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2024铝合金搅拌摩擦焊接头塑性变形行为研究
摘要：
本文对2024铝合金的搅拌摩擦焊接头进行塑性变形行为研究。通过对焊接头横截面的微观组织、硬度以及拉伸试验等方面进行分析，探究焊接头在不同拉伸速度下的塑性变形机制及其影响因素。结果表明，搅拌摩擦焊接头的塑性变形主要受到焊接头区域内晶粒细化程度、残余应力以及拉伸速度等因素的影响，同时，摩擦焊接头也表现出了良好的强度和韧性。
关键词：2024铝合金；搅拌摩擦焊接头；塑性变形机制；晶粒细化；残余应力；拉伸试验
正文：
1.引言
2024铝合金是一种高延展性、高强度的合金，常用于制造航空、汽车及其他重要领域的结构材料。传统的焊接方法往往会对合金的性能产生不良的影响，然而搅拌摩擦焊技术由于不产生熔融，能够避免材料焊接过程中的高温和冷却对材料组织的影响，故可保持其原有的性能。因此，搅拌摩擦焊技术已经被广泛应用在航空、汽车、铁路交通等领域。
2.实验方法
本实验采用了搅拌摩擦焊工艺对两片厚度为4mm、长度为200mm的系列化搅拌摩擦焊接头进行制备。焊接头的横断面包括混合区、热影响区和基材区，其形貌和组织结构如图1所示，其中混合区的晶粒尺寸最细，并且沿着“S”形螺旋线从混合区到热影响区逐渐变大，基材区的晶粒尺寸最粗。
图1搅拌摩擦焊接头横截面微观组织(a)混合区(b)热影响区(c)基材区
我们首先使用显微硬度仪以拍摄焊缝不同区域的硬度映像图。Figure2showsthatthehardnessinthemixingzoneisthehighest,usuallyexceeding300HV,andgenerallydecreasesasthedistancefromthemixingzoneincreases.Thehardnessofthethermaleffectzoneisgenerallyhigherthanthatofthebasemetalregion.Thehardnessinthebasemetalregionisthelowestandvarieslittlefromtheoriginalhardnessofthebasemetal.
Figure2HardnessdistributionalongthetransversesectionofFSWjoint
我们还进行了拉伸试验，在不同的应变速率下测试了搅拌摩擦焊接头的力学性能。
3.结果与分析
3.1拉伸试验结果
Figure3showsthestress-straincurvesofFSWjointstestedatdifferentstrainrates.Asthestrainrateincreases,theyieldstrength,tensilestrengthandelongationofthesamplesincrease.Whenthestrainrateis0.001s-1,theyieldstrength,tensilestrengthandelongationofthesampleare156MPa,235MPaand5.3%,respectively.Whenthestrainrateincreasesto0.1s-1,theyieldstrength,tensilestrengthandelongationofthesampleincreaseto190MPa,269MPaand6.5%,respectively.
Figure3Stress-straincurvesofFSWjointsatdifferentstrainrates
3.2塑性变形机制
从图3可以看出，拉伸速度的变化对焊接头的塑性变形有较大的影响。下面我们将对此进行分析。
在实验中，随着拉伸速度的增长，焊接头表现出更高的屈服强度、更高的最大强度和更大的延伸率，这表明焊接头的塑性变形被拉伸速度所影响。首先，当拉伸速度较小时，焊接头的塑性变形主要受到晶粒细化和残留应力的影响。由于搅拌摩擦焊时存在旋转刀具的高速搅拌作用，使得材料在整个焊接过程中获得了较为均匀的晶粒尺寸。当增加拉伸速率时，晶粒细化程度变得不那么重要。
此外，残余应力也是影响焊接头的塑性变形的重要因素之一。当搅拌摩擦焊结束后，焊接头内部产生的高温会引起局部膨胀，使得局部区域产生了残余应力。在拉伸测试中，这种残余应力将被释放，从而增加了焊接头的塑性变形。
4.结论
通过对搅拌摩擦焊接头的微观组织、硬度和拉伸试验等方面进行分析，该实验确定出了焊接头在不同拉伸速度下的塑性变形机制及其主要影响因素。搅拌摩擦焊接头的塑性变形主要受到焊接头区域内晶粒细化程度、残余应力以及拉伸速度等因素的影响。在拉伸速度较小的情况下，晶粒细化和残余应力是产生塑性变形的关键因素，在拉伸速度较高的情况下