AZ31B镁合金低温摩擦搅拌加工的热场和晶粒结构研究
前言：摩擦搅拌加工于1999年被开发并引入到全球范围。FSP基本上涉及与摩擦搅拌焊相同的概念，它是一种固态加工技术，可用于微观结构的修改和改善机械性能。
在FSP中，将一个非耗材旋转工具嵌入工件，并沿着所需路径遍历，以实现局部微观结构变化，从而实现特定性能改进，金属深塑性变形、混合和热表面处理引起的，这已经被证明能够提高工具寿命和表面质量。
在液氮冷却样品的情况下，AZ31B镁合金的摩擦搅拌加工可以实现更细致和更均匀的晶粒尺寸，比空气冷却的样品更优。FSW/FSP样品中使用液氮冷却，并考虑到其适用于在低温环境下运行的航空航天和汽车应用。
对热轧AZ31B镁合金进行了空气、水和低温冷却条件下的FSP处理。两个FSP区域的热历史，冷却条件对微观结构、机械性能和轴向载荷的影响。
工具旋转速度为1000转/分钟，遍历速度为60毫米/分钟，倾斜角度相对于FSP机器的z轴为2度。为了研究浸入液对过程的影响，考虑了三种不同的方法。这些是在空气中进行FSP、浸入式摩擦搅拌加工和低温摩擦搅拌加工。
在空气中进行的FSP样品的热电偶记录达到了283℃的峰值温度，然后在70秒内逐渐降至约80℃。SFSP和CFSP样品达到了162℃和110℃。热电偶记录的FSP样品在空气中达到了290℃的峰值温度，50秒内逐渐降至约60℃。
SFSP和CFSP样品仅达到了169℃和110℃，分别稳定下降40℃和20℃。水和液氮的热容量比空气高，这会导致水和低温FSP中冷却速率的增加和峰值温度的降低。增加冷却速率来限制加工样品的热输入已被证明可以限制加工样品的晶粒生长，从而实现更好的机械和微观结构特性。
未经加工材料、水冷FSP和低温FSP在1000 rpm和60 mm/min下的应力-应变曲线。未经加工的样品具有10%的延伸率和250 MPa的极限抗拉强度。经过不同组合的FSP后，抗拉强度略有降低，而延展性显著增加。AZ31-O样品的抗拉强度比FSP样品更高，FSP实现了良好的延展性。晶粒取向和残余应力的改变是导致原因。
在FSP期间晶粒取向和残留应力的改变引起了不寻常的Hall-Petch效应。Darras等人也证明，AZ31B镁合金的SFSP样品的极限抗拉强度降低。不同加工条件的测试结果对强度、硬度和延伸率的影响，FSP试样的总抗拉强度、硬度和延伸率%分别为191 MPa、87 HV和18.3%。
对于SFSP，这些性能增加到244 MPa、109 HV和23.50%。CFSP性能略微降低，抗拉强度为221 MPa，硬度为90 HV，延伸率为26.50%。SFSP软化了材料，导致强度较小，延性更好，隐含着在水下和低温条件下更好的成形性。
样品的最小峰值温度实现时，最高的延伸率百分比得以实现。 SFSP是提高AZ31B镁合金成形性的有效技术。在水下和低温冷却剂中进行浸没可以改善FSP材料的机械性能和延伸率%。
在拉伸失效后，晶粒结构仍然保持等轴，初始晶粒结构相比，晶粒尺寸有很大的不同。AZ31-O样品的抗拉强度高于FSP样品，而FSP实现了更好的延性。空气中FSP、水中SFSP和低温CFSP处理后的AZ31B镁合金的顶部表面和截面外观。
SFSP样品的平均硬度比FSP和CFSP样品分别高出87 HV和89 HV。在水中的最高硬度的实现对6毫米厚的AZ31B镁合金轧制FSW焊接接头进行硬度测试，发现焊缝的硬度值比母材高。降低峰值温度也被视为提供了精细的再结晶晶粒尺寸，从而改善了硬度。
FSP样品的显微组织，其中NZ中心具有主相和次相的细小颗粒，但晶粒尺寸比SFSP和CFSP样品要大。水中浸泡的样品的显微组织，NZ中心观察到晶粒发展，具有非常细小的主相颗粒。
NZ中心具有一些原生相和次生相的细小颗粒，但晶粒尺寸大于SFSP和CFSP的样品。它的晶粒呈现完全聚合状态，可以清楚地看到超塑性。扫描电子显微镜的高倍放大图像明显改变了材料的晶粒排列方式，平均晶粒尺寸从62.92 µm降至1.92 µm。FSP还增强了晶粒结构的均匀性，显著降低了材料的孔隙率。
FSP在空气、水中浸泡和低温冷却剂中的平均晶粒尺寸分别为18.8 µm、2.12 µm和1.92 µm。在低温条件下获得了更大的晶粒细化效果。晶粒尺寸受温度影响，热场对于不同浸泡条件非常敏感。它们影响峰值温度，还影响材料在某一温度以上停留的时间。
结论：轴向力对微观结构变化和微硬度有显著影响，当焊接AZ61镁合金6毫米厚的对接焊接时，达到了84 HV的微硬度值。当轴向力非常低时，底部产生的热量不足。随着轴向力的增加，焊接具有良好的扩散性。
