赵凯等：搅拌摩擦加工F钢的组织性能 ·1577· 属经历高温、大应变和高应变速率，发生动态再结晶， 晶晶粒的长大，因而得到细小的晶粒，随着加工深度的 同时在加工后迅速采用干冰乙醇强制冷却，大量聚集 增加，应变及应变速率降低，材料发生塑性变形的剧烈 在材料内的塑性变形热和摩擦热被带走，抑制了再结 程度降低，晶粒细化效果有所下降.71网 (b) 表面细品层 50m 50m 图2母材()和搅拌摩擦加工后F钢(b)的显微组织 Fig.2 Optical microstructures of base metal (a)and FSPed IF steel (b) 研究表明，热加工变形时，晶粒发生动态再结晶过 式中：「和L为动态再结晶的有效半径和有效深度，其 程与变形温度和应变速率有密切关系，因此可用 值分别等于轴肩半径和加工深度的0.78倍；k2为与材 Zener-Holloman参数对再结晶晶粒尺寸d进行预 料和搅拌头形状有关的常数.本文中k2=0.14,0= 测-2： 950rmin-l,r.=5.46mm,L.=1.40mm,可计算得g= In d=a-bln Z, (1) 169.98s Z=eeOlkr (2) 由式(2)可计算出lnZ=40.45.根据模型(3)可 式中，为应变速率，Q为晶格扩散热激活能（对F钢 得加工区的晶粒尺寸为d=5.88μm. 而言，Q=336 kJ*mol),R为气体常数，T为加工区绝 图3为搅拌摩擦加工试样加工区表层的透射电镜 对温度，a和b为常数. 照片.该表层的平均晶粒尺寸为2μm,部分晶粒尺寸 Dehghani等☒用上述关系成功地描述了IF钢搅 小于1um.晶粒尺寸的这种差异可能是由于搅拌摩擦 拌摩擦加工过程中加工区金属动态再结晶晶粒尺寸与 加工过程中局部的搅拌破碎不均匀以及冷却时局部冷 温度及应变速率的关系，其中加工速度为63mm· 却速率的差异造成的.由此可见，搅拌摩擦加工后，整 min,转速不超过1600rmin时所建立的Z参数与 个加工区的平均晶粒尺寸为5~10um,这与上述预测 晶粒尺寸的数学模型为： 结果基本一致. nd=235.7-5.78lnZ (3) 搅拌摩擦加工过程中加工区的绝对温度T与w/ v相关四： (4) 式中，T为材料的熔点，ω和v分别为旋转速度和加工 速度，a和k为常数 根据Dehghani和Chabok的研究结果，加工速 度固定在63mm·min,转速为800r·min和1250 rmin时，加工区温度分别为868℃和880℃，利用式 2 um (4)可计算出在本文的加工参数下，加工区温度为 图3搅拌摩擦加工后F钢表层区域的透射电镜照片 871℃. Fig.3 Upper surface TEM image of the SZ of the FSPed IF steel 搅拌摩擦加工时应变速率可根据加工参数、动 态再结晶的有效半径和有效深度计算4-： 2.3力学性能 8=品要 图4为搅拌摩擦加工后F钢加工区横截面的显 (5) 微硬度分布图.从图4(a)中可以看出，母材的平均硬赵 凯等: 搅拌摩擦加工 IF 钢的组织性能 属经历高温、大应变和高应变速率，发生动态再结晶， 同时在加工后迅速采用干冰乙醇强制冷却，大量聚集 在材料内的塑性变形热和摩擦热被带走，抑制了再结 晶晶粒的长大，因而得到细小的晶粒，随着加工深度的 增加，应变及应变速率降低，材料发生塑性变形的剧烈 程度降低，晶粒细化效果有所下降［8，17，19］． 图 2 母材( a) 和搅拌摩擦加工后 IF 钢( b) 的显微组织 Fig． 2 Optical microstructures of base metal ( a) and FSPed IF steel ( b) 研究表明，热加工变形时，晶粒发生动态再结晶过 程与变 形 温 度 和 应 变 速 率 有 密 切 关 系，因 此 可 用 Zener--Holloman 参 数 对 再 结 晶 晶 粒 尺 寸 d 进 行 预 测［20--25］: ln d = a － bln Z， ( 1) Z = ε · ·eQ/ＲT ． ( 2) 式中，ε · 为应变速率，Q 为晶格扩散热激活能( 对 IF 钢 而言，Q = 336 kJ·mol － 1 ) ，Ｒ 为气体常数，T 为加工区绝 对温度，a 和 b 为常数． Dehghani 等［23］用上述关系成功地描述了 IF 钢搅 拌摩擦加工过程中加工区金属动态再结晶晶粒尺寸与 温度 及 应 变 速 率 的 关 系，其中加工速度为 63 mm· min － 1，转速不超过 1600 r·min － 1时所建立的 Z 参数与 晶粒尺寸的数学模型为: ln d = 235. 7 － 5. 78ln Z． ( 3) 搅拌摩擦加工过程中加工区的绝对温度 T 与 ω2 / ν 相关［20］: T Tm = k1 ( ω2 2. 362v × 104 ) α ． ( 4) 式中，Tm为材料的熔点，ω 和 v 分别为旋转速度和加工 速度，α 和 k1为常数． 根据 Dehghani 和 Chabok 的研究结果［23］，加工速 度固定在 63 mm·min － 1，转速为 800 r·min － 1 和 1250 r·min － 1时，加工区温度分别为 868 ℃和 880 ℃，利用式 ( 4) 可计算出在本文的加工参数下，加 工 区 温 度 为 871 ℃ ． 搅拌摩擦加工时应变速率 ε · 可根据加工参数、动 态再结晶的有效半径和有效深度计算［24--25］: ε · = k2 πωre Le ． ( 5) 式中: re和 Le为动态再结晶的有效半径和有效深度，其 值分别等于轴肩半径和加工深度的 0. 78 倍; k2为与材 料和搅拌头形状有关的常数． 本文中 k2 = 0. 14，ω = 950 r·min － 1，re = 5. 46 mm，Le = 1. 40 mm，可计算得 ε · = 169. 98 s － 1 ． 由式( 2) 可计算出 lnZ = 40. 45． 根据模型( 3) 可 得加工区的晶粒尺寸为 d = 5. 88 μm． 图 3 为搅拌摩擦加工试样加工区表层的透射电镜 照片． 该表层的平均晶粒尺寸为 2 μm，部分晶粒尺寸 小于 1 μm． 晶粒尺寸的这种差异可能是由于搅拌摩擦 加工过程中局部的搅拌破碎不均匀以及冷却时局部冷 却速率的差异造成的． 由此可见，搅拌摩擦加工后，整 个加工区的平均晶粒尺寸为 5 ～ 10 μm，这与上述预测 结果基本一致． 图 3 搅拌摩擦加工后 IF 钢表层区域的透射电镜照片 Fig． 3 Upper surface TEM image of the SZ of the FSPed IF steel 2. 3 力学性能 图 4 为搅拌摩擦加工后 IF 钢加工区横截面的显 微硬度分布图． 从图 4( a) 中可以看出，母材的平均硬 · 7751 ·