HC950/1300HS钢与AA6082-T6铝合金搓牙钻螺钉接头的梯度微观组织演变与力学性能

《Materials Science and Engineering: A》：Gradient Microstructural Evolution and Mechanical Properties of Flow Drill Screw Joints between HC950/1300HS Steel and AA6082-T6 Aluminum Alloy

　　- 流动钻螺钉（FDS）的力热耦合效应成功诱发了铝合金中深层连续动态再结晶。- 晶粒与位错的竞争导致独特的、可定制的硬度梯度。- 接头表现出优异的强度，实现了前所未有的0.36疲劳比。- 详细阐明了从挤压到微动疲劳磨损的转变过程。## 引言车辆轻量化对于延长续航里程和降低能耗至关重要[1]。由于具有高比强度，铝合金被广泛应用于汽车车身结构件。然而，多材料装配面临严峻挑战：传统的异种钢-铝材料电阻点焊（RSW）容易形成脆性金属间化合物（IMCs）[2]。相反，自冲铆接（SPR）等先进冷连接方法需要大型C型框架进行双面支撑，限制了其在空间受限的封闭空心结构中的应用[3]。因此，开发有效的单侧连接工艺是迫切需求[4]。在RIVTAC? [5]、FSBR [6]和SSFR [7]等方案中，流动钻螺钉（FDS）凭借其优异的单侧可达性、接头可靠性和经济性，成为封闭结构的主流连接方法[8]。通过摩擦热钻削与机械螺纹成形相结合，经六个阶段（预热、穿透、凸台成形、螺纹成形、啮合和拧紧）[9]，FDS实现了铝合金、高强度钢和复合材料的高效装配。近期FDS研究主要聚焦于力热耦合效应、微观组织演变和宏观力学响应。在螺钉高速旋转穿透和强烈摩擦的驱动下，局部材料经历瞬态快速加热和严重塑性变形。这种非平衡物理冶金过程将机械功转化为热能，驱动动态再结晶以及纳米级析出相的溶解和粗化[10]。这种耦合热输入和强烈变形彻底破坏了原始微观组织平衡，在螺纹周围诱发显著的梯度微观组织演变和局部软化。针对这一过程，Zhou等人[11]利用电子背散射衍射（EBSD）表征了力热耦合对接头热影响区（HAZ）的综合效应。基于温度分布和塑性变形程度，他们将热影响区细分为多个特征子区域，为基于局部力学性能退化的接头失效预测模型提供了关键的物理冶金支持。此外，Huang等人[12]关注AA6061-T6铝合金成形过程中的连续动态再结晶和强化相溶解动力学，验证了极高的摩擦热导致基体中关键强化相大量溶解。其定量分析表明，微观组织演变导致接头内软硬区域交替分布，其中中心区域因强烈再结晶和相溶解，显微硬度急剧下降至基体金属的55.8%。评估FDS接头在复杂环境下的力学响应和长期可靠性是其工程应用的核心。学者们致力于通过结构或工艺优化改善接头局部应力状态，以提升其综合力学性能。S?nstab?等人[13]、[14]量化了接头在多轴准静态载荷下的失效过程，发现其在纯剪切条件下承载能力最优。然而，随着载荷向纯拉伸转变，整体延性急剧下降，揭示了加载角度对失效模式转变的决定性影响。在具体几何结构改进方面，Costas等人[15]证明，在上板预钻孔可为材料塑性回流提供充足空间，有效避免螺钉在未穿透状态下的早期断裂，并显著提升接头准静态极限承载力和循环疲劳寿命，而不改变基本失效模式。除了外部结构干预，成形引起的内部残余应力可能导致疲劳失效。通过中子衍射无损测量，Milner等人[16]发现，挤压成形在距螺钉表面2至4毫米的核心承载区域诱发了极高的拉伸残余应力峰值。