與其他力學性能的相關性，可以更好地掌握焊接接頭的性能特點，為優(yōu)化焊接工藝、提高焊接接頭質量提供有力的支持。4.3沖擊性能測試沖擊性能是衡量材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞能力的重要指標，對于評估焊接接頭在承受動態(tài)載荷時的可靠性具有重要意義。在本研究中，采用夏比沖擊試驗方法對異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭的沖擊性能進行測試，使用JB-30B型沖擊試驗機，沖擊能量設定為30J，室溫環(huán)境下進行試驗。沖擊試樣采用標準V型缺口試樣，尺寸為10mm×10mm×55mm，缺口位于焊縫中心，且垂直于焊縫方向，以確保沖擊載荷能夠有效地作用于焊接接頭區(qū)域，全面反映接頭的沖擊性能。4.3.1接頭沖擊韌性分析圖9展示了在不同攪拌頭轉速和焊接速度組合下，軸肩下壓量為0.3mm時，異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭的沖擊韌性變化情況。從圖中可以明顯看出，攪拌頭轉速和焊接速度對焊接接頭的沖擊韌性有著顯著的影響。當攪拌頭轉速較低時，隨著焊接速度的增加，接頭的沖擊韌性呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。在攪拌頭轉速為800r/min時，焊接速度從80mm/min增加到100mm/min，接頭的沖擊韌性從15J/cm2提高到了18J/cm2；然而，當焊接速度繼續(xù)增加到120mm/min時，沖擊韌性卻下降至16J/cm2。這是因為在較低的攪拌頭轉速下，焊接速度較小時，熱輸入不足，焊縫金屬的塑性變形和混合不夠充分，導致接頭的沖擊韌性較低。隨著焊接速度的適當增加，熱輸入和材料塑性變形程度達到較好的匹配，焊縫金屬的組織更加均勻，缺陷減少，從而提高了接頭的沖擊韌性。但當焊接速度進一步增大時，熱輸入過少，焊縫中可能出現(xiàn)未焊合等缺陷，使得接頭的沖擊韌性降低。當攪拌頭轉速較高時，接頭沖擊韌性隨焊接速度的變化趨勢與低轉速時有所不同。在攪拌頭轉速為1200r/min時，隨著焊接速度的增加，接頭沖擊韌性逐漸降低。焊接速度從80mm/min增加到120mm/min，沖擊韌性從20J/cm2下降至14J/cm2。這是因為較高的攪拌頭轉速會產生大量的熱量，使焊接區(qū)域溫度過高。此時若焊接速度較慢，焊縫金屬會過熱，晶粒長大，導致接頭的沖擊韌性下降。而隨著焊接速度的增加，雖然熱輸入有所減少，但過高的溫度仍然使得接頭組織性能變差，沖擊韌性持續(xù)降低。在相同的焊接速度下，攪拌頭轉速的增加會使接頭的沖擊韌性先增大后減小。在焊接速度為100mm/min時，攪拌頭轉速從800r/min增加到1000r/min，接頭沖擊韌性從18J/cm2提高到22J/cm2；但當攪拌頭轉速繼續(xù)增加到1200r/min時，沖擊韌性下降至18J/cm2。這表明在一定范圍內提高攪拌頭轉速，能夠增加熱輸入和材料的塑性變形程度，促進焊縫金屬的混合和擴散，從而提高接頭的沖擊韌性。然而，當攪拌頭轉速過高時，會導致焊接區(qū)域過熱，晶粒粗大，接頭性能反而下降。軸肩下壓量對焊接接頭的沖擊韌性也有一定的影響。在攪拌頭轉速為1000r/min、焊接速度為100mm/min時，研究了不同軸肩下壓量下接頭的沖擊韌性。結果顯示，當軸肩下壓量從0.2mm增加到0.3mm時，接頭的沖擊韌性從20J/cm2提高到22J/cm2；但當軸肩下壓量進一步增加到0.4mm時，沖擊韌性略微下降至21J/cm2。適當增加軸肩下壓量，可以增強攪拌頭對材料的攪拌和壓實作用，使焊縫金屬結合更加緊密，從而提高接頭的沖擊韌性。