AZ31镁合金搅拌摩擦焊接及退火过程中搅拌区异质性的揭示及其对力学性能的影响

为解决镁合金传统熔焊工艺存在的孔隙、热裂纹和高残余应力等问题，研究人员采用搅拌摩擦焊接(FSW)技术对AZ31(Mg-3Al-1Zn)合金进行焊接，并通过电子背散射衍射(EBSD)和显微硬度测试揭示了焊接区(SZ)在400℃退火后的微观组织与织构异质性。研究发现FSW使晶粒从19μm细化至3.5-5.1μm，退火后表面区域出现异常晶粒生长(AGG)和大量Mg17Al12析出相，导致显微硬度分布不均。该研究为优化镁合金焊接接头性能提供了重要理论依据。

　　

镁合金因其轻量化、高比强度等特性，在航空航天和生物医疗领域备受青睐，但传统熔焊导致的孔隙和残余应力问题严重制约其应用。搅拌摩擦焊接(FSW)作为固态焊接技术虽能解决这些问题，但焊接区(SZ)复杂的微观组织异质性仍是影响接头性能的关键瓶颈。

来自阿尔及利亚姆西拉大学可再生能源与材料实验室（University of M’sila, Algeria）的Hiba Azzeddine团队在《Journal of Magnesium and Alloys》发表研究，通过电子背散射衍射(EBSD)、扫描电镜(SEM)和显微硬度测试，系统分析了AZ31镁合金FSW接头在400℃退火后搅拌区的异质性演变。研究发现：FSW使晶粒从基材的19μm细化至表面区5.1μm和核心区3.5μm，表面区因工具肩部附加应变形成<0001>//ND织构，而核心区呈现典型的<0001>//WD剪切织构。退火后表面区出现异常长大的<11?20>//WD取向晶粒（尺寸达210×120μm）和纳米级Mg₁₇Al₁₂析出相，导致显微硬度分布不均匀性较FSW样品增加51%。

研究采用三项关键技术：1) 在1500rpm转速和30mm/min焊速下制备AZ31合金FSW接头；2) 通过EBSD分析表面(y=1.1mm)和核心(y=0.6mm)区域的晶界取向差(GOS)和核平均取向差(KAM)；3) 采用50gf载荷的维氏硬度仪绘制焊接截面硬度分布图。

3.1 微观组织与织构演变

FSW过程中工具肩部与针轴的协同作用导致应变分布不均：表面区因纹理诱导晶粒汇聚形成<0001>//ND织构，核心区则因剧烈塑性变形形成弱化的剪切织构。退火后核心区Σ13重位点阵(CSL)晶界比例增至40%，表面区<0001>//ND织构向WD偏转10°。

3.3 显微硬度映射

FSW样品表面区硬度(70.7HV)高于核心区(64.9HV)，退火后因Mg₁₇Al₁₂析出强化使整体硬度提升，但AGG区域出现55HV的局部软化，不均匀因子(IF)从3.3%增至5.0%。

4.2 退火后异质性机制

研究发现异常晶粒生长源于三重机制：1) Mg₁₇Al₁₂析出相钉扎抑制正常晶界迁移；2) <11?20>//WD取向晶粒的储存能梯度优势；3) 退火过程中30°<0001> CSL晶界的高迁移率。Schmid因子计算证实，退火后表面区基底滑移系激活难度降低（从0.1增至0.28），但AGG导致的织构各向异性仍可能引发变形不均匀。

该研究首次阐明AZ31合金FSW接头在高温退火时的异常晶粒生长机制，提出析出相调控与织构设计的协同优化策略，为开发高性能镁合金焊接接头提供重要理论支撑。特别是发现<11?20>//WD取向晶粒的竞争优势源于储存能各向异性，这一结论颠覆了传统晶粒尺寸优势理论，对理解镁合金再结晶动力学具有普适意义。