多道次搅拌摩擦加工的alpb合金组织性能的研究【字数：12116】
摘 要鉴于铝合金作为现代工程领域和高新技术领域发展中的关键材料，亟待进一步提高铝合金的力学性能以满足应用需求。搅拌摩擦加工作为一种新型的固相加工技术，可使材料产生大量塑性变形，以实现材料微观组织的细化、均匀化和致密化。本文采用预加工凹槽的1060铝板和铅粉进搅拌摩擦加工实验，加工方向分别平行和垂直于凹槽长度方向，对加工试样不同截面进行了组织观察、拉伸实验和显微硬度实验。研究结果表明，搅拌摩擦加工后，垂直于凹槽方向加工相较于平行于凹槽方向加工，显微组织中铅颗粒偏聚程度较小、裂纹较少，屈服强度和断后伸长率较高，加工区显微硬度差别较小，加工的均匀性更好。
目 录
1、绪论1
1.1铝合金应用与发展1
1.2搅拌摩擦加工应用与发展1
1.3铝基复合材料搅拌摩擦加工研究现状4
1.4本文主要研究内容及研究意义5
2、实验材料和实验方法7
2.1实验材料7
2.1实验方法7
2.2.1搅拌摩擦加工实验7
2.2.2显微组织观察8
2.2.3拉伸实验9
2.2.4显微硬度实验9
3、不同搅拌摩擦加工方式下的组织研究11
3.1平行于凹槽方向试样组织分析11
3.3垂直于凹槽方向试样组织分析12
3.4本章小结15
4、不同搅拌摩擦加工方式下的力学性能研究16
4.1加工方式对拉伸性能的影响16
4.3加工方式对显微硬度的影响18
4.4本章小结22
5、结论23
参考文献24
致 谢26
1、绪论
1.1铝合金应用与发展
纯铝的密度小，相比于铁，密度仅为其三分之一，由于铝是面心立方结构，又具有很好的塑性，且熔点低，易于加工，可制备成各种型材、板材，由于表面致密氧化膜的存在，其抗腐蚀性能好。
但是纯铝的强度低，所以不能够作为结构材料以利用。经长期研究，人们通过加入合金元素并运用热处理等方法得到了一系列的铝合金。铝合金相比于纯铝强度有了很大的提升，但仍然保持了纯铝轻质的特点。这使得比强度比许多 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
传统合金更好，并且已经成为理想的结构材料。它广泛应用于机械制造，动力机械，运输机械和航空工业。飞机的机身等部分也由采用铝合金制成，以减轻自身重量。铝合金由于其优异的综合性能，对推动结构轻量化产生了很大的作用，从而获得了全球航空业界的青睐。铝合金现已广泛应用于生活、军事、科技等方面。
但是铝合金的强度较低，可切削性不好限制了其更广泛地运用。因为铝合金的层错能较高，通过传统的热处理技术很难使其组织细化[1],所以研究者们不断努力寻找新的方法来提高铝的性能。近些年来，通过在铝基体中添加增强颗粒，铝基复合材料受增强颗粒影响，在加工过程中晶粒的得显著细化，这有助于提高复合材料的拉伸强度、显微硬度及疲劳强度等机械性能。制备得到的铝基复合材料保留了铝合金良好的韧性、易成形性等优点，又具备了颗粒的高强、高模等特点，是近些年来应用最广的一类金属基复合材料[2]。
目前，制备金属基复合材料的方法主要有铸造、渗透法以及超声波法、粉末冶金法等。但由于采用这些方法在材料制备过程中温度较高，颗粒与金属基体容易发生不良的界面反应，从而影响界面结合效果，降低复合材料的性能[4]。
1.2搅拌摩擦加工应用与发展
搅拌摩擦加工（FSP）作为一种新型固相加工技术，是在1991年英国焊接研究所发明的固相焊接技术—搅拌摩擦焊接（FSW）的基础上发展起来的。FSW工作原理如图11，将一个耐高温硬质材料制成的 一定形状的搅拌针旋转深入到两被焊接材料边缘处，搅拌头高速旋转，在两焊件连接边缘产生大量摩擦热，从而在连接处产生金属塑性软化，该塑性软化区在搅拌头的作用下受到搅拌、挤压，并随着搅拌头的旋转沿焊缝向后流动，形成塑性金属流，并在搅拌头离开后的冷却过程中，受到挤压而形成固相焊接接头[3]。
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图11搅拌摩擦焊示意图
