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搅拌摩擦加工(Friction Stir Processing, FSP)是一种新型的剧烈塑性变形技术(Severe Plastic Deformation, SPD),已经成功应用于铝、镁等轻合金的加工。该技术在制取细晶材料方面与其他SPD技术相比,具有加工流程短,前处理简单,能耗低等优点,是一种“绿色加工工艺”。FSP加工过程中材料的显微组织发生了明显的转变,许多学者对该转变过程进行了研究,但研究结果仍未达成统一认识,因此研究FSP加工过程中显微组织的演变机理及其材料的力学行为特点具有重要意义。本文研究了4mm厚AZ31镁合金板材搅拌摩擦加工工艺。在旋转速度为500-1500rpm,加工速度为60-500mm/min的加工条件下,均能得到了表面平整,无明显宏观缺陷的加工材料。整个加工区域分为搅拌区,机械热影响区,热影响区和母材区。搅拌区为均匀细小的再结晶等轴晶,其平均晶粒尺寸随着主轴转速的增加或加工速度的降低而增大。研究了主轴转速"ω" (rpm)和加工速度"v" (mm/min)对搅拌区晶粒尺寸的影响。探索了晶粒尺寸与Zener Hollomon参数“Z”之间的关系,发现在“Z”值较低时,晶粒尺寸随着“Z”值的增大而减小,而当“Z”值较大时,随着“Z”值增大,晶粒尺寸变化不明显。经过搅拌摩擦加工的AZ31镁合金材料在ND面形成较强的(0002)面基面织构,随着加工参数的不同,基面织构与合金的ND方向呈现不同程度的偏转。对搅拌摩擦加工细晶AZ31镁合金材料在673K温度条件下进行1h退火处理。转速较低(500-900rpm)时加工的材料退火后出现晶粒异常长大现象,转速较高(1100rpm以上)时加工的材料显微组织显示了较好的晶粒尺寸稳定性。对旋转速度为1500rpm,加工速度为60mm/min条件下获得的样品在573-723K温度范围内进行1小时退火,平均晶粒尺寸仅从-14μm长大到-19.6gmm。搅拌摩擦加工获得的AZ31细晶镁合金材料显微硬度均高于母材及其他区域,硬度值与晶粒尺寸的关系符合Hall-Petch关系。抗拉强度均低于母材,但大部分试样的断裂延伸率比母材高。加工参数为1500-60的试样在573-723K,应变速率为5×10-4s-1-1×10-2s-1的实验条件下试样均能获得良好的超塑性,在应变速率为5×10-4S-1和温度为723K的条件下获得最高断裂延伸率1050%。超塑性变形过程中同时存在动态再结晶和动态晶粒长大两种组织转变机制,晶界滑移在高温超塑性变形过程中起到重要的协调作用。晶粒长大和空洞的连接是造成超塑性试样断裂的主要原因。初步探讨了AZ31镁合金水下搅拌摩擦加工性能。在加工速度为60mm/min的条件下,主轴转速达到800rpm后才能在水下成功获得表面平整无宏观缺陷的FSP焊缝。在同样的加工参数条件下,水下加工的试样其搅拌区显微组织更为细小。初步分析了水下加工对细晶材料力学性能的影响,并对进一步的研究进行了展望。