搅拌摩擦焊是一种新型的固相焊接技术,在铝合金、镁合金等轻金属的焊接上已得到广泛的应用。随着高温耐磨搅拌工具的出现,推动了高强钢搅拌摩擦焊的迅速发展。本文以2.4 mm厚、抗拉强度为1500 MPa马氏体高强钢为研究对象,采用传统搅拌摩擦焊、水冷搅拌摩擦焊和传统搅拌摩擦焊+焊后热处理的方式进行研究。传统搅拌摩擦焊研究了不同焊接速度对接头显微组织和力学性能的影响以及匙孔周围材料流动的趋势。由于传统搅拌摩擦焊接头仍存在较严重的热影响区软化,因此希望通过水冷和焊后热处理的方法减轻热影响区软化的影响,提高接头的力学性能。对水冷接头和焊后热处理接头的显微组织和力学性能进行研究,探究了这两种接头的强化机制。主要结论如下:在传统搅拌摩擦焊研究中,马氏体高强钢在40-120 mm/min的不同焊接速度和300 rpm的恒定转速下进行焊接,均可获得表面无明显缺陷的接头。然而在100 mm/min和120 mm/min的接头中发现了“kissing bond”。在所有的焊接条件下,最终搅拌区的显微组织为全马氏体,显示出搅拌区的峰值温度都超过了Ac3。热影响区的硬度明显下降,其显微组织从靠近母材的回火马氏体过渡到靠近搅拌区的包含硬马氏体、软铁素体和贝氏体的混合组织。当焊接速度为80 mm/min时,最高抗拉强度可达到约1058 MPa,试样在热影响区发生断裂。在水冷搅拌摩擦焊的研究中,马氏体高强钢在传统和水冷条件下,以40mm/min的焊接速度和500 rpm的转速成功地进行了搅拌摩擦焊接。对水冷和传统冷却接头的显微组织和力学性能进行比较研究。结果表明,在两种焊接条件下,搅拌区的峰值温度都超过了Ac3,并形成了马氏体组织。传统搅拌摩擦焊接头热影响区的显微组织为回火马氏体、铁素体、贝氏体和马氏体,水冷搅拌摩擦焊接头热影响区的显微组织为回火马氏体、铁素体和马氏体。热影响区的软化被大大抑制,水冷接头的极限抗拉强度明显提高,从1002 MPa提高到1235MPa,这归功于软化区宽度变窄、碳化物析出的减少和碳化物尺寸变小。在传统搅拌摩擦焊+焊后热处理实验中,搅拌工具转速为500 rpm,焊接速度为40 mm/min。分别在760℃、820℃和880℃三个温度下加热30 min,然后水冷却进行焊后热处理。对接头的显微组织和力学性能进行研究。结果表明,在760℃和820℃处理后,接头的显微组织为马氏体和铁素体。并且在820℃时,接头的铁素体含量比760℃少。在880℃时,接头的显微组织为全马氏体。在焊后热处理之后,各区域组织趋于一致性。由于焊缝减薄的影响,不同温度处理之后接头均在搅拌区发生断裂。在焊后热处理温度为880℃时,接头的最高抗拉强度为1472 MPa。