原子超扩散对异质摩擦焊接头非平衡组织结构的影响

To investigate the interfacial metallurgical bonding mechanism and the microstructure formation of the dissimilar friction welding joints, the atomic superdiffusion of heterogeneous interface during the large thermal deformation of friction welding will be studied. The concept of effective temperature will be used to reveal the nonequilibrium microstructure evolution of the dissimilar friction welding joints. Based on the physical simulation experiment of rotary friction welding, the atomic superdiffusion of the dissimilar pure metal (miscible Cu-Ni and immiscible Cu-Fe) will be studied. And the phenomenological characterization of the diffusion coefficient will be established. The coupling mechanism of the deformation activation and the heat activation diffusion will be studied to reveal the physical mechanism of superdiffusion during the friction welding process. The effective temperature model of the dissimilar friction welded joint will be constructed, and its physical mechanism used in the analysis of non-equilibrium microstructure of the friction welded joint will be studied. Finally, the effective temperature, as the main parameter, will be used to perform thermodynamic analysis of the basic law of nonequilibrium microstructure evolution of the dissimilar friction welding joint. Related results can provide theoretical support for the metallurgical theory of heterogeneous metal friction welding, and provide a new way for the analysis of microstructure evolution under friction welding.

针对异质金属摩擦焊界面冶金结合机制及接头亚稳态组织形成过程，开展摩擦焊接头大变形热力耦合过程中异质界面的原子超扩散研究，并借助有效温度的概念，揭示异质摩擦焊接头形成过程中的非平衡组织演变机理。以摩擦焊大变形物理模拟实验为基础，开展不同异质纯金属(互溶Cu-Ni和不相溶Cu-Fe)扩散偶在摩擦焊变形过程中界面原子超扩散规律研究，建立异质摩擦焊接头原子超扩散系数的唯象表征；分析变形激活扩散与热激活扩散的耦合特征，阐明摩擦焊热力耦合外场作用下原子超扩散产生的微观机制；分析变形激活扩散对非平衡组织演变过程的影响，构建摩擦焊接头体系有效温度模型，并研究其用于摩擦焊接头非平衡组织分析的物理机制；最终，以有效温度为主要参量，从热力学角度分析异质摩擦焊接头形成过程中非平衡组织演变的基本规律。研究结果可为阐明异质摩擦焊界面冶金结合机理提供理论支撑，为摩擦焊变形条件下组织演变过程分析提供新的途径。

本项目针对异质金属摩擦焊界面冶金结合机制及接头亚稳态组织形成过程，开展摩擦焊接头大变形热力耦合过程中异质界面的原子非平衡扩散研究，并借助有效温度的概念，揭示了异质摩擦焊接头形成过程中的非平衡组织演变机理。首先，构建了类似连续驱动旋转摩擦焊的摩擦大变形物理模拟装置；以模拟装置的物理模拟实验为基础，研究了Cu-Ni和Cu-Fe摩擦大变形体系的原子互扩散行为，对不同应变速率下的热力耦合超扩散系数进行估算；并对其进行分析拟合，揭示了热力耦合超扩散系数与应变速率间的唯象规律。其次，在获得不同摩擦体系热力耦合超扩散系数与应变速率间的线性关系基础之上，基于摩擦焊大变形过程的温度测试结果，分析、评价热激活扩散对热力耦合超扩散的影响，阐释了摩擦焊变形条件下原子超扩散的微观机制；并在 Bellon 变形激活扩散系数模型的基础上，建立了由变形激活扩散系数与热激活扩散系数的组合表征的热力耦合超扩散系数的解析表征，分析了Cu-Ni、Cu-Fe体系摩擦焊大变形热力耦合扩散中的热激活扩散的高速率特征。最后，构建了以室温（环境）大变形为基准的有效温度模型，在此基础上获得了本项目所用Cu-Ni和Cu-Fe在不同摩擦大变形应变速率条件下的有效温度具体表述，揭示了其替代温度用于组织非平衡演变描述的物理机制；以有效温度为主要参量，从热力学角度分析异质摩擦焊接头形成过程中非平衡组织演变的基本规律。研究结果可为阐明摩擦焊变形条件下异质界面冶金结合机理提供理论基础；可通过有效温度将变形这一力学行为纳入到热力学范畴，对异质摩擦焊接头的组织非平衡演变提出新的解释。