金属材料的搅拌摩擦焊接与加工基础研究中国科学院金属研究所文档格式.docx

1、重要科学发现、科学价值如下：（1）突破材料流动不可见难题，精确再现流动行为，建立了可靠的焊核区典型特征微观结构定量预测方法。圆满解释了铝合金焊核区微观结构和硬度的不均匀性及“第二相偏析带”和“S线”的起因（Acta Mater, 2009, SCI引用38次）。多国学者以此模型研究接头微观不均匀性及其对性能影响，研究成果为高速列车铝合金车体制造提供了指导。（2）阐明影响沉淀强化铝合金FSW接头性能的关键因素。首次建立高精度的非线性瞬态三维温度场模型，结合硬度分布与微观结构特征建立了热源区-等温溶解层模型。指出高温停留时间决定沉淀相的溶解/粗化程度，阐明焊速控制接头拉伸强度的本质原因（Scrip

2、ta Mater, 2007, SCI引用100次）。该结果被广泛引证，并用于指导重大装备制造。（3）建立了不改变铸件尺寸和形状的“FSP（+ 时效）”革新工艺。铸件组织显著细化、均匀化和致密化，力学、耐蚀等性能明显提高。同时阐明了FSP过程中元素快速扩散机理，对于非均质金属材料改性和原位反应合成具有普遍指导意义。一篇论文（Scripta Mater, 2007, SCI引用114次）被评为2007年“中国百篇最具影响国际学术论文”，应邀为Scripta Mater撰写Viewpoint论文（2008，SCI引用91次）。（4）以FSP实现了纳米铝基复合材料的可控制备，实现了碳纳米管的低损伤高

3、效分散，充分体现其强化作用并量化了各强化机制贡献（Carbon, 2013, SCI引用22次），并在国内首次批量应用，被推荐为973计划项目重大研究成果。利用FSP激活原位反应，制备出原位Al2O3和Al3Ti纳米粒子增强铝复合材料（Acta Mater, 2012, SCI引用28次），阐明其形成为变形辅助的界面反应和溶解-析出机制。这些结果推动了纳米复合材料设计与制备理论的发展。（5）针对异种金属物化特性差异巨大所导致的焊接难题，建立了自主知识产权的异种金属FSW工艺（获2项发明专利），实现了Al-Cu（Mater Sci Eng A, 2011, SCI引用73次）、Al-非晶合金的高

4、质量连接，阐明了界面结构与接头性能的内在作用机制。研究结果为企业解决了Al-Cu厚板焊接的技术难题。（6）利用FSP制备出理想的超细晶模型材料，揭示了超细晶材料的本征力学行为特征，澄清了疲劳及超塑性机制，并构建了新的超塑性本构方程（Acta Mater，2010，SCI引用49次）。应邀为Metall Mater Trans A撰写了FSP的综述论文（2008, SCI引用274次）。三、客观评价本研究在依托的国家863、973计划、国家自然科学基金等项目验收中获得好评，并在中科院“百人计划”、国家杰出青年基金验收时获评优秀。主要研究内容取得多项“创新性较为突出”的成果。其中FSP制备铝基复合

5、材料被评为“成功的探索”，铸造铝合金FSP“得到应用”，并“可望在工件修复方面得到应用”。FSP制备纳米复合材料的研究成果被国家973计划项目“碳纳米管的可控制备方法及规模应用关键技术研究”推荐为项目的重大研究成果；材料流动的研究成果获得中车集团长春轨道客车公司的高度评价并用于指导生产。项目组自2004年在国内开展FSW/FSP基础研究，短时间内使我国 “在国际上开始有了一定的发言权”。近年来马宗义在国际会议上做邀请报告十余次，尤其是2014年在第十届国际FSW会议上应邀做仅有的四个大会报告之一，提高了我国的学术地位。在中国搅拌摩擦焊中心成立10周年之际，马宗义获“搅拌摩擦焊技术应用突出贡献奖

6、”。 于2016年发起并主办了“第一届全国搅拌摩擦焊接与加工学术会议”，获得完满成功。邀为Mater Sci Eng R、Metall Mater Trans A、Scripta Mater等国际著名期刊撰写了综述论文。马宗义执笔发表在Mater Sci Eng R上的长篇特邀综述“Friction stir welding and processing”获得国际同行高度评价：“An excellent state-of-the-art review of FSW technology （Weld J 2006; 85: 28-35）”，是该期刊排名第二的热点论文，在2004-2008年“中国

