退火處理對AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接頭組織和力學(xué)性能的影響★

孫新和，梁言文，郭熊熊，陳 夢，李亞杰

（1.太原科技大學(xué)華科學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

鎂合金由于具有較低的密度和較高的比強度等優(yōu)點，在裝備制造業(yè)和軌道交通領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，利用固態(tài)的攪拌摩擦焊接方法可以實現(xiàn)鎂合金的良好連接，獲得無氣孔、夾雜等缺陷的冶金結(jié)合接頭。但是，攪拌焊接過程也會使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定的程度的應(yīng)力集中，從而影響鎂合金接頭的力學(xué)性能和外觀變形性。本文通過研究AZ31接頭在退火處理過程中的組織演變，通過調(diào)整退火溫度和保溫時間，實現(xiàn)接頭組織和性能的優(yōu)化，從而提升接頭的綜合力學(xué)性能，具有一定的工程研究意義。

1 實驗方法及設(shè)備

6 mm厚的壓鑄態(tài)AZ31板材為原材料，其成分見表1。原始金相組織如圖1所示，通過垂直于厚度方向切成金相試樣。焊接工藝參數(shù)轉(zhuǎn)速為1400r/min，焊接速度為200 mm/min獲得了無缺陷的焊接頭。然后對接頭進行不同的退火實驗，退火溫度為150～300℃，退貨時間為15～120 min。最后利用萬能試驗機進行力學(xué)性能測試。

表1 AZ31鎂合金的元素組成 %

圖1 壓鑄態(tài)AZ31鎂合金的原始金相組織

2 實驗結(jié)果與分析

圖2所示為壓鑄態(tài)鎂合金攪拌摩擦焊接頭焊態(tài)及200℃和300℃退火60 min后獲得試樣，其焊縫中心的金相形貌如2所示，退火處理使得該部位的晶粒尺寸變得更加均勻。隨著退火升高，晶粒尺寸出現(xiàn)一定的粗化。由于攪拌摩擦焊接焊合區(qū)再結(jié)晶程度比較高，退火工藝不會明顯改變該區(qū)域的晶粒尺寸，只能一定程度上影響該區(qū)域的晶粒均勻性。

圖2 AZ31接頭焊核區(qū)的金相組織

接頭通過不同溫度退火60 min后（其過渡區(qū)的微觀組織見圖3），通過較低的退火溫度（150℃）處理后，過渡區(qū)域的晶粒均勻仍然很差，一些原始的粗大的晶粒團聚在局部區(qū)域，見圖3-1。將退回溫度升高到200℃后，見3-2，過渡區(qū)的組織分布得到了一些改善，大小晶粒的混晶分布情況得到一定的緩解，一些新產(chǎn)生的細晶在原始晶界處以項鏈狀形貌出現(xiàn)，最大的晶粒尺寸均保持在80μm以下，過渡區(qū)寬度增加且晶粒尺寸過渡平緩，一些項鏈狀的晶粒沿著原始粗大晶粒產(chǎn)生。進一步提高退火溫度到250℃和300℃時，部位區(qū)域的晶粒出現(xiàn)明顯的粗化現(xiàn)象，如圖3-3和3-4。因此，通過過渡區(qū)域的組織分析，表明200℃的溫度較為合適，可以一定程度的擴大過渡區(qū)域的總體寬度，并明顯改善界面處的組織均勻性。此外，通過控制退火溫度為200℃來分析不同保溫時間對攪拌摩擦焊接頭組織和性能的影響規(guī)律。

圖3 AZ31接頭過渡區(qū)在不同退火條件下（保溫60 min）的金相組織

為了研究退火時間對接頭組織和性能的影響，圖4為接頭過渡區(qū)在固定退火溫度為200℃不同退火時間下的顯微組織分布。

圖4 AZ31接頭在200℃退火不同時間后前進側(cè)界面位置的微觀照片

由圖4可以看出當(dāng)在較短退火時間（15 min），過渡區(qū)組織具有顯現(xiàn)出較低的再結(jié)晶程度，見4-1和4-2所示。然而，進一步延長退火時間到120 min后，該區(qū)域的部分晶粒會出現(xiàn)明顯的粗化現(xiàn)象，見圖4-3。圖4-4為焊態(tài)接頭過渡區(qū)組織，可以看出焊態(tài)在過渡組織分布及其不均勻，存在明顯界面，再結(jié)晶程度較低。因此，我們可以得出結(jié)論，從微觀組織的分析來看，針對攪拌摩擦獲得的對AZ31接頭，退火溫度為200℃，保溫時間30 min可以明顯的改善界面組織分布。

圖5所示為接頭單軸拉伸后獲得的曲線，接頭拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化在退火處理前后的呈現(xiàn)出類似的變化特征。結(jié)果表明，接頭的強度對退火溫度不敏感，而合適的退火溫度會改善接頭的延伸率。當(dāng)退火溫度從150℃增加到300℃的過程中，焊接接頭的塑形變形能力出現(xiàn)先升高后降低的變化規(guī)律，最適合的退火工藝為200℃+30 min，接頭的伸長率提高到13%。綜合微觀組織演變、拉伸強度和延伸率可以得出結(jié)論，AZ31鎂合金在退火工藝為200℃+30 min條件下可以一定程度上提升接頭的延伸率，而不會明顯降低接頭強度。

圖5 接頭在不同退火條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 結(jié)論

本文研究了退火處理對壓鑄態(tài)AZ31鎂合金接頭組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，結(jié)合微觀組織和力學(xué)性能分析結(jié)果得出以下結(jié)論：

1）通過提高退火溫度，AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接頭的延伸率出現(xiàn)先增加后降低的變化，當(dāng)進行200℃退火是接頭的延伸率較大。

2）采用200℃不同保溫時間退火處理后發(fā)現(xiàn)保溫時間為30 min接頭的組織和性能較好，接頭過渡區(qū)的組織分布更加均勻，并一定程度上增加該區(qū)域的寬度。

3）AZ31鎂合金在退火工藝為200℃+30 min條件下可以一定程度上提升接頭的延伸率，而不會明顯降低接頭強度。