AZ91镁合金搅拌摩擦焊接头热处理强化及其断裂韧度研究

作     者：李锦鹏 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张红霞

授予年度：2019年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：AZ91镁合金 搅拌摩擦焊接 固溶处理 人工时效处理 断裂韧度 声发射 

摘      要：基于性能和资源优势,镁合金被誉为21世纪绿色工程材料,得到了学者们的广泛关注和持续研究。其广泛使用离不开焊接技术的支持,作为固相连接的搅拌摩擦焊接方法,避免了传统熔化焊方法焊接时产生的气孔、夹杂等焊接缺陷,适合铝、镁等轻质合金的焊接并得到优质的焊接接头。AZ91镁合金铸造成型性能优良,经过搅拌摩擦焊接后,接头的微观组织比较复杂,从而对其力学性能和断裂行为也产生较大的影响。对AZ91镁合金焊接接头进行固溶处理和人工时效处理,可以得到均质化接头,对于保证合金焊接接头的使用寿命具有重要的意义。论文对铸态AZ91镁合金及其搅拌摩擦焊焊接接头进行固溶处理和人工时效处理,利用光学显微镜和扫描电镜对热处理后母材及其焊接接头的显微组织进行分析,并通过维氏硬度仪对材料的显微硬度进行测试,采用声发射技术对试样断裂过程中裂纹尖端产生的声能信号进行监测,探讨固溶处理和人工时效对材料力学性能及断裂韧度的影响;使用扫描电子显微镜对断口形貌进行观察,并分析其断裂机理,结合声发射检测信号对焊接接头的断裂过程进行表征。研究发现,铸态AZ91镁合金粗大的α-Mg基体上分布着脆硬的第二相β-MgAl相,力学性能较差;经过固溶处理后,基体中分布于晶界上的粗大网状β相以及晶内短棒状β相全部消失,延伸率和断裂韧度显著提高,但材料显微硬度值有所下降;其中母材在425℃固溶处理7 h后性能明显改善:断裂韧度21.63 MPa·m,提高一倍,延伸率6.25%,提高近两倍,屈服强度102 MPa,抗拉强度212 MPa;继续进行人工时效处理,则首先从基体晶界位置析出不连续β相,随着时效处理时间的延长,晶内也开始析出细小弥散的短棒状β相。热处理过程中β相的溶解使得固溶态镁合金韧性提高、显微硬度值下降,而β相的再次析出使时效态镁合金显微硬度值提高并高于母材,韧性却基本恢复至原状态。对AZ91镁合金搅拌摩擦焊接头进行固溶处理后,与未处理焊接接头相比,其延伸率提高170%以上,屈服强度和断裂韧度均降低20%左右;再经过人工时效处理,则延伸率、屈服强度和断裂韧度恢复至略高于焊态接头的水平,而固溶和时效处理对抗拉强度均没有明显影响。其中材料在425℃固溶处理7 h后,性能明显改善:屈服强度103 MPa,抗拉强度209MPa,延伸率6.4%,焊缝中心断裂韧度17.93 MPa·m。固溶处理可以提高母材的韧性,并适当降低接头焊缝中心的韧性,从而可以达到均匀化焊接接头的组织和性能的目的。