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文|蓝桉

编辑|蓝桉

摩擦stir加工(FSP)是一种固态技术，涉及使用非消耗性旋转工具，该工具由一个圆柱形肩部区域和一个直径较小的突出同心销组成。最初，销被压靠在可变形工件的表面上，使得摩擦热导致工件材料软化。随后，由于在工具销周围形成的材料柱中引起的绝热变形，产生额外的加热。由于这些热源的综合作用，软化允许工具穿透，直到肩部与工件表面接触。

实验程序

本研究中的NiAl青铜板已在前面描述过[19–22]和第I节。它们是从大型船用铸件上切下的，然后加工成300毫米长× 150毫米宽× 19毫米厚的公称尺寸。材料符合UNS95800，合金成分数据见下表。

热电偶位置、时间常数值、温度测量程序和测量重复性的详细信息也在之前的出版物中有所描述。简而言之，放置三个直径为1.6 mm的带护套接地的K型热电偶，使得热电偶尖端在板表面下6.35 mm(销长度的一半)处，位置大致对应于工具横向中心。

一个热电偶沿预定刀具路径的中心线放置，而另外两个热电偶沿预定刀具路径交错放置，并向中心线的任一侧偏移2.9 mm。这种放置是为了能够评估从前进侧(工具表面上一点的切向速度加到横向速度上)到后退侧(工具表面上一点的切向速度从横向速度中减去)的搅拌区的温度变化。

FSP之后的光学显微镜检查表明，前进侧和中心线热电偶向后退侧移动，而后退侧热电偶基本上不受影响。为此，后退侧数据用于分析与测量的搅拌区热循环相关的微观结构。

单独的单程(即在这些板之一上进行约200 mm长的FSP电泳。该板最初处于室温，FSP转速为1000转/分，最大转速为50.8毫米–1使用densitimet 176(PLANSEE-USA，Franklin，MA)工具，从工具前进方向倾斜3°。该工具在设计上与用于获得直接热电偶测量的工具相同。这里，通过从板上提起工具，在距离板末端约30 mm处终止横移。

在工具横移结束时，通过销提取位置对加工过的板进行剖切，以显示在搅拌区的中间深度处平行于板表面的平面。这在图一的示意图中有所说明。对于光学显微镜，研磨和抛光后进行两步蚀刻，首先在40毫升水-40毫升氢氧化铵-2毫升过氧化氢(30%)溶液中浸泡1至2秒，然后在水中冲洗，接着在60毫升水-30毫升磷酸-10毫升过氧化氢溶液中浸泡1至2秒。

使用NIKON EPIPHOT 200中的明场照明检查蚀刻的样品脚注1装有CCD照相机和数字图像分析系统的倒置显微镜。对于扫描电子显微镜(SEM ),样品在温度保持在0℃的含30%硝酸的硝酸-甲醇溶液中以15 V的电压电抛光5至10秒。所有SEM工作均在ZEISS NEON 40上进行脚注2场发射扫描电子显微镜(FE-SEM ),加速电压为20 kV，二次或反向散射电子成像模式。

铸态NiAl青铜主要包含粗大的初生相α和在速率≈10的*平近**衡冷却过程中形成的层状共析成分–3 s–1。后者通过共析分解反应形成β → α + 罗马数字3(NiAl)并且倾向于恢复形成β在局部峰值温度超过该合金共析范围的位置加热时相。因为随后的冷却速率约为2到3 × 101中国社会科学院–1这种FSP诱导的冷却转变产物β比铸态材料中的细得多，因此在搅拌区微观结构中容易区分。

此外，这种相关性可以与基于快速温度瞬变和陡峭应变梯度区域中微结构成分变形的局部应变估计相结合。以这种方式，可以评估镍铝青铜中多相显微组织的FSP过程中高温、应变和应变速率的协同效应。

结果

铸态NiAl青铜微观结构在图2的光学显微照片中以两种不同的放大率显示。这种微观结构是在非常缓慢的接*平近**衡的冷却过程中形成的，冷却速率约为10–3 s–1在大型船用部件的铸造过程中。NiAl青铜中发生的构造和转变的细节已经在别处给出。

符合表中UNS95800成分的材料I在大约1323K(1050°C)固化为bccβ阶段。在缓慢冷却过程中，初级αfcc终端固溶体开始在β在大约1273K(1000℃)具有widmannsttten形态。球状的二粒子开始沉淀在β在大约1203K(930 ℃)时，虽然更精细κ 希腊字母的第4个字母初级粒子开始形成α在大约860℃的冷却过程中，体积分数β随温度近似线性下降，直到共析分解反应β → α + 罗马数字3发生在1073 K至1033K(800°C至760°C)的温度范围内。

在图2中，初生的widmannsttten形态α颗粒明显表现为拉长的椭圆形外观。这些晶粒的相应长轴和短轴长度的平均值被确定为425和175μm。共析成分的层状结构细节，以及主要成分中的分散颗粒α在图2中是明显的。初级粒子中的细小分散粒子α是希腊字母的第4个字母相位，名义上是Fe3铝有一个DO3结构。

初选α晶粒嵌入共析成分中，共析成分包括α和层状κ 罗马数字3相，名义上是具有B2结构的NiAl。颗粒中较粗的球状颗粒κ 二相，名义上也是铁3Al分散在整个共析成分中。球状的二颗粒大小从1.0到10.0不等μm，仔细检查发现这些颗粒具有由Fe3铝“核心”和一个NiAl“地幔”是毗连的薄片罗马数字3NiAl阶段。这种结构如图2所示。

