結晶組織的形成機制
王大勇, 馮吉才, 狄 歐, 劉會杰
(哈爾濱工業大學現代焊接生產技術國家重點實驗室,哈爾濱 150001)
摘 要:建立了攪拌摩擦焊鋁合金接頭焊核區等軸再結晶組織形成過程的物理模型,
詳細闡述了焊核區的組織形成過程.試驗結果表明,熱循環的作用導致攪拌頭附近的
母材發生軟化,形成軟化層;軟化層在攪拌頭的機械攪拌作用下發生塑性流動,軟化層
內不同的流層間流速不同,存在速度梯度.在流層間的界面處產生粘性摩擦剪應力.
在粘性剪應力的作用下,母材軋制態下的板條狀組織被拉長,并發生強烈的彎曲變形,
當彎曲程度超過了其晶界所能承受的上限時,原有的板條狀組織晶界被破壞而逐漸消
失,板條內的等軸再結晶組織按能量最小原理重新排列,形成焊態下無序,無方向性的
等軸再結晶組織排列.
關鍵詞:焊核區;攪拌摩擦焊;形成機制
中圖分類號:T G453 文獻標識碼:A 文章編號:0253 - 360X(2003)04 - 33 - 03王大勇
0 序 言
攪拌摩擦焊(FSW)是英國焊接研究所發明的
一種新的連接方法,其實質是通過高速旋轉的攪拌
頭與被焊材料表面間生成的摩擦熱而實現的一種固
相連接,具有連接溫度低,焊后殘余應力小,接頭性
能高等一系列優點,在航空航天領域,尤其是在高強
鋁合金的連接方面具有廣闊的應用前景[ 1～5 ].
鋁合金攪拌摩擦焊接頭通常由焊核區,熱機影
響區和熱影響區三部分構成[ 6～8 ].其中焊核區是
受熱循環和機械作用影響最嚴重的區域,組織變化
程度較大,是合金元素過度飽和區域,該區域變形晶
粒發生沉淀和回復交互作用,導致晶體的生長動力
學比較復雜[ 9 ].世界上的許多研究人員對焊核區
的組織形成機制,性能特點進行了大量的研究,
文獻[ 10 ,11 ]認為焊核區的塑性流動是非對稱性的,
經歷了高溫,大應變和高的應變率,并且在焊核中心
發生了強烈的變形.焊核區的應變在5～10之間,
應變率大約是102,應變和應變梯度隨著距焊縫中
心線距離的增加呈指數下降.大應變和初期為大角
晶界,導致焊核區在焊接過程中發生了動態再結
晶[ 9 ,11 ].英國曼徹斯特大學的Norman A F[ 10 ]等人
認為焊核區發生了較大的應變,導致該區出現高密
度的細晶沉淀相,從而抑制晶粒發生長大而發生再
收稿日期:2003 - 01 - 10
基金項目:國家863基金資助項目(2002AA724040)
結晶反應.在理想的動態再結晶過程中,局部累積
能的變化導致應變誘發晶界的遷移,這種遷移和塑
性流動的不同將導致在初始晶粒的沉淀相周圍開始
形成鏈狀新晶粒.在焊接過程中,不斷形成新晶粒
層,并從晶粒邊界向內部發展,一直到每一個初始晶
粒均發生再結晶.美國愛迪生焊接研究所的
Lienert T J[ 11 ]等人通過對6061 - T651鋁合金攪拌
摩擦焊接頭焊核區的研究發現,焊核區晶粒尺寸范
圍為10～20μm ,晶界為大角晶界.由于焊核區晶
粒得到細化,在室溫下經歷了自然時效(焊后至進行
測試前的時間段,一般為幾周),形成了富含溶質的
微區(常稱GP區),固溶物團或空位團,焊核區的硬
度值較其它區域高.
雖然攪拌摩擦焊接頭焊核區等軸再結晶組織的
形成原因和特性得到了大量的研究,但是目前仍沒
有對焊核區母材內具有明顯方向性的板條狀組織晶
界如何消失,通過何種機制轉變為無序,無方向性的
等軸再結晶組織晶界給予很好的解釋.作者通過建
立的焊核區等軸再結晶組織形成物理模型,對上述
內容進行了初步的探討.