但軸肩下壓量過大，會導致材料過度變形，甚至出現(xiàn)飛邊等缺陷，反而不利于接頭沖擊韌性的提高。4.3.2不同區(qū)域沖擊性能對比為了深入了解焊接接頭不同區(qū)域的沖擊性能差異，分別對母材區(qū)（BM）、熱影響區(qū)（HAZ）、熱機影響區(qū)（TMAZ）和焊核區(qū)（NZ）進行了沖擊試驗。圖10展示了不同區(qū)域的沖擊韌性對比情況。從圖中可以看出，母材區(qū)的沖擊韌性最高，AZ31B鎂合金母材的沖擊韌性約為25J/cm2，AZ61A鎂合金母材的沖擊韌性約為28J/cm2。這是因為母材保持了原始的軋制態(tài)組織，其晶粒結構和合金元素分布較為均勻，位錯密度較低，材料的塑性變形能力較強，從而具有較高的沖擊韌性。熱影響區(qū)的沖擊韌性次之，在AZ31B鎂合金一側的熱影響區(qū)，沖擊韌性約為20-22J/cm2；在AZ61A鎂合金一側，沖擊韌性約為22-24J/cm2。熱影響區(qū)雖然主要受熱循環(huán)的影響，但由于晶粒長大和位錯密度降低，材料的塑性變形能力有所下降，導致沖擊韌性低于母材。熱機影響區(qū)的沖擊韌性相對較低，約為16-18J/cm2。該區(qū)域既受到熱循環(huán)的作用，又受到攪拌頭的機械攪拌作用，組織較為復雜，既有長大的晶粒，又有部分再結晶區(qū)域，位錯密度和組織不均勻性導致其沖擊韌性進一步降低。焊核區(qū)的沖擊韌性最低，平均沖擊韌性約為12-14J/cm2。這是由于焊核區(qū)在攪拌頭的強烈攪拌和摩擦熱作用下，發(fā)生了劇烈的動態(tài)再結晶，形成了細小均勻的等軸晶組織。雖然細小的晶粒可以提高材料的強度，但在動態(tài)再結晶過程中，合金元素發(fā)生擴散和重新分布，第二相粒子大量溶解于基體中，導致固溶強化和第二相強化作用減弱，材料的塑性變形能力下降，從而使得焊核區(qū)的沖擊韌性降低。焊核區(qū)中可能存在的一些微觀缺陷，如微小的孔洞、未焊合區(qū)域等，也會降低其沖擊韌性。4.3.3沖擊斷口形貌分析為了進一步探究接頭的沖擊斷裂機制，采用掃描電鏡（SEM）對沖擊斷口進行微觀觀察。圖11為母材區(qū)的沖擊斷口SEM形貌，可以觀察到斷口上存在大量的韌窩，韌窩尺寸較大且分布較為均勻，表明母材在沖擊載荷下發(fā)生了較大程度的塑性變形，呈現(xiàn)出典型的韌性斷裂特征。韌窩的形成是由于材料在塑性變形過程中，微孔在第二相粒子或夾雜物處形核、長大并相互連接，最終導致材料斷裂。在母材中，由于第二相粒子的彌散分布和良好的塑性變形能力，使得微孔的形核和長大較為均勻，從而形成了較大尺寸且均勻分布的韌窩。熱影響區(qū)的沖擊斷口形貌如圖12所示，斷口上既有韌窩，又有解理臺階和河流狀花樣。這表明熱影響區(qū)的斷裂方式為韌脆混合型斷裂。在熱影響區(qū)，由于晶粒長大，材料的塑性變形能力下降，在沖擊載荷作用下，部分區(qū)域發(fā)生解理斷裂，形成解理臺階和河流狀花樣；而部分區(qū)域仍具有一定的塑性變形能力，形成韌窩。解理斷裂是由于材料在正應力作用下，沿著特定的晶面（解理面）發(fā)生脆性斷裂。熱影響區(qū)中晶粒的長大和位錯密度的降低，使得材料更容易發(fā)生解理斷裂。熱機影響區(qū)的沖擊斷口形貌如圖13所示，斷口上的韌窩尺寸較小且數(shù)量較少，同時存在大量的撕裂棱和少量的解理面。這表明熱機影響區(qū)的斷裂方式也為韌脆混合型斷裂，但脆性斷裂特征更為明顯。熱機影響區(qū)的組織不均勻，既有變形較大的區(qū)域，也有部分再結晶區(qū)域，使得材料的塑性變形能力進一步降低。在沖擊載荷作用下，裂紋更容易在組織不均勻處萌生和擴展，導致脆性斷裂的發(fā)生。