中锰钢摩擦搅拌焊接过程中动态再结晶行为、织构演变与强化机制的关联性研究

本研究针对中锰钢在摩擦搅拌焊接(FSW)过程中bcc α/α'与fcc γ两相的动态再结晶(DRX)差异机制难题，通过系统分析高/低层错能(SFE)相的不同DRX模式（连续DRX与不连续DRX），揭示了α/α'相通过岛状晶粒形成降低变形织构（Trans-Goss组分）并实现晶粒细化的强化路径，为多相钢焊接工艺优化提供理论支撑。

　　

在先进钢铁材料领域，中锰钢因其优异的强塑性组合成为汽车轻量化设计的明星材料。然而，这类多相钢在焊接过程中面临严峻挑战——由bcc（体心立方）结构的α/α'相与fcc（面心立方）结构的γ相组成的复相体系，在摩擦搅拌焊接(FSW)这种剧烈热机械耦合作用下，会表现出截然不同的动态再结晶(DRX)行为。这种差异直接关系到焊接接头性能的均一性，但学界对其微观机制认知仍存在空白。

为破解这一难题，国内研究人员在《Materials Characterization》发表了开创性研究。团队采用电子背散射衍射(EBSD)结合透射电镜(TEM)技术，对FSW搅拌区中心进行多尺度表征。通过分析α/α'相（高SFE）与γ相（低SFE）的DRX特征，发现前者通过连续DRX形成具有大角度晶界的岛状亚晶结构，而后者则以晶界凸起伴随有限孪生的不连续DRX为主。这种差异导致α/α'相较γ相表现出更活跃的DRX动力学，最终使搅拌区中心出现两个关键变化：变形织构（特别是Trans-Goss组分）显著弱化，同时因晶粒细化和位错密度提升产生显著硬化效应。

关键技术方法包括：1）针对FSW工艺参数优化建立热力耦合模型；2）基于EBSD的晶界取向差统计分析；3）通过TEM观察位错组态与孪晶特征；4）采用X射线衍射定量测定织构组分。

研究结果揭示：

1. α/α'相的连续DRX机制：高SFE促使位错交滑移和重组，形成由<110>//焊接方向取向的岛状新晶粒，其大角度晶界比例达78%。
2. γ相的不连续DRX特征：低SFE限制位错运动，通过局部晶界凸起形成尺寸不均的再结晶晶粒，伴随Σ3孪晶界（占比<15%）的零星分布。
3. 织构演变规律：α/α'相中强化的Rotated Cube{001}<110>组分取代原始变形织构，γ相保留部分Brass{110}<112>组分。
4. 强化贡献量化：Hall-Petch公式计算显示晶粒细化贡献约65%强度增量，位错强化贡献剩余35%。

结论部分强调，该研究首次阐明中锰钢FSW过程中多相DRX竞争的物理本质，提出通过调控SFE（如Mn配分设计）可定向优化焊接接头性能。发现的高SFE相优先再结晶现象，为开发新型焊接兼容性钢种提供理论依据。讨论指出，α/α'相中形成的特殊岛状晶粒结构可能成为未来设计高损伤容限材料的仿生模板，而γ相受限的DRX能力则提示需开发新型焊接辅助工艺（如超声振动）以改善其再结晶完整性。这些发现对推动多相钢在新能源汽车电池包等关键部件中的应用具有重要工程指导价值。