销拔出位置处工具前方的微观结构如图3所示。该工具在该位置从左向右移动，并且该显微照片中的视野从销提取位置(在图像的左侧)的前边缘延伸大约5 mm的距离进入基底金属(在图像的右侧)。

在工具前方约3 mm处，共晶成分开始变暗。这反映了共析逆转反应的开始α + 罗马数字3 → β由于加热到1033K(760°C)以上的温度，较暗的外观反映了这种β这是因为在停止加工和取出工具后会快速冷却。在从销拔出位置的边缘向下延伸3 mm至大约1 mm的区域中，微观结构的演变似乎由共析体的逆转所主导，并且两个主要的α和β工具的动作不会扭曲变形产品。

热影响区(HAZ)内回复反应的连续阶段（图中的位置1至33）以更高的放大倍数显示在图4中。在距离工具提取位置最远的HAZ位置(图4(a))个人罗马数字3共析成分内部的片晶似乎正在溶解到相邻的成分中α。

此外，NiAl外层的二完全溶解在共析成分的这个区域。更靠近位置3处的工具(图4(c))，铸态材料*共中**析成分的层状结构不再明显。这β在加热过程中形成，在随后的冷却过程中转化α这种成分比图4中明显的要粗一些。图形检查还表明希腊字母的第4个字母粒子也开始溶解到初级粒子中α因此局部峰值温度超过860℃

图4(d)中的二次电子图像从以下地点获得β图中的转换产品。先前通过透射电子显微镜和光学显微镜方法对NiAl青铜中FSP诱发的微观结构的研究记录了β加热后刚好在固溶线温度以上形成希腊字母的第4个字母。

在以10的速率冷却期间1 中国社会科学院–1或者更快，这些转化产物按以下顺序发展α；精炼的α+层状/颗粒状罗马数字3；贝氏体α + 罗马数字3；以及在最高冷却速率下的马氏体β’.在这里，这张高分辨率的FE-SEM图像显示了一个精致的α+层状/颗粒状罗马数字3和贝氏体α + 罗马数字3在这个位置。

图5中的视野5(b)以位置6为中心，该区域与图5下部的区域重叠。在图中较高的放大倍数下，初级细粮的发展α显而易见。这些颗粒是5到10μ的转化产物中也可以鉴定出widmanstetten形态β。此外，体积分数β转变产物似乎随着到销提取位置边缘的距离的减小而增加。

图7(a)的背散射电子图像说明了在位置4附近的TMAZ外缘开始变形。初生亚晶的形成α是由这种成分的对比变化提出的。铸态共析体的部分逆转在该成分的内部区域也是明显的，例如，在此图像的中间偏左和右上方。

图7(b)来自位置5，其中细小的等轴晶粒已经形成在初级中α。希腊字母的第4个字母粒子似乎已经完全溶解在初级粒子中α并且与图中所示的微结构一起，建议在初级阶段进行晶粒细化α通过铁和铝成分的相互作用发生希腊字母的第4个字母随着原生变形构造的演化α。

还是那句话，很好α在整个β转变产物与铸态共析成分的完全逆转一致。事实上β转化产物既包括罚款α+层状/颗粒状 罗马数字3和贝氏体α + κ 罗马数字3，如图7c的二次电子图像所示。因此，正如这里演示的那样β在通过FSP工具后快速冷却时，相变为细片状共析产物和贝氏体产物。

在这个实验中，刀具以50.8毫米/分钟的速度来回移动–1导致工具销提取位置之前的时间和距离之间的对应。因此，沿图中所示刀具横动中心线的1 mm距离3相当于经过的时间约为1.2秒，因此引脚拔出位置之前的失真是明显的(图3并在图中更详细地示出5和6)发生在这样一个经过的时间间隔内。

此外，图中的显微照片3, 5, 6以及7示出了从工具前面的基底金属到工具销工件界面的微结构成分的变形梯度，以及由此产生的应变。如果假设这些图像中的表观位移被限制在板块平面内，那么该梯度中的应变可以被近似地估计，因此变形本质上是平面应变。

NiAl青铜中搅拌区微观结构的横向视图显示，TMAZ中的位移取决于沿着搅拌区外围的位置，并且可以沿着销工具轴向上或向下发生。因此，这里的应变估计实际上是下限。

其中所有术语都是先前定义的。因此，主应变可以通过测量原色的纵横比来估计α作为刀具前方位置的函数的颗粒。这种方法是通过生成图像的蒙太奇(此处未显示)来实现的，如第二节所述。

从两个系列的蒙太奇中的每个蒙太奇中获得了大约25个纵横比的值，这两个系列的蒙太奇位于图8中提取位置之前的刀具前进轴线的任一侧的两个区域中。对这些长宽比值进行平均，然后使用方程计算相应的局部最大主应变值。

该应变作为工具前方距离的函数绘制在图8中对于每个地区。同时，体积分数α通过点计数进行测量，也在第二节中进行了讨论，得到的体积分数(1–α)绘制在图8的上部对于每个地区。在工具前方4mm以外，该体积分数值对应于铸态共析成分的体积分数。在2.5和4.0 mm之间观察到该成分的部分逆转，而只有FSP诱导的β在工具的2.5 mm内观察到转化产物。

热机械影响区中微结构共析成分的形状变化可用于评估局部应变值ε≈ 3.6、同时应变加速了正向(加热)转变，尤其是相变α+β→βα+β→β在FSP期间。这项研究通过定量显微镜方法为基于微观结构的局部搅拌区峰值温度估计提供了可信度。