【正文】 能的影響較為復(fù)雜,一方面由于脆性相Al12Mg17的增多而降低了接頭強度,另一方面又由于晶粒的細(xì)化及鋁元素的固溶而提高了接頭強度[12]。它是利用一種特殊形式的攪拌頭邊旋轉(zhuǎn)邊前進(jìn),通過攪拌頭與工件的摩擦產(chǎn)生熱量,使該部位金屬處于熱塑性狀態(tài),并在攪拌頭的壓力下從其前端向后部塑性流動,從而使待焊件壓焊為一個整體。目前已實現(xiàn)了AZ61[20] 、AZ81A[21] 、AZ91D[22] 等鎂合金的攪拌摩擦焊接。觀察接頭組織發(fā)現(xiàn),在接頭處產(chǎn)生了一個橢圓形的攪拌區(qū)域,該區(qū)域由具有高密度的混亂微小的再結(jié)晶顆粒組成。熱影響區(qū)晶粒較粗短,逐漸向等軸晶、微細(xì)晶粒轉(zhuǎn)變。 高應(yīng)變速率形變試驗簡介 高應(yīng)變率實驗的應(yīng)變率范圍為102104s1。1963年Johnson和Davies通過爆炸驅(qū)動膨脹環(huán)研究了材料的特性。20世紀(jì)30年代，即著名的泰勒桿技術(shù)，在剛性、理想塑性材料行為和一維波傳導(dǎo)的假定下，推導(dǎo)出了計算材料應(yīng)力、應(yīng)變的公式。1914年Hopkinson[23]創(chuàng)立了壓桿技術(shù)，它是測試瞬態(tài)脈沖應(yīng)力的一種方法。它具有以下幾個優(yōu)點[25]：(1)通過這種加載裝置，所測得的應(yīng)變率范圍非常令人關(guān)注；(2)因為它避開了直接測量材料應(yīng)力和應(yīng)變的難題，而是通過測量壓桿上的彈性應(yīng)變來反推材料的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系，使測量方法簡單適用；(3)加載波形容易控制，入射波形可以任意的進(jìn)行控制，可以滿足各種實驗對小型和壓力幅度的不同要求。 高應(yīng)變率下材料的應(yīng)力應(yīng)變行為及其應(yīng)變率效應(yīng)的研究 材料的動態(tài)力學(xué)行為研究涉及到許多與靜態(tài)不同的現(xiàn)象及物理化學(xué)效應(yīng)，高應(yīng)變率加載條件下材料的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)特性和應(yīng)變速率敏感性是動態(tài)力學(xué)行為研究的中心問題之一。大多數(shù)金屬與合金的流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率增加而增加，如軟鋼、鋁、鈦等。Chichili等人[28]1056103s1應(yīng)變率范圍內(nèi)的真應(yīng)力應(yīng)變曲線。這與胡時勝等人采用SHPB對鈦合金、工業(yè)純鋁及鋁合金進(jìn)行沖擊壓縮實驗得到的結(jié)果是一致的。結(jié)果顯示動態(tài)強度與應(yīng)變率大致呈線性關(guān)系。在文獻(xiàn)[29]德報道中，應(yīng)變率由105s1到103s1變化，雖然延伸率不超過1%，但隨應(yīng)變率的增加，延伸率也是增加的。延伸率的增加表明材料的塑性增強。這說明塑性與韌性沒有必然的聯(lián)系。材料的微觀結(jié)構(gòu)主要指位錯和孿晶，它們在高應(yīng)變率下的表現(xiàn)，對材料性能產(chǎn)生重要影響。熱激活作用只有在應(yīng)變率不太高的情況下才有效。根據(jù)位錯動力學(xué)的推導(dǎo)及文獻(xiàn)[29]中表明，在高應(yīng)變率下材料強度與ε呈線性關(guān)系。動載條件下位錯組織主要取決于沖擊波參數(shù)和材料本身的性質(zhì)。隨著沖擊波壓力的提高，位錯密度增加。層錯能主要影響位錯的組態(tài)。這是此種金屬在受到強烈動載時形成的位錯組織的一個顯著特征。如果脈沖持續(xù)時間短，產(chǎn)生的亞結(jié)構(gòu)更加無序，通常在壓力超過10GPa時，多數(shù)層錯能大于50MJ/m的面心立方金屬都有形成上述組織的趨勢。