镁科研：AZ31镁合金的新型摩擦铆接方法

铆接作为历史极为悠久的机械连接方法，仍然被广泛地应用在当今的制造行业中。常见的铆钉是由钢，铜，或者铝合金等材料制造而成。在如今机械结构轻量化的大趋势下，越来越多的镁合金型材因其优异的比强度而被使用在各种机械结构中。大多数条件下，铆钉材料应该与被铆接型材材料相一致，从而保证机械结构的性能均匀以及避免不必要的电偶腐蚀。相应地，以镁合金作为铆钉的铆接技术也亟需被开发。然而镁合金在室温下的塑性较差，难以快速成型，因此以其作为铆钉的铆接过程难以实现。

最近，美国能源部西北太平洋国家实验室王天昊博士等利用旋锤铆接（RHR）技术实现了以AZ31镁合金作为铆钉的铆接过程。高速旋转的“旋锤”作用在AZ31镁合金铆钉上，压应力以及剪切应力引入了大量的压剪塑性变形，进而造成位错的快速堆积以及塑性变形带来的温度升高。同时“旋锤”与铆钉之间的摩擦也进一步使铆钉顶部温度快速升高。在上述的快速塑性变形中，镁合金铆钉中初始的等轴晶粒通过孪晶以及更为重要的动态再结晶过程来消除压剪塑性变形引入的大量位错，温度的快速升高也加速了这一过程，进而实现了镁合金的铆钉的快速塑性变形（铆接）过程。

图1. (a) AZ31铆钉的初始组织结构，(b) 旋锤铆接（RHR）技术设置示意图，(c) RHR工具照片, 以及(d) RHR过程的示意图

在RHR过程中，最为主要的参数为“旋锤”的旋转速度(Rotation rate)以及下压速度(Plunge speed)。不同的参数组合会导致不同的铆接效果，如图2所示。当旋转速度较高以及下压速度较低时，会造成铆钉过热(Hot run), 铆钉的顶部甚至会与加工头粘连。当旋转速度较低以及下压速度较高时，会造成铆钉过冷(Cold run)， 从而导致铆钉顶部裂纹。合适的旋转速度以及下压速度组成了一个可以实现铆接 (Rivetable)镁合金的参数窗口。

图2. AZ31铆钉-AZ31镁合金/CFRP板材的RHR铆接参数窗口

铆接接头的横截面的组织结构也侧面表明了RHR过程中的镁合金铆钉的组织演化过程，如图3所示。铆接接头头部(Location 1)的晶粒尺寸相较于铆钉母材晶粒更为细小，且织构更为显著。铆接接头中部(Location 2)的晶粒尺寸相较于铆钉母材晶粒没有明显区别，然而大量的孪晶变形已然发生。根据以上的实验观察，RHR过程中镁合金铆钉的组织结构演化过程被总结如下，如图4所示。第一阶段，铆钉中的等轴晶中出现大量孪晶，于此同时，初始的挤压(ED)织构也演变到孪晶织构。第二阶段，晶粒由于动态再结晶发生了细化，同时，织构也演变到铆接剪切变形(FD)诱导织构。

图3. AZ31铆钉-AZ31镁合金/CFRP板材铆接接头的组织结构

图4. AZ31镁合金铆钉在铆接过程中晶粒以及织构的演化过程

综上所述，本研究利用RHR技术实现了以镁合金作为铆钉的铆接过程。铆接过程中，大量的压剪塑性变形被引入镁合金，同时“旋锤”与铆钉之间的摩擦引起了铆钉顶部温度的快速升高，进而触发了镁合金的孪晶以及动态再结晶。本铆接技术的提出促进了以镁合金作为新型轻质铆钉材料的应用。