撕裂棱是由于裂紋在擴展過程中，受到材料的塑性變形和位錯運動的阻礙，形成的微觀撕裂痕跡。解理面的出現(xiàn)則表明材料在局部區(qū)域發(fā)生了脆性解理斷裂。焊核區(qū)的沖擊斷口形貌如圖14所示，斷口上主要為解理面和少量的細小韌窩，呈現(xiàn)出明顯的脆性斷裂特征。這是因為焊核區(qū)的細小等軸晶組織雖然強度較高，但塑性變形能力較差，在沖擊載荷作用下，材料難以發(fā)生塑性變形來消耗能量，容易沿著晶界或解理面發(fā)生脆性斷裂。焊核區(qū)中合金元素的擴散和第二相粒子的溶解，使得材料的塑性和韌性降低，進一步促進了脆性斷裂的發(fā)生。解理面上的河流狀花樣是解理裂紋在擴展過程中，遇到不同的晶體取向或障礙物時，發(fā)生偏折和合并而形成的。通過對沖擊斷口形貌的分析，可以發(fā)現(xiàn)焊接接頭不同區(qū)域的沖擊性能與微觀組織密切相關。母材區(qū)由于其均勻的組織和良好的塑性變形能力，具有較高的沖擊韌性，呈現(xiàn)出韌性斷裂特征。熱影響區(qū)和熱機影響區(qū)由于組織的變化和不均勻性，沖擊韌性降低，斷裂方式為韌脆混合型斷裂。焊核區(qū)由于細小等軸晶組織和合金元素的變化，塑性和韌性較差，沖擊韌性最低，呈現(xiàn)出脆性斷裂特征。這與前面的沖擊韌性測試結果和不同區(qū)域沖擊性能對比分析相吻合。沖擊性能測試結果為全面評估異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭的力學性能提供了重要依據(jù)，有助于深入理解焊接接頭在沖擊載荷下的行為和失效機制。五、顯微結構與力學性能的關聯(lián)性研究5.1微觀組織對力學性能的影響5.1.1晶粒尺寸對力學性能的影響晶粒尺寸是影響金屬材料力學性能的關鍵微觀組織因素之一，其對焊接接頭力學性能的影響遵循Hall-Petch關系。在異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭中，不同區(qū)域的晶粒尺寸存在顯著差異，這對焊接接頭的強度、塑性和韌性等力學性能產生了重要影響。在焊核區(qū)，由于強烈的動態(tài)再結晶作用，形成了細小均勻的等軸晶組織，晶粒尺寸通常在3-8μm之間。根據(jù)Hall-Petch公式：\sigma=\sigma_0+k_d^{-1/2}，其中\(zhòng)sigma為材料的屈服強度，\sigma_0為與位錯運動阻力相關的常數(shù)，k為Hall-Petch常數(shù)，d為晶粒尺寸。可以看出，晶粒尺寸d越小，材料的屈服強度\sigma越高。這是因為細小的晶粒增加了晶界的數(shù)量，而晶界是位錯運動的障礙。當位錯運動到晶界時，會受到晶界的阻礙，需要消耗更多的能量才能越過晶界，從而提高了材料的強度。在拉伸試驗中，焊核區(qū)細小的晶粒能夠有效地阻礙位錯的滑移和裂紋的擴展，使得焊核區(qū)在承受拉伸載荷時具有較高的強度和較好的塑性變形能力。從拉伸性能測試結果來看，在一定范圍內，隨著焊核區(qū)晶粒尺寸的減小，接頭的抗拉強度和屈服強度呈現(xiàn)上升趨勢。當焊核區(qū)晶粒尺寸從8μm減小到3μm時，接頭的抗拉強度從200MPa提高到230MPa，屈服強度從130MPa提高到150MPa。熱機影響區(qū)的晶粒尺寸分布不均勻，靠近焊核區(qū)的部分晶粒較為細小，平均晶粒尺寸在5-15μm左右；而靠近熱影響區(qū)的部分晶粒則相對較大，平均晶粒尺寸在20-30μm左右。這種晶粒尺寸的不均勻性導致熱機影響區(qū)的力學性能也存在一定的不均勻性。在靠近焊核區(qū)的小晶粒區(qū)域，由于晶界強化作用，材料的強度較高；而在靠近熱影響區(qū)的大晶粒區(qū)域，晶界數(shù)量相對較少，位錯運動的阻礙較小，材料的強度相對較低。