搅拌摩擦焊(FSW)是一种非常有发展前景的同种及异种镁合金接头焊接技术。研究表明镁合金FSW接头的力学行能与其显微组织密切相关。通常镁合金基体再结晶组织及特殊织构的形成可以显著提高FSW接头的耐蚀性。焊接接头的疲劳性能也与晶粒尺寸、孪晶体积分数等微观组织，以及焊接接头的宏微观织构有关。通过添加稀土元素，可以弱化焊接接头织构，进而改善其力学性能。ZK60合金是商业化最好的变形镁合金之一，具有高强度、高塑性和低成本的特点。但是，对其FSW接头显微组织和力学性能的研究尚不多见，目前尚不清楚稀土元素Ce的添加对其显微组织和力学性能的影响。

最近，巴西瓦列斯联邦大学的Erenilton Pereira da Silva及其同事利用电子背散射衍射（EBSD）技术对比研究了铸态ZK60和ZK60-1.5RE合金的FSW接头的微观组织特征，通过硬度和拉伸测试、表面残余应力分析，系统研究了焊接接头的力学性能，并深入分析了显微组织的形成机理及其与力学性能的相关性，研究结果对于制定及优化镁合金FSW工艺参数具有重要意义。

系统分析了ZK60和ZK60-1.5RE合金在FSW各个区域的显微组织特征，如图1所示。ZK60和ZK60-1.5RE母材的平均晶粒尺寸分别为250 μm和150 μm，搅拌区再结晶晶粒的平均尺寸分别为3.3 μm和4.3 μm，可见FSW对镁合金组织的细化作用是非常显著的。与ZK60相比，ZK60-1.5RE合金焊接时的峰值温度持续时间更长，再结晶晶粒形核速率更高，在塑性变形过程具有更高程度的动态恢复，这是其再结晶晶粒尺寸略大的主要原因。在后退侧热机械影响区（TMAZ）的再结晶晶粒尺寸与变形晶粒尺寸差异较大，与在搅拌区的再结晶晶粒尺寸相当。在两种合金搅拌区测量的几何必须位错（GNDs）数值接近。搅拌区各向异性材料的形成主要与搅拌过程剪切引起的强烈塑性变形有关。

图1 EBSD分析ZK60和ZK60-1.5RE的整体、再结晶和变形晶粒的平均属性：(a)几何必须位错密度；(b)晶粒尺寸；(c)(0001)极图强度

比较分析了ZK60和ZK60-1.5RE合金的室温拉伸性能，如图2所示。ZK60和ZK60-1.5RE焊接材料的屈服应力分别为153 MPa和115 MPa，延伸率分别为4.5%和2%。研究表明，与铸态ZK60-1.5RE合金相比，铸态ZK60合金中溶质含量增加，金属间化合物含量较少，因此其力学强度和塑性均高于前者。但是ZK60焊件断裂在焊接接头，而ZK60-1.5RE在母材断裂，说明FSW提高了ZK60-1.5RE铸件的力学性能。ZK60-1.5RE合金在焊缝区域的低应变局部化特征(图2c)解释了FSW组织延性和强度的提高。

图2 焊接接头的拉伸试验：(a)工程应力-应变曲线; 断裂前最后采集的图像分析相关图：(b) ZK60；(c) ZK60-1.5RE 黑色虚线三角形指出焊接时搅拌针的位置

本研究还详细分析了FSW接头在后退侧热机械影响区（TMAZ）的局部显微组织特征，如图3所示。晶粒内相对取向差转轴分析（图3b）表明，在变形区域观察到明显的晶粒内部取向旋转或分散，暗示该区域的温度不足以促进位错快速重排，形成位错胞。在靠近母材的TMAZ区域中，由于温度更低，观察到较多的孪晶、较低的再结晶晶粒分数和较大的晶粒内相对取向差。靠近搅拌区方向，随着焊接温度的升高，低角度晶界逐渐增加，并且非连续或静态再结晶作用增强，形成部分再结晶显微组织。

图 3 ZK60合金热机械影响区：(a-d) RS;(e-f) AS (a) IPF，其中MP线取向差显示在(d) (b,c) a图所示区域的晶粒参考取向差轴图和平均取向差偏差图(e)IPF，其中黑色箭头MP1和蓝色箭头MP3上的取向差显示在(f)中 红色方框突出显示的区域对应(f)中的插图

综上所述，本论文系统研究了铸态ZK60和ZK60-1.5RE合金FSW接头的显微组织特征，揭示了稀土元素对焊接接头的显微组织和力学性能的影响及其微观机理，分析了焊接过程的再结晶行为，以及对显微组织演化的作用。该研究加深了对镁合金FSW接头显微组织和力学性能的认识，为优化镁合金焊接工艺参数提供了一定的理论指导。

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