1 焊核區等軸再結晶組織形成物理模型
攪拌摩擦焊接過程中,由于攪拌頭的高速旋轉,
在與母材接觸的界面處產生了大量的摩擦熱,導致
攪拌頭附近的母材形成塑性軟化層.塑性軟化層在
第24卷 第4期
2 0 0 3年8月
焊接學報
TRANSACTIONS OF THE CHINA WELD IN G INSTITU TION
Vol. 24 No . 4
August 2 0 0 3
1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
攪拌頭的機械攪拌作用下發生塑性流動.當軟化層
內的塑性金屬發生流動時,其流動質點的速度和方
向隨位置和時間不斷發生變化,因而其流動形式屬
于非穩定流場,如圖1所示,箭頭方向為軟化層的流
動方向,圖1a為軸肩下表面塑性軟化層的流動形
式,圖1b為焊縫底部軟化層的塑性流動形式.
圖1 攪拌摩擦焊接頭塑性軟化層的流動
Fig.1 Flow of sof tening material in FSWjoint
軟化層內的不同塑性流層間存在速度梯度,由
于軟化層內存在一定程度的粘度,因而在流速不同
的流層間界面處產生粘性摩擦剪應力fij.如軟化
流層i內在i- 1層和i層的界面處存在剪應力
fi,i- 1,在i層和i+ 1層的界面處存在剪應力
fi,i+ 1,fi,i- 1和fi,i+ 1作用力方向相反,從而導致層
i處的板條狀組織受到拉伸而伸長,如圖2b所示.
軟化層的板條狀組織在伸長的同時,由于受到攪拌
頭的攪拌作用而同時發生彎曲變形,如圖2c所示.
拉長的彎曲板條狀組織然后在熱循環的作用下發生
再結晶反應而在板條狀組織內形成細小的再結晶晶
粒,再結晶晶粒沿板條狀組織的取向方向排列,整體
上具有一定的方向性,如圖2d所示.由于焊縫中部
受到攪拌頭的強烈攪拌作用,導致發生再結晶的彎
曲板條狀組織發生更大程度的變形.然而板條狀組
織晶界所能承受的彎曲程度是有限的,當彎曲程度
超過了晶界彎曲上限時,原有的板條狀晶界將被破
壞,導致晶粒間的整體板條狀取向漸趨不明顯,而在
微觀下表現出無序狀排列的形貌,如圖2e所示,圖
2f為晶界被破壞后所形成的組織形貌,圖2g為圖
2f的局部放大,再結晶晶粒表現出一種無序,無方
向性的特點.
圖2 焊核區組織形成過程示意圖
Fig.2 Formingprocess of equiaxedgra in
in weld nugget zone
2 試驗驗證
對Al - Li - Cu合金板(板厚2 mm)進行了攪拌
摩擦焊連接,攪拌頭轉速為1 500 r/ min ,行走速度
為100～800 mm/ min ,攪拌針長度為1 mm.母材
及接頭的顯微組織如圖3所示.圖3a為試驗用Al
- Li - Cu合金母材原始組織,晶粒呈明顯方向性的
板條狀.焊接過程中,母材軟化層內的板條狀組織
在流層內的粘性摩擦剪切力作用下被拉長,發生彎
曲變形,同時發生再結晶反應,形成再結晶晶粒,如
圖3b所示.從圖3b明顯看出母材的原始板條狀組
織在攪拌頭的機械攪拌作用下,發生較大程度的彎
曲變形,板條的寬度變窄,在板條內由于熱循環的作
用形成了再結晶晶粒.圖3c為焊核區所形成的等
軸再結晶組織,從該圖可以看出焊態下該組織形貌
與圖2g焊核區的再結晶組織形貌基本一致,表現出
一種無序,無方向性的特征.
43焊 接 學 報第24卷
1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
圖3 Al-Li-Cu合金母材及攪拌摩擦
焊接頭微觀組織形貌
Fig.3 Microstructures of Al-Li-Cu alloy
and FSWjoint
3 結 論
(1)攪拌頭附近的材料受到熱循環的作用而軟
化.
(2)軟化層內的板條狀組織在流層間粘性摩擦
剪應力的作用下被拉長,并在攪拌頭的機械攪拌作
用下發生彎曲變形.
(3)拉長,變形的板條狀組織在熱循環的作用
下發生再結晶反應,形成細小的等軸再結晶晶粒.
(4)隨著攪拌頭持續的機械攪拌,發生再結晶
反應,拉長,變形的板條狀組織發生更大程度的變
形,當變形程度超過了板條狀組織和再結晶晶粒晶
界的承載能力時,板條狀組織和再結晶晶粒的晶界
被破壞而逐漸消失,晶界按能量最小原理重新排列,
導致再結晶晶粒呈無序,不規則排列的形貌.
