中子束研究揭示摩擦搅拌焊接提升装甲钢接头性能机制

7月30日，俄亥俄州立大学研究团队利用美国能源部橡树岭国家实验室高通量同位素反应堆(HFIR)产生的中子束，研究摩擦搅拌焊接(FSW)在装甲钢焊缝中形成的残余应力，以评估这种连接工艺对钢装甲接头强度和性能的影响。相关研究成果已发表于《材料加工技术杂志》。

研究人员表示，项目目标是开发新的装甲钢连接方法，以获得弹道和爆炸性能更好的接头，并为后续优化焊接参数提供依据。实验样品采用轧制均质装甲钢和高硬度装甲钢。传统焊接在连接高硬度钢材时，可能造成材料软化并形成薄弱区域;现有做法往往需要增加额外材料加以补强，但这会带来重量和成本增加等问题。

摩擦搅拌焊接与传统熔化焊不同。该工艺通过旋转工具与材料之间的摩擦产生热量，使钢材达到可连接状态，而不直接熔化样品。研究团队希望借助该技术减少软化区域，制造性能更稳定的装甲钢接头。

在焊接过程中，材料经历加热和冷却，会发生膨胀与收缩，焊缝周围因此可能产生残余应力。研究人员指出，残余应力与材料疲劳行为密切相关，疲劳失效通常从表面细小裂纹开始，并随时间逐步扩展，最终导致断裂。因此，准确测量焊接样品内部残余应力，是判断摩擦搅拌焊接能否替代传统焊接的重要环节。

为完成测量，团队使用了HFIR上的高强度残余应力分析衍射仪HIDRA。HFIR稳态中子束功率为85兆瓦，是美国重要的反应堆中子源。中子具有较强穿透能力，可深入材料内部获取其他技术难以获得的信息。HIDRA专用于空间映射，并针对材料残余应力测定进行了优化，可对样品内部特定三维区域进行测量。

研究团队表示，HIDRA获得的数据将用于验证相关模型。下一步，研究人员计划携带采用传统焊接技术制备的样品返回HFIR，与摩擦搅拌焊接样品进行对比，并结合后续弹道测试，进一步分析残余应力对装甲钢弹道性能的影响。