FSP本质是利用加工过程中剧烈的塑性变形和大量的摩擦热来细化晶粒并使组织均匀化[3]。其原理与FSW基本相同，都是利用高热硬度的搅拌头在高速旋转过程中，轴肩和搅拌针会与材料之间产生摩擦进而产生的大量摩擦热，使得搅拌加工区的温度升高，金属发生软化，受到搅拌针的机械搅拌作用和顶锻作用，软化过后的金属便能够产生塑性流动，搅拌头沿着加工的方向运动，完成整个FSP过程。FSP过程中，搅拌区的材料受到搅拌针的搅拌作用，产生严重的塑性变形、动态再结晶，又由于固态加工的特性，避免了传统方法带来的晶粒长大等问题，进而使得加工区金属实现微观组织的细化和结构的均匀化，从而改善了材料的性能。
FSP相比于传统加工方法具有以下一系列优点：无有害气体及噪音，避免环境污染；加工速度快，有利于实际生产过程中的高产设计；加工参数灵活可调，适用范围广，通过调整参数可选择表面加工范围、厚度及调控加工区域组织；不需要额外的设备进行加热，能效高；处理步骤较少，操作简便；固相加工，避免了基体材料在熔融态下加工带来的晶粒长大等问题，对基体材料影响小；加工过程中保持了工件形状及尺寸[1]。 且具备塑性变形大、应变率高等特点，可获得表面平整、没有宏观缺陷的材料。从发明至今，研究人员们已经成功将 FSP 用于铸造金属微观组织细化、材料表面改性、超塑性材料的制备以及各种复合材料的制备。
根据目前国内外学者的研究结果，可将基于FSP技术的表面改性研究分为不添加增强相和添加增强相两种方法。不添加增强相是仅利用FSP过程中材料产生的塑性变形以及再结晶，使晶粒发生细化，在基体表面上形成均匀细化的组织结构，以提高其表面硬度、耐磨性以及耐蚀性。添加增强相则是利用FSP过程中材料产生的塑性流动，向基体的表面引入性能稳定的增强颗粒，制得表面金属基复合材料，实现表面的复合化，以提高材料的[5]。相比于不添加增强相法，添加增强相法中的增强颗粒作为第二相，能够钉扎晶界，阻碍晶界迁移，对晶粒长大起抑制作用，进一步细化了晶粒，所以一般添加增强相法对材料性能的提升更为显著。
其中，添加增强相的FSP工艺又可以分为间接法和直接法。间接法是在FSP之前，有一个将增强颗粒与基体粉末混合，并加工成块状生坯的过程，在此之后再对生坯进行FSP ，使其组织均匀化、结构致密化。直接法如图12，只要将增强颗粒通过打孔或开槽的方式预置在金属基体内，就可进行FSP，通过工具的搅拌作用来促使增强颗粒均匀地分布在基体中，从而制备出高致密度的金属复合材料。相比于间接法，直接法制备的复合材料的基体与增强相之间无金属间化合物生成，界面干净无污染，且流程短。
目 录
1、绪论1
1.1铝合金应用与发展1
1.2搅拌摩擦加工应用与发展1
1.3铝基复合材料搅拌摩擦加工研究现状4
1.4本文主要研究内容及研究意义5
2、实验材料和实验方法7
2.1实验材料7
2.1实验方法7
2.2.1搅拌摩擦加工实验7
2.2.2显微组织观察8
2.2.3拉伸实验9
2.2.4显微硬度实验9
3、不同搅拌摩擦加工方式下的组织研究11
3.1平行于凹槽方向试样组织分析11
3.3垂直于凹槽方向试样组织分析12
3.4本章小结15
4、不同搅拌摩擦加工方式下的力学性能研究16
4.1加工方式对拉伸性能的影响16
4.3加工方式对显微硬度的影响18
4.4本章小结22
5、结论23
参考文献24
致 谢26
1、绪论
1.1铝合金应用与发展
纯铝的密度小，相比于铁，密度仅为其三分之一，由于铝是面心立方结构，又具有很好的塑性，且熔点低，易于加工，可制备成各种型材、板材，由于表面致密氧化膜的存在，其抗腐蚀性能好。
但是纯铝的强度低，所以不能够作为结构材料以利用。经长期研究，人们通过加入合金元素并运用热处理等方法得到了一系列的铝合金。铝合金相比于纯铝强度有了很大的提升，但仍然保持了纯铝轻质的特点。这使得比强度比许多 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
传统合金更好，并且已经成为理想的结构材料。它广泛应用于机械制造，动力机械，运输机械和航空工业。飞机的机身等部分也由采用铝合金制成，以减轻自身重量。铝合金由于其优异的综合性能，对推动结构轻量化产生了很大的作用，从而获得了全球航空业界的青睐。铝合金现已广泛应用于生活、军事、科技等方面。
