摩擦焊大变形体系热、力耦合机制及组织非平衡演变的热力学研究

针对摩擦焊大变形体系内组织非平衡演变的热力学分析，本研究拟开展以下三方面工作：第一，通过构建摩擦焊大变形物理模拟装置，并利用非线性非平衡态热力学中的最大熵产生原理，研究摩擦焊大变形体系内摩擦、塑性流变以及热传递等多个物理行为的耦合规律，确定温度与应变场表征；第二，在此基础上，通过互不相溶纯金属组配的等径角挤方法，研究变形激活扩散的规律与表征；通过扩散焊手段，确立热激活扩散的具体表征。进而，基于两类扩散行为的研究和受驱体系理论，建立大变形定态条件下体系热力学状态函数（有效温度）的具体表征；第三，采用有效温度热循环与温度热循环相比较的研究方法，建立有效温度替代温度描述摩擦焊大变形组织非平衡演变的应用准则，通过有效温度将变形对组织的影响纳入到热力学范畴。最终，实现"以有效温度为主要参量，继承传统热、动力学和材料学中的相关理论，建立描述摩擦焊过程组织非平衡演变的热力学方法"的研究目标。

本项目针对摩擦焊大变形体系在强烈热、力耦合条件下，焊接接头非线性非平衡演变特征，首先，利用高速摄像、红外热成像以及自制的力学测量系统等，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。其次，以模拟装置的物理模拟实验为基础，从傅里叶定律、粘塑性金属本构以及连续性流体流动方程等动力学理论出发，在不假设粘塑性区温度场方程类型的情况下，建立了摩擦焊大变形热、力耦合场的解析模型，获得了粘塑性区宽度、粘塑性区温度、应力、应变速率分布以及大变形产热（焊接）功率的解析表征。并以粘塑性区平均温度为指标，对比分析此解析模型计算结果与10种不同合金摩擦焊大变形实验数据，结果表明两者吻合良好。第三，基于非线性非平衡定态的最大熵产生理论，从热力学角度建立了摩擦焊大变形体系的热、力耦合解析模型。结合此热力学模型及上述动力学模型与实验结果比较，发现前者尽管在定性上可以接受，但所得粘塑性区宽度和温度仍然偏大（30~60%），即此模型需进一步修正，以获得更为可靠的最大熵产生模型。第四，利用摩擦大变形物理模拟装置系统，研究了Mg-Ti、Cu-Ni、Cu-Fe以及Al-Cu四种组配摩擦大变形体系的原子互扩散机制，对前三种体系互扩散层厚度B与应变速率间的关系进行了分析，揭示了热、力耦合超扩散系数Ds与应变速率间的线性关系。并在Bellon变形激活扩散系数模型的基础上，建立了由Ds与热激活扩散系数Dt的线性组合表征Db的数学式，及通过对在不同应变速率下进行摩擦大变形实验所得Ds进行线性拟合，获得了Mg-Ti、Cu-Ni以及Cu-Fe三体系摩擦大变形的Dt表征。第五，对以绝对零度（环境）大变形为基准的Lund有效温度Teff表征进行了实用性改进，构建了以室温（环境）大变形为基准的Teff表征，在此基础上获得了本项目所用Mg-Ti、Cu-Ni以及Cu-Fe在不同摩擦大变形应变速率情况下的Teff具体表述。最终，基于本项目所建立的对大变形体系温度的解析表征（热、力耦合场动力学解析模型的一部分），热、力耦合超扩散系数Ds与热激活扩散系数Dt的线性关系和相应的实验测量方法，有效温度Teff实用性表征，以及Teff与摩擦大变形材料熔点Tm的比较分析方法，建立了基于Teff描述摩擦焊大变形组织非平衡演变的热力学方法。