一旦与外部载荷叠加，这种拉伸应力作为破坏性预载荷，加速微裂纹的早期萌生，并从物理根源上严重降低接头长期动态疲劳性能。综上所述，虽然现有研究探讨了成形热效应和宏观力学响应，但在微观组织演变和疲劳失效机制方面仍存在显著差距。首先，以往对接头的微观组织分析多为现象学描述，缺乏在力热耦合场下的系统性理论解释和精确的定量表征。例如，利用EBSD晶粒取向分布（GOS）映射精确区分搅拌区（SZ）和热力影响区（TMAZ）等过渡区域中低应变原始晶粒与完全再结晶晶粒仍然是一个挑战。在力学性能方面，疲劳研究多聚焦于宏观S-N曲线和工艺参数，缺乏对裂纹萌生位置、扩展路径以及不同失效模式背后微观机制的深入揭示。材料方面，大多数研究关注类似的铝-铝或异种钢-铝接头，所用钢材低于780 MPa。涉及1 GPa级超高强度钢、特别是汽车B柱常用热冲压钢的FDS接头研究仍是空白，限制了该技术在先进轻量化结构中的应用。因此，本研究探讨了1 GPa级热冲压钢与铝合金之间FDS接头的微观组织演变、静态力学性能、疲劳性能和失效特征。通过揭示力热耦合下的微观组织演变规律和疲劳失效机制，本工作旨在为FDS技术在车辆轻量化中的应用提供理论基础和技术支持。## 章节摘要### 材料与方法选用1.6毫米厚的HC950/1300HS超高强度钢（UHSS）作为上板。该厚度高度代表了热冲压钢部件的实际应用，如汽车B柱和车门环。选用3.0毫米厚的AA6082-T6铝合金作为下板，主要用于要求高刚度和承载能力的结构区域，如侧围钣金和电池包框架。两者的化学成分为……### FDS接头中的微观组织和显微硬度演变尽管流动钻螺钉（FDS）工艺本质上不存在金属之间的宏观冶金结合，但螺钉的高速穿透诱发了严重的塑性材料流动和高度集中的瞬态热输入。因此，参考摩擦搅拌焊（FSW）领域广泛认可的微观组织分区标准[17]，本研究对FDS接头螺纹紧邻的局部区域进行了分区。在本研究中采用的FDS工艺中……### FDS接头的微观组织和显微硬度演变机制借鉴具有相似成形过程的摩擦搅拌焊（FSW）[44]，FDS接头不同区域的宏观硬度梯度变化和微观组织演变本质上是多种竞争的物理冶金机制的综合结果——包括连续动态再结晶（CDRX）、位错增殖与湮灭以及纳米级析出相的溶解和粗化——在……### 结论本文首次深入研究了连接1 GPa级热冲压钢和铝合金的流动钻螺钉（FDS）接头。系统评估了接头的微观组织、显微硬度、力学性能和疲劳失效特征。主要结论如下：(1) FDS过程中强烈的瞬态热输入和严重的物理剪切促进了AA6082-T6铝合金中的连续动态再结晶（CDRX）……### CRediT作者贡献声明**郑明义**：方法学、数据整理。**陈隆宝**：可视化、资源。**肖培杰**：可视化、监督、概念化。**李建宇**：写作——审阅与编辑、监督、资源。**徐世伟**：资源、项目管理。**李实龙**：监督、方法学、正式分析。**赵熊威**：写作——原稿、调查、数据整理。**王瑞**：方法学、调查、概念化### 利益冲突声明作者声明他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。### 致谢本工作由中国国家重点研发计划（编号：2022YFB4300101，2023YFB3710901）、湖南省教育厅科学研究基金（编号：24B0033）、湖南省自然科学基金（编号：2026JJ60184）以及**车身先进设计与制造国家重点实验室**基金（编号：734215242）资助。王瑞 | 赵熊威 | 李实龙 | 李建宇 | 肖培杰 | 陈隆宝 | 郑明义 | 徐世伟