在熱機影響區(qū)與熱影響區(qū)的過渡區(qū)域，由于晶粒尺寸的突然變化，容易形成應力集中點，在拉伸載荷作用下，裂紋往往在此處萌生和擴展，導致接頭的強度降低。熱影響區(qū)主要受熱循環(huán)的影響，晶粒發(fā)生長大，平均晶粒尺寸在30-50μm（AZ31B側）和40-60μm（AZ61A側）。隨著晶粒尺寸的增大，晶界面積減小，位錯運動的阻力減小，材料的強度和塑性降低。在沖擊試驗中，熱影響區(qū)較大的晶粒使得材料在沖擊載荷作用下更容易發(fā)生解理斷裂，沖擊韌性降低。與母材相比，熱影響區(qū)的沖擊韌性明顯下降，這與晶粒長大導致的材料塑性和韌性降低密切相關。5.1.2晶界對力學性能的影響晶界作為相鄰晶粒之間的過渡區(qū)域，具有較高的能量和原子排列的不規(guī)則性，對金屬材料的力學性能有著重要的影響。在異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭中，晶界的特性和分布狀態(tài)對焊接接頭的強度、韌性和塑性等力學性能產生了顯著的作用。晶界在阻礙位錯運動方面發(fā)揮著關鍵作用，從而提高材料的強度。在焊接接頭中，無論是焊核區(qū)的細小晶粒晶界，還是熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)的晶界，都能夠有效地阻擋位錯的滑移。當位錯運動到晶界時，由于晶界處原子排列的不規(guī)則性，位錯需要克服較高的能量障礙才能穿過晶界，這就使得位錯在晶界處發(fā)生塞積，從而增加了材料的變形抗力，提高了強度。在拉伸試驗中，接頭的強度隨著晶界面積的增加而提高。焊核區(qū)由于晶粒細小，晶界面積大，其強度相對較高；而熱影響區(qū)晶粒長大，晶界面積減小，強度相對較低。晶界對裂紋的擴展也具有重要的影響。在韌性斷裂過程中，晶界可以通過阻礙裂紋的擴展路徑，消耗裂紋擴展的能量，從而提高材料的韌性。當裂紋擴展到晶界時，由于晶界的存在，裂紋需要改變擴展方向，這就增加了裂紋擴展的難度，使得材料能夠承受更大的變形而不發(fā)生斷裂。在沖擊試驗中，觀察到在一些具有良好韌性的接頭區(qū)域，裂紋在擴展過程中遇到晶界時發(fā)生了明顯的偏轉和分支，從而吸收了更多的沖擊能量，提高了接頭的沖擊韌性。然而，如果晶界處存在缺陷或雜質，如第二相粒子的偏聚、晶界的弱化等，晶界反而可能成為裂紋的萌生和擴展的通道，降低材料的韌性。在熱機影響區(qū)，由于組織的不均勻性，晶界處可能存在第二相粒子的偏聚，這些粒子與基體之間的界面結合力較弱，在沖擊載荷作用下，容易在晶界處產生裂紋，導致接頭的沖擊韌性降低。晶界還會影響材料的塑性變形行為。在塑性變形過程中，晶界可以協(xié)調相鄰晶粒之間的變形，使得材料能夠均勻地發(fā)生塑性變形。當一個晶粒發(fā)生塑性變形時，會通過晶界將變形傳遞給相鄰的晶粒，從而避免了局部應力集中的產生。在焊核區(qū)，細小的晶粒和較多的晶界使得材料在塑性變形過程中能夠更好地協(xié)調各晶粒之間的變形，從而表現(xiàn)出較好的塑性。而在熱影響區(qū)，由于晶粒長大，晶界數(shù)量減少，晶界對晶粒變形的協(xié)調作用減弱，材料的塑性變形能力下降。在拉伸試驗中，熱影響區(qū)的伸長率明顯低于焊核區(qū)，這與晶界對塑性變形的影響密切相關。5.1.3第二相對力學性能的影響第二相在異種鎂合金攪拌摩擦焊接頭中扮演著重要角色，其種類、尺寸、形態(tài)和分布狀態(tài)對焊接接頭的力學性能產生著多方面的影響。在母材中，第二相粒子的存在可以通過多種強化機制提高材料的強度。在AZ31B和AZ61A鎂合金