摩擦焊接過程中的擴散現象

摘要：摩擦焊接過程是一個包含著熱、力和冶金現象相互作用的復雜過程，具有動態、高溫和大變形的特征。在焊接過程中，伴隨和耦合著一系列的物理現象，如摩擦面的相互作用，熱量的產生和耗散，塑性變形和塑性流動、原子擴散等。材料在生產使用中的許多現象及材料的某些性能都與擴散密切相關，因此，闡述擴散宏觀定律及微觀機制，了解影響擴散的重要因素，并以此為基礎深入研究擴散行為具有理論與現實的雙重意義。摩擦焊接過程中的很多物理現象和機制很難通過目前實驗手段直接觀測和分析，而分子動力學方法具有追蹤原子位置的特性，因此采用分子動力學方法來模擬摩擦焊接過程中的原子擴散行為。

關鍵詞：摩擦焊接；擴散行為；冶金現象；擴散

中圖分類號： TG453 文獻標識碼：A 文章編號1672-3791（2015）10（b）-0000-00

在材料連接過程中，原子擴散行為是十分普遍的，但是擴散的快慢等方面是差異很大的，摩擦焊接過程是十分迅速的，在幾秒內就可以完成，而擴散焊接過程卻十分的緩慢，需要幾個小時的時間。因此，我們對摩擦焊過程和擴散焊過程中的原子擴散行為做了對比，從而研究其擴散過程的不同。

首先對摩擦焊過程中的原子擴散行為進行模擬，選用的材料為面心立方結構Ti。通過對摩擦焊過程的分析，無論是線性摩擦焊、慣性摩擦焊還是攪拌摩擦焊，在摩擦過程中，界面附近生成一層塑性流動層，在高溫下有著無序化的傾向，因此直接采用理想的面心立方、體心立方或密排六方結構來模擬頂端階段的構型是不合理的，因此，首先施加周期性振動周期為20PS，振幅為2nm的相對振動作用產生塑性流動層，如圖1所示。

a） t=0 b） t=50ps

c） t=150ps d） t=350ps

圖1 摩擦焊原子擴散分子動力學模型

在產生塑性流動層的基礎上，對模型施加一定的頂鍛壓力進行擴散。在此過程中，環境溫度設為1200K，壓力為150MPa，如圖2所示。

如圖所示，隨著擴散時間的增加，塑性層中原子擴散距離逐漸增加，擴散原子數目也隨之增加。然后我們計算了界面附近原子的均方位移曲線，計算時只考慮振動結束之后階段的原子擴散，MSD曲線如圖3所示，可見在振動之后，塑性層中的原子具有長程擴散行為。

如圖所示，塑性層中原子的均方根位移隨著擴散時間的增加逐漸增加，曲線出現一定的上下波動，表明原子除了做晶格振動之外還具有擴散行為。為了研究摩擦焊中原子的擴散行為與普通擴散焊中原子擴散行為的異同，下面構建了擴散焊過程的分子動力學模型，材料仍然是Ti，初始構型如圖4所示，溫度為1200K，兩端平均壓力為150MPa，持續600ps。通過擴散焊分子動力學模擬顯示，隨著擴散時間的增加，界面附近發生原子擴散現象，最終構型如圖4所示。

a） t=100ps b） t=200ps

c） t=400ps b） t=600ps

圖4 擴散焊過程原子擴散分子動力學模擬

如圖所示，隨著擴散時間的增加，界面附近出現了原子擴散現象，左方模型中的原子進入右方模型中，右方中的部分原子通過擴散進入左方模型之中。隨著擴散時間的增加，原子的擴散距離隨之增加；同時，發生擴散現象的原子數目也相應增加。與摩擦焊中的原子擴散相比，可以看出，普通擴散焊中原子擴散的時間雖然增加，然而原子擴散的距離以及數目均相對較小。下面對擴散焊中原子擴散焊中原子的均方根位移進行計算，然后通過與摩擦焊中原子擴散的均方根位移曲線進行比較，從而對摩擦焊中原子擴散特點進行解釋。普通擴散焊原子擴散均方根位移曲線如圖5所示。

如圖5所示，在擴散焊中，原子的均方根位移曲線隨著擴散時間的增加而緩慢增加。在100PS之前，由于左、右模型靠近時界面原子擴散劇烈，原子的均方根位移曲線上升較快，當擴散一定時間之后，原子均方根位移曲線上升緩慢，而且出現較強的波動現象，表明原子既有晶格附近的振動現象，也出現了一定程度的擴散現象。根據愛因斯坦公式，可以得出均方位移曲線的斜率與擴散系數成正比關系。摩擦焊與普通擴散焊原子均方根位移曲線斜率如圖6所示。

a） 摩擦焊 b） 擴散焊

圖6 摩擦焊以及普通擴散焊原子均方根位移曲線比較

分別計算摩擦焊與擴散焊條件下的原子均方位移曲線的斜率，得出摩擦焊條件下，曲線斜率為0.125～0.275；而在擴散焊條件下，均方根位移曲線斜率為（0.1～1.2）×10-2，即在摩擦焊中原子的擴散系數比擴散焊中原子擴散系數大1～2個數量級。

上述計算結果表明：摩擦焊中原子擴散速度遠大于普通擴散中原子的擴散速度，摩擦焊中原子發生了超擴散現象，能夠在短時間進行擴散，從而有助于界面消失以及缺陷的彌合，從而達到可靠的連接。

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