但是铝合金的强度较低，可切削性不好限制了其更广泛地运用。因为铝合金的层错能较高，通过传统的热处理技术很难使其组织细化[1],所以研究者们不断努力寻找新的方法来提高铝的性能。近些年来，通过在铝基体中添加增强颗粒，铝基复合材料受增强颗粒影响，在加工过程中晶粒的得显著细化，这有助于提高复合材料的拉伸强度、显微硬度及疲劳强度等机械性能。制备得到的铝基复合材料保留了铝合金良好的韧性、易成形性等优点，又具备了颗粒的高强、高模等特点，是近些年来应用最广的一类金属基复合材料[2]。
目前，制备金属基复合材料的方法主要有铸造、渗透法以及超声波法、粉末冶金法等。但由于采用这些方法在材料制备过程中温度较高，颗粒与金属基体容易发生不良的界面反应，从而影响界面结合效果，降低复合材料的性能[4]。
1.2搅拌摩擦加工应用与发展
搅拌摩擦加工（FSP）作为一种新型固相加工技术，是在1991年英国焊接研究所发明的固相焊接技术—搅拌摩擦焊接（FSW）的基础上发展起来的。FSW工作原理如图11，将一个耐高温硬质材料制成的 一定形状的搅拌针旋转深入到两被焊接材料边缘处，搅拌头高速旋转，在两焊件连接边缘产生大量摩擦热，从而在连接处产生金属塑性软化，该塑性软化区在搅拌头的作用下受到搅拌、挤压，并随着搅拌头的旋转沿焊缝向后流动，形成塑性金属流，并在搅拌头离开后的冷却过程中，受到挤压而形成固相焊接接头[3]。
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图11搅拌摩擦焊示意图
FSP本质是利用加工过程中剧烈的塑性变形和大量的摩擦热来细化晶粒并使组织均匀化[3]。其原理与FSW基本相同，都是利用高热硬度的搅拌头在高速旋转过程中，轴肩和搅拌针会与材料之间产生摩擦进而产生的大量摩擦热，使得搅拌加工区的温度升高，金属发生软化，受到搅拌针的机械搅拌作用和顶锻作用，软化过后的金属便能够产生塑性流动，搅拌头沿着加工的方向运动，完成整个FSP过程。FSP过程中，搅拌区的材料受到搅拌针的搅拌作用，产生严重的塑性变形、动态再结晶，又由于固态加工的特性，避免了传统方法带来的晶粒长大等问题，进而使得加工区金属实现微观组织的细化和结构的均匀化，从而改善了材料的性能。
FSP相比于传统加工方法具有以下一系列优点：无有害气体及噪音，避免环境污染；加工速度快，有利于实际生产过程中的高产设计；加工参数灵活可调，适用范围广，通过调整参数可选择表面加工范围、厚度及调控加工区域组织；不需要额外的设备进行加热，能效高；处理步骤较少，操作简便；固相加工，避免了基体材料在熔融态下加工带来的晶粒长大等问题，对基体材料影响小；加工过程中保持了工件形状及尺寸[1]。 且具备塑性变形大、应变率高等特点，可获得表面平整、没有宏观缺陷的材料。从发明至今，研究人员们已经成功将 FSP 用于铸造金属微观组织细化、材料表面改性、超塑性材料的制备以及各种复合材料的制备。
根据目前国内外学者的研究结果，可将基于FSP技术的表面改性研究分为不添加增强相和添加增强相两种方法。不添加增强相是仅利用FSP过程中材料产生的塑性变形以及再结晶，使晶粒发生细化，在基体表面上形成均匀细化的组织结构，以提高其表面硬度、耐磨性以及耐蚀性。添加增强相则是利用FSP过程中材料产生的塑性流动，向基体的表面引入性能稳定的增强颗粒，制得表面金属基复合材料，实现表面的复合化，以提高材料的[5]。相比于不添加增强相法，添加增强相法中的增强颗粒作为第二相，能够钉扎晶界，阻碍晶界迁移，对晶粒长大起抑制作用，进一步细化了晶粒，所以一般添加增强相法对材料性能的提升更为显著。
其中，添加增强相的FSP工艺又可以分为间接法和直接法。间接法是在FSP之前，有一个将增强颗粒与基体粉末混合，并加工成块状生坯的过程，在此之后再对生坯进行FSP ，使其组织均匀化、结构致密化。直接法如图12，只要将增强颗粒通过打孔或开槽的方式预置在金属基体内，就可进行FSP，通过工具的搅拌作用来促使增强颗粒均匀地分布在基体中，从而制备出高致密度的金属复合材料。相比于间接法，直接法制备的复合材料的基体与增强相之间无金属间化合物生成，界面干净无污染，且流程短。
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