鋁合金攪拌摩擦焊接頭焊核區等軸再結晶組織的形成機制PDF文檔高清版下載地址：
http://bbs.dalilvcai.com/aluminium_jointing/thread-3341-1-1.html
王大勇, 馮吉才, 狄 歐, 劉會杰
(哈爾濱工業大學現代焊接生產技術國家重點實驗室,哈爾濱 150001)
摘 要:建立了攪拌摩擦焊鋁合金接頭焊核區等軸再結晶組織形成過程的物理模型,
詳細闡述了焊核區的組織形成過程.試驗結果表明,熱循環的作用導致攪拌頭附近的
母材發生軟化,形成軟化層;軟化層在攪拌頭的機械攪拌作用下發生塑性流動,軟化層
內不同的流層間流速不同,存在速度梯度.在流層間的界面處產生粘性摩擦剪應力.
在粘性剪應力的作用下,母材軋制態下的板條狀組織被拉長,并發生強烈的彎曲變形,
當彎曲程度超過了其晶界所能承受的上限時,原有的板條狀組織晶界被破壞而逐漸消
失,板條內的等軸再結晶組織按能量最小原理重新排列,形成焊態下無序,無方向性的
等軸再結晶組織排列.
關鍵詞:焊核區;攪拌摩擦焊;形成機制
中圖分類號:T G453 文獻標識碼:A 文章編號:0253 - 360X(2003)04 - 33 - 03王大勇
0 序 言
攪拌摩擦焊(FSW)是英國焊接研究所發明的
一種新的連接方法,其實質是通過高速旋轉的攪拌
頭與被焊材料表面間生成的摩擦熱而實現的一種固
相連接,具有連接溫度低,焊后殘余應力小,接頭性
能高等一系列優點,在航空航天領域,尤其是在高強
鋁合金的連接方面具有廣闊的應用前景[ 1～5 ].
鋁合金攪拌摩擦焊接頭通常由焊核區,熱機影
響區和熱影響區三部分構成[ 6～8 ].其中焊核區是
受熱循環和機械作用影響最嚴重的區域,組織變化
程度較大,是合金元素過度飽和區域,該區域變形晶
粒發生沉淀和回復交互作用,導致晶體的生長動力
學比較復雜[ 9 ].世界上的許多研究人員對焊核區
的組織形成機制,性能特點進行了大量的研究,
文獻[ 10 ,11 ]認為焊核區的塑性流動是非對稱性的,
經歷了高溫,大應變和高的應變率,并且在焊核中心
發生了強烈的變形.焊核區的應變在5～10之間,
應變率大約是102,應變和應變梯度隨著距焊縫中
心線距離的增加呈指數下降.大應變和初期為大角
晶界,導致焊核區在焊接過程中發生了動態再結
晶[ 9 ,11 ].英國曼徹斯特大學的Norman A F[ 10 ]等人
認為焊核區發生了較大的應變,導致該區出現高密
度的細晶沉淀相,從而抑制晶粒發生長大而發生再
收稿日期:2003 - 01 - 10
基金項目:國家863基金資助項目(2002AA724040)
結晶反應.在理想的動態再結晶過程中,局部累積
能的變化導致應變誘發晶界的遷移,這種遷移和塑
性流動的不同將導致在初始晶粒的沉淀相周圍開始
形成鏈狀新晶粒.在焊接過程中,不斷形成新晶粒
層,并從晶粒邊界向內部發展,一直到每一個初始晶
粒均發生再結晶.美國愛迪生焊接研究所的
Lienert T J[ 11 ]等人通過對6061 - T651鋁合金攪拌
摩擦焊接頭焊核區的研究發現,焊核區晶粒尺寸范
圍為10～20μm ,晶界為大角晶界.由于焊核區晶
粒得到細化,在室溫下經歷了自然時效(焊后至進行
測試前的時間段,一般為幾周),形成了富含溶質的
微區(常稱GP區),固溶物團或空位團,焊核區的硬
度值較其它區域高.
雖然攪拌摩擦焊接頭焊核區等軸再結晶組織的
形成原因和特性得到了大量的研究,但是目前仍沒
有對焊核區母材內具有明顯方向性的板條狀組織晶
界如何消失,通過何種機制轉變為無序,無方向性的
等軸再結晶組織晶界給予很好的解釋.作者通過建
立的焊核區等軸再結晶組織形成物理模型,對上述
內容進行了初步的探討.
