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武传松教授团队在铝合金FSW动态再结晶机制研究方面取得新进展

日期:2021/01/27  点击:

       近日,材料科学与工程学院武传松教授团队在铝合金搅拌摩擦焊接(FSW)动态再结晶机制和接头微观组织演变方面取得新进展。相关研究成果以“Analysis and characterization of dynamic recrystallization and grain structure evolution in friction stir welding of aluminum plates”为题,发表于金属材料学与冶金学领域顶级期刊Acta Materialia。2020届硕士毕业生于鹏飞为该文第一作者,武传松教授为通讯作者,山东大学材料液固结构演变与加工教育部重点实验室为唯一作者单位。


    随着经济和社会发展对节能减排环保标准的要求不断提高,轻量化的铝合金材料在汽车、高铁和航空航天等行业得到越来越多的应用。作为固相连接工艺,搅拌摩擦焊接(FSW)已成为铝合金材料的首选焊接方法。在FSW热-力作用下,铝合金接头内发生动态再结晶过程,焊缝晶粒得以细化,从而获得满足工程应用要求的接头性能。因此,阐明铝合金搅拌摩擦焊接过程中的动态再结晶机制对焊缝微观组织和服役性能的有效调控具有重要意义。但是,由于铝合金FSW焊接过程中动态再结晶行为异常复杂,其发生机制和焊缝晶粒尺寸演变规律尚不清晰,仍存在广泛争议。

    针对上述关键科学问题,武传松教授团队采用实验表征与数值模拟相结合的方法开展了深入系统的研究。在铝合金FSW焊接实验过程中,采用“急停+急冷”技术获取了搅拌头周边的材料试样,对这些试样以及焊后焊缝的微观组织进行了电子背散射衍射(EBSD)表征。建立了FSW宏观热-力分析模型,获得了焊接过程中随时间变化的温度、应变和应变率。在微观尺度上建立了动态再结晶过程的蒙特卡洛模型,对不同焊接工艺参数条件下铝合金搅拌摩擦焊接动态再结晶过程进行了数值模拟。基于实验表征与数值分析结果,首次发现在搅拌头前方、后方和后退侧的不同位置,因其温度、应变率和应变量不同,发生了不同类型的动态再结晶行为;在搅拌针正前方,几何动态再结晶机制与连续动态再结晶机制较为明显;在后退侧,连续动态再结晶和不连续动态再结晶机制作用明显;在搅拌针后部,几何动态再结晶作用效果较为明显。当焊接热输入较高时,更易发生几何动态再结晶和连续动态再结晶导致的晶粒长大,不连续动态再结晶过程也较容易发生;当焊接热输入较低时,连续动态再结晶机制作用效果更为明显。这些研究结果为铝合金FSW焊接工艺优化和接头组织性能调控提供了重要依据。

    Acta Materialia在冶金科学与工程领域的全球79种SCI期刊中排名第一;在材料科学(综合)领域的全球152种SCI期刊中排名第三。