重叠传递对摩擦搅拌表面处理冷加工钢的微观结构与性能的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Influence of overlap passes on the microstructure and properties of friction-stir surface processed cold-work steel

针对AISI D2冷作钢，研究双-pass摩擦搅拌加工（FSP）不同重叠率（25%、50%、75%）对微观结构、硬度、磨损及腐蚀性能的影响。结果表明：晶粒尺寸从基材的8.5μm细化至2.2μm，硬度提升至648-720 HV0.2，但重叠率超过50%时，回火区（TZ）的腐蚀电位（392.9-459.9 mV）和电流密度（10.8-13.2 μA/cm2）显著升高，磨损率增加至0.65-0.75×10^-5 mm3/N·m，主要因TZ中回火马氏体导致材料脆化及铬元素耗损。

　　在工业应用中，高硬度和良好性能的金属材料一直是研究的热点。AISI D2冷作钢因其出色的耐磨性、耐腐蚀性和尺寸稳定性，被广泛应用于冲压模具、剪切刀片等高要求的工件。这种钢的优异性能主要源于其较高的碳（1.5 wt.%）和铬（12 wt.%）含量，这些元素促进了大量铬碳化物的形成，并均匀分布在基体中，从而增强了材料的硬度、耐磨性和抗微变形能力。然而，在极端负载和摩擦应力下，这些材料仍可能面临早期磨损、裂纹甚至断裂的问题，导致维护成本上升和系统可靠性下降。因此，研究人员持续探索通过微结构细化和表面改性等手段进一步提升AISI D2的性能。

摩擦搅拌处理（Friction Stir Processing, FSP）作为一种固态表面改性技术，已被广泛用于改善金属材料的表面性能。FSP通过塑性变形和热循环作用，促使材料发生动态再结晶和机械破碎，从而实现微结构的细化。然而，对于AISI D2冷作钢的多道次FSP处理，其对大面积改性效果和性能的影响仍不明确。本文旨在研究不同重叠率（25%、50%和75%）的双道次FSP处理对AISI D2材料的微结构、硬度、耐磨性和耐腐蚀性的影响，并将其与单道次FSP处理的材料进行对比分析。

在实验过程中，采用了一种W-Re工具，具有肩部和锥形探针，以进行FSP处理。工具的肩部直径为15 mm，倾斜角度为3°，确保了处理过程中材料的良好流动。处理参数包括600 rpm的旋转速度和100 mm/min的进给速度，这些参数在先前研究中已被证明是最优选择。此外，施加了约25.5 kN的轴向载荷，以确保足够的热输入和材料流动，从而避免缺陷的产生。通过双道次FSP处理，材料的处理深度和均匀性得到了显著提升，尤其是在重叠率为75%的情况下，处理深度更为均匀，达到了更优的改性效果。

在微结构方面，FSP处理显著改变了AISI D2的组织形态。对于原始退火态（AR D2）材料，其基体主要由铁素体（α）和大量铬碳化物（(Cr,Fe)₇C₃）组成，平均晶粒尺寸约为8.5 μm。经过FSP处理后，特别是在双道次FSP的搅拌区（SZ1）中，晶粒尺寸显著减小，从8.5 μm降至2.2 μm。这是由于动态再结晶（DRX）和碳化物对晶粒生长的钉扎效应共同作用的结果。在第二道次FSP的回火区（TZ）中，晶粒尺寸略有增加，约为2.5 μm，这主要归因于热循环和回火效应的影响。

此外，FSP处理后，材料的晶粒取向分布（GOS）和晶界特征（HAGBs）发生了显著变化。在原始基体（BM）中，HAGBs占比高达94.6%，表明其具有高度的再结晶特征。而在搅拌区（SZ1）和回火区（TZ）中，HAGBs的比例分别降至54.9%和51.8%，说明这两个区域的再结晶程度较低，但晶粒取向的分布更加均匀。这些变化反映了FSP处理过程中材料经历了复杂的塑性变形和热循环，导致晶粒结构的重新排列和微结构的细化。

为了进一步评估材料的性能，本文对FSP处理后的材料进行了硬度测试。结果表明，经过FSP处理后，材料的硬度显著提高。在单道次FSP处理的搅拌区（SZ）中，硬度达到了500 HV_0.2，而在双道次FSP处理的回火区（TZ）中，硬度进一步提升至648?720 HV_0.2。这一现象主要归因于部分保留奥氏体（γ）向马氏体（α’）的转变，以及更高的位错密度。然而，值得注意的是，随着重叠率的增加，回火区的硬度变化趋势并不完全一致，这可能与不同区域的热输入和处理条件有关。

在耐磨性方面，FSP处理后的材料表现出更优异的性能。然而，双道次FSP处理的回火区（TZ）的耐磨性显著下降，其磨损率从0.25×10^-5 mm³/N·m增加到0.65–0.75×10^-5 mm³/N·m。这一现象与回火效应密切相关，回火导致了部分马氏体的转变，使其变得更脆，从而降低了耐磨性。此外，回火区的保留奥氏体含量减少，进一步削弱了材料的抗磨能力。在SEM图像中，可以看到回火区的磨损表面出现了更严重的磨损痕迹和局部剥落现象，表明其耐磨性不如单道次FSP处理的搅拌区。

耐腐蚀性方面，FSP处理后的材料表现出更优异的性能，尤其是在单道次FSP处理的搅拌区（SZ）中，其耐腐蚀性显著提高。通过电化学测试，如极化曲线（PD）和电化学阻抗谱（EIS），发现单道次FSP处理的材料具有更高的腐蚀电位（E_corr）和更低的腐蚀电流密度（I_corr），表明其形成了更稳定的钝化膜。然而，双道次FSP处理的材料在耐腐蚀性方面表现较差，其腐蚀电位下降，腐蚀电流密度上升，这主要归因于回火区（TZ）的形成。回火区由于多次热循环，导致铬元素的局部耗尽，形成了更多的活性位点，从而降低了材料的耐腐蚀能力。此外，回火区的晶粒尺寸增加，晶界数量减少，进一步加剧了局部腐蚀的风险。

综合来看，FSP处理能够显著提升AISI D2冷作钢的机械性能和耐腐蚀性，但其效果受到处理参数和重叠率的影响。重叠率的增加虽然有助于提高材料的硬度，但也会导致回火区的形成，从而降低耐磨性和耐腐蚀性。因此，在实际应用中，需要根据具体的性能需求来选择合适的处理参数和重叠率。本文的研究结果为FSP处理在工程合金中的应用提供了重要的参考，也为进一步优化材料性能提供了理论依据。