已有的研究發(fā)現(xiàn)在沖擊壓力為7GPa時，密排六方金屬中位錯組織的特征7介于面心立方金屬和體心立方金屬之間，在更高的壓力作用下全屬中會發(fā)生孿晶或相變。一般來說，孿生的臨界分切應(yīng)力要比滑移的臨界分切應(yīng)力大得多，只有在滑移很難進(jìn)行的條件下晶體才進(jìn)行孿生變形。 本課題的意義及擬采用的方法 課題的意義由于鎂合金焊接在汽車上的應(yīng)用逐年增加，考慮其在碰撞時的性能變得尤為重要。而對于鎂合金性能的研究，研究機構(gòu)更多的集中在常溫靜態(tài)力學(xué)性能及高溫蠕變性能，對于動態(tài)力學(xué)性能的研究相對較少，甚至還沒有將鎂合金同汽車的高速碰撞這一現(xiàn)實問題結(jié)合起來。第2章 實驗材料及實驗方法 實驗材料及設(shè)備 實驗材料試驗材料為AZ31鎂合金板材，其化學(xué)成分如下表所示AlZnMnSiCuMg其余為Mg然后用TIG焊和摩擦攪拌焊分別焊接AZ31鎂合金板材如圖21所示。焊接時采用平板對接，對接方向沿板材擠壓方向，焊接過程采用單面填絲焊接工藝。焊接前在母材開大約60176。摩擦攪拌焊時，焊頭以每分鐘800轉(zhuǎn)的速度逆時針轉(zhuǎn)動，行駛的速度為100mm/min，焊前先用砂輪打平板材并除其表面油污，然后再用砂紙正反面打磨去除其表面氧化膜。一般來說，高應(yīng)變速率加載下材料內(nèi)部的變化過程，本質(zhì)上是基于波的傳播運動與材料本身的響應(yīng)相耦合的，而選用SHPB實驗裝置恰好能夠把試件中的波的傳播運動與材料本身的響應(yīng)進(jìn)行解耦處理，最終能夠?qū)崿F(xiàn)高應(yīng)變速率加載材料的動態(tài)力學(xué)特性（應(yīng)力應(yīng)變曲線） SHPB實驗裝置示意圖，其主要部分由加載驅(qū)動裝置、壓桿測試系統(tǒng)、信號測試與記錄系統(tǒng)組成，其中試件被夾在二壓桿之間。氣瓶為氮氣瓶；子彈的材料是高強度彈簧鋼，子彈在發(fā)射前應(yīng)用銅桿捅入槍膛底部，使氣體充分排出。桿的材質(zhì)是高強度彈簧鋼。信號測試與記錄系統(tǒng)：BF1201AA應(yīng)變片、SDY2107超動態(tài)應(yīng)變儀、Tektronix數(shù)字熒光示波器、測速儀、AL810工業(yè)調(diào)節(jié)器，熱電偶及電爐。 SHPB壓縮實驗基本原理分離式Hopkinson壓桿的工作原理如圖24所示。當(dāng)壓氣槍發(fā)射一撞擊桿（子彈），以一定熟讀撞擊輸入桿時，將產(chǎn)生一入射彈性應(yīng)力脈沖。透射波有吸收桿“捕獲”，并最后由阻尼器吸收。反射波，透射波可得到應(yīng)得的數(shù)據(jù)。SHPB實驗原理是建立在一維假定(又稱平面假定)和均勻假定兩個基本假定的基礎(chǔ)上。試驗可以測量到的是、和，利用以上關(guān)系就可以計算出試件的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及應(yīng)變速率的大小。因而，為了解決該項問題，人們選擇不斷對SHPB實驗技術(shù)加以創(chuàng)新和改進(jìn)，宋博， 等在恒應(yīng)變速率加載方面進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，最終所研究的成果使傳統(tǒng)SHPB實驗技術(shù)中所存在的應(yīng)力均勻性，及一維應(yīng)力假定等問題都得到很好的彌補作用。為了消除這一現(xiàn)象，已有多篇文章進(jìn)行加以論證和解決。影響SHPB試驗精度的主要因素如下：（1）彌散效應(yīng) 在SHPB試驗技術(shù)中，一切分析都是以一維假定作為基礎(chǔ)的。(僅與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù))的速度在壓桿中傳播。用電阻應(yīng)變片測得的應(yīng)變波形中，波峰上疊加的高頻振蕩就是波形彌散的結(jié)果。