【摘 要】
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磁脉冲焊接技术因时间极短,无热影响区等特点,尤其适用于Al/Fe异质金属材料的连接。Al/Fe磁脉冲焊接界面中的无序扩散区域宽度仅十几纳米,目前的实验条件只能通过显微技术手段观察和分析焊接界面的最终组织结构来推测其中间过程,难以跟踪研究界面的形成过程和界面处原子扩散行为。为此,本文采用分子动力学（MD）模拟与显微观测技术相结合的方法,研究Al/Fe异质金属磁脉冲焊接过程,分析焊接过程体系的微观演变
【基金项目】
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国家自然科学基金（编号51705081）；
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磁脉冲焊接技术因时间极短,无热影响区等特点,尤其适用于Al/Fe异质金属材料的连接。Al/Fe磁脉冲焊接界面中的无序扩散区域宽度仅十几纳米,目前的实验条件只能通过显微技术手段观察和分析焊接界面的最终组织结构来推测其中间过程,难以跟踪研究界面的形成过程和界面处原子扩散行为。为此,本文采用分子动力学（MD）模拟与显微观测技术相结合的方法,研究Al/Fe异质金属磁脉冲焊接过程,分析焊接过程体系的微观演变及原子的运动状态,从原子层面揭示Al/Fe磁脉冲焊接界面形成过程及原子扩散行为规律。基于分子动力学基本原理,建立了Al/Fe磁脉冲焊接过程的MD模拟流程。采用嵌入势函数（EAM）描述Al/Fe原子间作用力,通过LAMMPS模拟计算软件和ATOMSK开源代码,建立了Al/Fe磁脉冲焊接过程的分子动力学模拟体系,研究了模型尺寸和晶粒尺寸对模拟结果的影响规律。采用Nose-Hoover温度和压力控制方法,模拟了Al/Fe局部焊接点处的瞬时磁脉冲焊接过程,研究了焊接界面纳米区域的原子扩散行为、界面晶粒变形行为规律及冷却阶段界面的凝固行为。结果表明:在力学驰豫阶段界面区域原子无明显扩散现象,晶粒旋转和晶界迁移机制使得基体侧晶粒长大;在温度驰豫阶段原子发生明显互扩散现象,且基体侧晶粒显著细化;不同冷却速率下焊接界面区域呈现出的三种典型的结合状态:结晶态、非晶态和晶体-非晶共存态。分析了冲击速度对Al/Fe磁脉冲焊接过程模拟结果的影响,其中包括对体系温度和压力、体系扩散系数和原子浓度分布的影响规律,发现不同冲击速度下界面区域原子扩散行为呈现不对称和对称两种特性,并揭示了其归因于原子扩散机制的改变:体系Al侧和Fe侧基体微观状态的改变。根据MD模拟结果对焊接界面扩散层厚度进行了预测,并通过Al/Fe焊接试样EDS线扫描获得了元素浓度分布曲线,验证了模拟结果的准确性。对三种典型结合状态的Al/Fe磁脉冲焊接界面进行了拉伸和剪切变形过程的分子动力学模拟,获得了焊接界面拉伸剪切变形过程的原子运动图像及应力应变曲线,发现断裂位置均位于Al侧基体非扩散层区域。
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