1 焊核區等軸再結晶組織形成物理模型
攪拌摩擦焊接過程中,由于攪拌頭的高速旋轉,
在與母材接觸的界面處產生了大量的摩擦熱,導致
攪拌頭附近的母材形成塑性軟化層.塑性軟化層在
第24卷 第4期
2 0 0 3年8月
焊接學報
TRANSACTIONS OF THE CHINA WELD IN G INSTITU TION
Vol. 24 No . 4
August 2 0 0 3
1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
攪拌頭的機械攪拌作用下發生塑性流動.當軟化層
內的塑性金屬發生流動時,其流動質點的速度和方
向隨位置和時間不斷發生變化,因而其流動形式屬
于非穩定流場,如圖1所示,箭頭方向為軟化層的流
動方向,圖1a為軸肩下表面塑性軟化層的流動形
式,圖1b為焊縫底部軟化層的塑性流動形式.
圖1 攪拌摩擦焊接頭塑性軟化層的流動
Fig.1 Flow of sof tening material in FSWjoint
軟化層內的不同塑性流層間存在速度梯度,由
于軟化層內存在一定程度的粘度,因而在流速不同
的流層間界面處產生粘性摩擦剪應力fij.如軟化
流層i內在i- 1層和i層的界面處存在剪應力
fi,i- 1,在i層和i+ 1層的界面處存在剪應力
fi,i+ 1,fi,i- 1和fi,i+ 1作用力方向相反,從而導致層
i處的板條狀組織受到拉伸而伸長,如圖2b所示.
軟化層的板條狀組織在伸長的同時,由于受到攪拌
頭的攪拌作用而同時發生彎曲變形,如圖2c所示.
拉長的彎曲板條狀組織然后在熱循環的作用下發生
再結晶反應而在板條狀組織內形成細小的再結晶晶
粒,再結晶晶粒沿板條狀組織的取向方向排列,整體
上具有一定的方向性,如圖2d所示.由于焊縫中部
受到攪拌頭的強烈攪拌作用,導致發生再結晶的彎
曲板條狀組織發生更大程度的變形.然而板條狀組
織晶界所能承受的彎曲程度是有限的,當彎曲程度
超過了晶界彎曲上限時,原有的板條狀晶界將被破
壞,導致晶粒間的整體板條狀取向漸趨不明顯,而在
微觀下表現出無序狀排列的形貌,如圖2e所示,圖
2f為晶界被破壞后所形成的組織形貌,圖2g為圖
2f的局部放大,再結晶晶粒表現出一種無序,無方
向性的特點.
圖2 焊核區組織形成過程示意圖
Fig.2 Formingprocess of equiaxedgra in
in weld nugget zone
2 試驗驗證
對Al - Li - Cu合金板(板厚2 mm)進行了攪拌
摩擦焊連接,攪拌頭轉速為1 500 r/ min ,行走速度
為100～800 mm/ min ,攪拌針長度為1 mm.母材
及接頭的顯微組織如圖3所示.圖3a為試驗用Al
- Li - Cu合金母材原始組織,晶粒呈明顯方向性的
板條狀.焊接過程中,母材軟化層內的板條狀組織
在流層內的粘性摩擦剪切力作用下被拉長,發生彎
曲變形,同時發生再結晶反應,形成再結晶晶粒,如
圖3b所示.從圖3b明顯看出母材的原始板條狀組
織在攪拌頭的機械攪拌作用下,發生較大程度的彎
曲變形,板條的寬度變窄,在板條內由于熱循環的作
用形成了再結晶晶粒.圖3c為焊核區所形成的等
軸再結晶組織,從該圖可以看出焊態下該組織形貌
與圖2g焊核區的再結晶組織形貌基本一致,表現出
一種無序,無方向性的特征.
43焊 接 學 報第24卷
1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
圖3 Al-Li-Cu合金母材及攪拌摩擦
焊接頭微觀組織形貌
Fig.3 Microstructures of Al-Li-Cu alloy
and FSWjoint
3 結 論
(1)攪拌頭附近的材料受到熱循環的作用而軟
化.
(2)軟化層內的板條狀組織在流層間粘性摩擦
剪應力的作用下被拉長,并在攪拌頭的機械攪拌作
用下發生彎曲變形.
(3)拉長,變形的板條狀組織在熱循環的作用
下發生再結晶反應,形成細小的等軸再結晶晶粒.
(4)隨著攪拌頭持續的機械攪拌,發生再結晶
反應,拉長,變形的板條狀組織發生更大程度的變
形,當變形程度超過了板條狀組織和再結晶晶粒晶
界的承載能力時,板條狀組織和再結晶晶粒的晶界
被破壞而逐漸消失,晶界按能量最小原理重新排列,
導致再結晶晶粒呈無序,不規則排列的形貌.
鋁合金攪拌摩擦焊接頭焊核區等軸再結晶組織的形成機制PDF文檔高清版下載地址：
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