AZ31B鎂合金低溫摩擦攪拌加工的熱場和晶粒結構研究
前言：摩擦攪拌加工于1999年被開發并引入到全球範圍。FSP基本上涉及與摩擦攪拌焊相同的概念，它是一種固态加工技術，可用于微觀結構的修改和改善機械性能。
在FSP中，将一個非耗材旋轉工具嵌入工件，并沿着所需路徑周遊，以實作局部微觀結構變化，進而實作特定性能改進，金屬深塑性變形、混合和熱表面處理引起的，這已經被證明能夠提高工具壽命和表面品質。
在液氮冷卻樣品的情況下，AZ31B鎂合金的摩擦攪拌加工可以實作更細緻和更均勻的晶粒尺寸，比空氣冷卻的樣品更優。FSW/FSP樣品中使用液氮冷卻，并考慮到其适用于在低溫環境下運作的航空航天和汽車應用。
對熱軋AZ31B鎂合金進行了空氣、水和低溫冷卻條件下的FSP處理。兩個FSP區域的熱曆史，冷卻條件對微觀結構、機械性能和軸向載荷的影響。
工具旋轉速度為1000轉/分鐘，周遊速度為60毫米/分鐘，傾斜角度相對于FSP機器的z軸為2度。為了研究浸入液對過程的影響，考慮了三種不同的方法。這些是在空氣中進行FSP、浸入式摩擦攪拌加工和低溫摩擦攪拌加工。
在空氣中進行的FSP樣品的熱電偶記錄達到了283℃的峰值溫度，然後在70秒内逐漸降至約80℃。SFSP和CFSP樣品達到了162℃和110℃。熱電偶記錄的FSP樣品在空氣中達到了290℃的峰值溫度，50秒内逐漸降至約60℃。
SFSP和CFSP樣品僅達到了169℃和110℃，分别穩定下降40℃和20℃。水和液氮的熱容量比空氣高，這會導緻水和低溫FSP中冷卻速率的增加和峰值溫度的降低。增加冷卻速率來限制加工樣品的熱輸入已被證明可以限制加工樣品的晶粒生長，進而實作更好的機械和微觀結構特性。
未經加工材料、水冷FSP和低溫FSP在1000 rpm和60 mm/min下的應力-應變曲線。未經加工的樣品具有10%的延伸率和250 MPa的極限抗拉強度。經過不同組合的FSP後，抗拉強度略有降低，而延展性顯著增加。AZ31-O樣品的抗拉強度比FSP樣品更高，FSP實作了良好的延展性。晶粒取向和殘餘應力的改變是導緻原因。
在FSP期間晶粒取向和殘留應力的改變引起了不尋常的Hall-Petch效應。Darras等人也證明，AZ31B鎂合金的SFSP樣品的極限抗拉強度降低。不同加工條件的測試結果對強度、硬度和延伸率的影響，FSP試樣的總抗拉強度、硬度和延伸率%分别為191 MPa、87 HV和18.3%。
對于SFSP，這些性能增加到244 MPa、109 HV和23.50%。CFSP性能略微降低，抗拉強度為221 MPa，硬度為90 HV，延伸率為26.50%。SFSP軟化了材料，導緻強度較小，延性更好，隐含着在水下和低溫條件下更好的成形性。
樣品的最小峰值溫度實作時，最高的延伸率百分比得以實作。 SFSP是提高AZ31B鎂合金成形性的有效技術。在水下和低溫冷卻劑中進行浸沒可以改善FSP材料的機械性能和延伸率%。
在拉伸失效後，晶粒結構仍然保持等軸，初始晶粒結構相比，晶粒尺寸有很大的不同。AZ31-O樣品的抗拉強度高于FSP樣品，而FSP實作了更好的延性。空氣中FSP、水中SFSP和低溫CFSP處理後的AZ31B鎂合金的頂部表面和截面外觀。
SFSP樣品的平均硬度比FSP和CFSP樣品分别高出87 HV和89 HV。在水中的最高硬度的實作對6毫米厚的AZ31B鎂合金軋制FSW焊接接頭進行硬度測試，發現焊縫的硬度值比母材高。降低峰值溫度也被視為提供了精細的再結晶晶粒尺寸，進而改善了硬度。
FSP樣品的顯微組織，其中NZ中心具有主相和次相的細小顆粒，但晶粒尺寸比SFSP和CFSP樣品要大。水中浸泡的樣品的顯微組織，NZ中心觀察到晶粒發展，具有非常細小的主相顆粒。
NZ中心具有一些原生相和次生相的細小顆粒，但晶粒尺寸大于SFSP和CFSP的樣品。它的晶粒呈現完全聚合狀态，可以清楚地看到超塑性。掃描電子顯微鏡的高倍放大圖像明顯改變了材料的晶粒排列方式，平均晶粒尺寸從62.92 µm降至1.92 µm。FSP還增強了晶粒結構的均勻性，顯著降低了材料的孔隙率。
FSP在空氣、水中浸泡和低溫冷卻劑中的平均晶粒尺寸分别為18.8 µm、2.12 µm和1.92 µm。在低溫條件下獲得了更大的晶粒細化效果。晶粒尺寸受溫度影響，熱場對于不同浸泡條件非常敏感。它們影響峰值溫度，還影響材料在某一溫度以上停留的時間。
結論：軸向力對微觀結構變化和微硬度有顯著影響，當焊接AZ61鎂合金6毫米厚的對接焊接時，達到了84 HV的微硬度值。當軸向力非常低時，底部産生的熱量不足。随着軸向力的增加，焊接具有良好的擴散性。
