【摘 要】
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镁锂（Mg-Li）合金是目前最轻的金属结构材料之一,由于其具有密度低、比强度和刚度高、阻尼性能好、电磁屏蔽性能好等优点,在航空航天、国防军工、医疗器械和3C工业等领域拥有巨大的潜力。搅拌摩擦加工（FSP）是基于搅拌摩擦焊（FSW）而发展的一种非常有潜力的金属表面改性技术。本文的重点工作包括:利用Deform-3D软件建立了Mg-Li合金的搅拌摩擦加工三维热力耦合模型,模拟该合金的温度场和应变场,采
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镁锂（Mg-Li）合金是目前最轻的金属结构材料之一,由于其具有密度低、比强度和刚度高、阻尼性能好、电磁屏蔽性能好等优点,在航空航天、国防军工、医疗器械和3C工业等领域拥有巨大的潜力。搅拌摩擦加工（FSP）是基于搅拌摩擦焊（FSW）而发展的一种非常有潜力的金属表面改性技术。本文的重点工作包括:利用Deform-3D软件建立了Mg-Li合金的搅拌摩擦加工三维热力耦合模型,模拟该合金的温度场和应变场,采用示踪粒子法研究了搅拌头附近不同部位的金属流动规律;结合文献资料和有限元模拟结果设计了合理的工艺参数,研究了不同旋转速度和焊接速度对合金的组织和性能的影响,并且采用金相显微镜（OM）、X射线衍射技术（XRD）、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）等进行综合表征分析,探索了数值模拟-工艺-组织-性能之间的内在联系。该论文的主要工作和结果如下:（1）通过Gleeble-3500热模拟机进行了双相Mg-7.8Li-0.7Zn-0.4Sr-0.4Ca镁锂合金的高温热压缩试验,获得了不同温度（T=423 K、473 K、523 K、573 K和623K）和不同应变率(0.001s-1、0.01s-1、0.1s-1和1s-1)下的真应力-应变曲线,并结合该曲线和Deform-3D软件,通过拟合建立了合金的阿伦尼乌斯（Arrhenius）本构方程（ε=（5）A[si nh（ασ）]n exp（-Q/R T））。（2）利用Deform-3D软件建立了三维热力耦合的搅拌摩擦加工有限元模型,采用点追踪的方法直观呈现了搅拌头周围不同部位的金属流动现象,初步揭示了焊核区塑性流动规律。在水平方向上,前进侧质点的流动要比后退侧和搅拌头正前方强烈;在厚度方向上,前进侧h=4 mm处离焊缝中心比较近的点绕着搅拌针向下迁移,中间的点绕着搅拌针向上迁移,远端的点由于没有被搅拌针搅拌到没有发生迁移。（3）对不同工艺参数下焊核区中下部的细晶区进行SEM分析,并对相应的α-Mg相和β-Li相晶粒尺寸进行统计,结果显示:经过FSP之后的α-Mg相和β-Li相晶粒都得到了显著细化,且接近等轴,其中α-Mg相和β-Li相晶粒尺寸最小的为800r/min-100mm/min样品,α-Mg相平均晶粒尺寸为3.01μm,β-Li相平均晶粒尺寸为3.71μm;此外,在经过FSP之后第二相分布变得相对分散,尺寸也得到不同程度的减小。（4）对800r/min-100mm/min样品SZ细晶区进行TEM分析,TEM明场像的选区电子衍射结果显示:该样品中观察到了BCC-β-Li转变为FCC-β-Li的现象,这在此前很少有人报道;此外,HAADF-STEM结果显示晶界处有大量的纳米级第二相颗粒,相应的EDS面扫描结果显示颗粒状的纳米级第二相主要含Mg和Zn元素。（5）对母材和5组不同工艺参数下的α-Mg相和β-Li相的宏观织构进行了分析,结果显示:α-Mg相和β-Li相的织构对FSP的工艺参数是比较敏感的,在经过FSP后α-Mg相和β-Li相的织构强度都得到了明显的弱化,且β-Li相形成了一些新的织构组分。（6）最后对母材和FSP后的焊缝室温力学性能进行了研究,结果显示综合力学性能最好的是参数为800r/min-100mm/min样品,最高抗拉强度为210 MPa,相对于母材的159MPa提高了32.3%,而FSP工艺对合金塑性影响大,经过FSP后延伸率都有所降低;焊核区的显微硬度在经过FSP后都得到了明显的提高。
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