為了盡量減少彌散效應(yīng)對試驗的影響，通常由兩個辦法:第一個辦法是減小壓桿的半徑，要求半徑:與應(yīng)力脈沖寬度λ的比值γ/λ≤。第二個辦法是數(shù)據(jù)處理時盡量選用透射波以及在打擊端附上一層柔性介質(zhì)。（2）慣性效應(yīng)SHPB試驗是在沖擊載荷作下進(jìn)行的，試件的變形速率很高，因此，作用在試件上的外力做功，除轉(zhuǎn)化為試件的應(yīng)變能以外，尚有部分轉(zhuǎn)化為試件的橫向動能和縱向動能。（3）摩擦效應(yīng)在應(yīng)力脈沖作用下，界面處壓桿和試件的橫向運動不同，由此產(chǎn)生的摩擦力破壞了試件的一維應(yīng)力狀態(tài)，影響了徑向應(yīng)力應(yīng)變分布的均勻性，使測得的應(yīng)力應(yīng)變曲線高出真正的曲線。SHPB裝置雖然已經(jīng)廣泛應(yīng)用于材料高應(yīng)變率壓縮試驗，但是該裝置的應(yīng)用還處于發(fā)展階段，還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范，采用不同的SHPB裝置和不同的試樣尺寸試樣進(jìn)行試驗得到的結(jié)果可能會有較大的差別，從而影響了試驗的可重復(fù)性，使試驗結(jié)果準(zhǔn)確性受到懷疑。但理論分析顯示，不同效應(yīng)對試樣尺寸的要求是有所差別甚至是矛盾的，這就要求我們通過試驗對不同尺寸試樣結(jié)果的精度進(jìn)行評估，確定一個誤差在工程允許的尺寸范圍。實驗后，不同的試樣沿著壓縮方向的線切割觀察到的是試樣的縱截面，而垂直于壓縮方向切割的為橫截面，實驗所需觀察的金像部分即為這兩個面。為固定試樣所選擇的固化劑為環(huán)氧樹脂與聚乙胺按1：1比例配制，固化時間為24小時，鑲嵌成品如圖26所示。首先將試樣在不同等級的砂紙上磨光，當(dāng)前一道砂紙所留下的劃痕消失后，再使用下一號砂紙磨，并且使磨光方向變換90176。（砂紙為2600、1000及2000） 試樣的拋光試樣拋光是為了進(jìn)一步提高試樣表面的平整度。圖27試樣預(yù)磨機和拋光機 試樣的腐蝕腐蝕劑為10ml水、10ml乙酸（36%）、70ml乙醇、。腐蝕后，用流水清洗試樣表面。如果出現(xiàn)斷續(xù)的晶界或者觀察不出晶界則說明腐蝕太輕則應(yīng)繼續(xù)腐蝕；如果觀察到晶界但是晶界周圍有黑黑一片則說明腐蝕過了則應(yīng)該重新制備金相樣，重復(fù)上述步驟直到出現(xiàn)清晰的組織。分析試樣上晶粒的變形，了解其塑性變形方式，并分析對壓縮過程中材料微觀結(jié)構(gòu)的變化對AZ31B宏觀力學(xué)性能的影響。 第3章 實驗結(jié)果及分析 鎂合金焊接接頭動態(tài)壓縮力學(xué)性能 表31TIG焊時鎂合金焊接接頭動態(tài)壓縮的實驗條件及結(jié)果序號子彈深度（mm）壓強（Mpa）時間（106s）斷裂130否240否350否460否570否680是圖31TIG焊時鎂合金焊接接頭高速壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖31 TIG焊時鎂合金焊接接頭態(tài)壓縮的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，應(yīng)變速率分別為=950s1，=1520s1，=2170s1,=2300s1和=2451s1。在四種應(yīng)變速率下，合金屈服強度隨著應(yīng)變速率的提高而增加，表現(xiàn)出連續(xù)屈服的變形特征，并沒有出現(xiàn)明顯的屈服點。表32為摩擦攪拌焊時鎂合金焊接接頭動態(tài)壓縮的實驗條件及結(jié)果序號子彈深度（mm）壓強（Mpa）時間（106s）斷裂130否230否340否450否560是670是780是880是從表32可以看出在子彈深度為60mm時，試樣在高速沖擊下發(fā)生了斷裂。在四種應(yīng)變速率下，合金屈服強度隨著應(yīng)變速率的提高而增加，表現(xiàn)出連續(xù)屈服的變形特征，并沒有出