7、热点论文榜”工程领域排名第7。另外发表在Scripta Mater上的一篇文章还获“中国百篇最具影响国际学术论文”与“Top Cited”奖。2004年-2014年期间，相关研究结果共发表相关SCI论文128篇，据Web of Science统计在该领域国际排名第一，SCI他引4437次，其中8篇代表性论文被SCI他引624次，本项目的重要科学发现和相关技术成果被国际同行在公开发表的论文及专著中广泛引证和评述，代表性评价如下：1国际同行发表论文的代表性评价代表论文1被SCI他引91次，本领域著名学者、FSP创始人R.S. Mishra教授在其与通用汽车公司的合作研究中，将我们的工作列为镁合金F

8、SP典型代表。代表性引用评述如下：“Presently, research on FSP of magnesium alloy （summarized in Table 1） 7-15”（J Mater Sci 2015; 50: 3212）。代表论文2、5被SCI论文他引69次，R.S. Mishra教授采用我们的理论分析他们的实验结果：“In another study on UFG AA5083 produced by FSP,. fine grain regime of 1-10 m rather than in the UFG regime.” （Mater Sci Eng A 20

9、10; 527: 5246）。代表论文3被SCI他引90次，所提出的热源区-等温溶解层模型被绝大多数学者所证实，其中，我们的研究结果为意大利马尔可理工大学M. Carbibbo博士与葡萄牙科英布拉大学A. Loureiro教授的研究提供了方向性指导：“Ren et al. 19 and Feng et al. 20 reported that .” （Mater Design 2016; 93: 146）。代表论文4被SCI他引72次，Al/Cu异种金属FSW中提出的界面化合物薄层决定性能的观点受到国内外学者的高度评价，典型评价如下：“Xue et al. also reported the

10、effect of tool .” （Metall Mater Trans A 2012; 43: 5096）；“ Xue et al. （2011） concluded that sound .”; “Xue et al. （2011） investigated that the stacking layered .”; “Low welding temperature may also lead . （Xue et al., 2011）.” （J Mater Process Technol 2015; 223: 48）。代表论文6、7被SCI他引46次，国内外众多学者借鉴我们的结果解释碳纳

11、米管损伤与强化机制以及机械激活作用等若干科学问题。著名学者香港城市大学S.C. Tjong教授在Mater Sci Eng R（2013，74：281）撰写的碳纳米管/石墨烯金属基复合材料长篇综述大篇幅正面引用了上述工作，评价如下： “Liu et al. fabricated MWNT/AA2009 composites .”; “Liu et al. employed friction stir processing to fabricate MWNT/ AA2009 .” （Mater Sci Eng R, 2013; 74: 281）。2出版专著的代表性评价R.S. Mishra教授、

12、P.S. De教授和N. Kumar教授共同出版了专著Friction Stir Welding and Processing Science and Engineering （ Springer Int. Publishing, 2014），其中在铸件FSP改性（59-60页）、镁合金FSW接头断裂行为（177-179）、FSP超细晶铝合金力学行为（264-265，291页）等相关章节多次引用了我们的研究结果，以体现FSP作为塑性加工手段在铸件改性、超塑成形方面的优势。R.S. Mishra教授还主编出版了搅拌摩擦焊接与加工系列丛书（Friction Stir Welding and Pro

13、cessing Book Series），对过去20年来本领域的重要研究成果进行了汇总与评述，现已出版5本英文系列专著。鉴于我们在FSP细晶组织超塑性研究方面积累的大量成果和同行的广泛好评，马宗义应邀执笔撰写了系列专著：Friction Stir Superplasticity for Unitized Structures, Zongyi Ma, Rajiv S. Mishra, Butterworth-Heinemann, Elsevier Inc. 2014。关于铸件FSP的专著（S. Jana, R.S. Mishra, G.J. Grant, Friction Stir Castin

14、g Modification for Enhanced Structural Efficiency, Butterworth-Heinemann, Elsevier Inc. 2016）中主要以我们的研究结果作为经典案例介绍了铸件FSP过程的微观组织演变与力学行为特征，有11幅图、10个表格引自我们（全书65幅图、20个表格），充分肯定了我们在本研究方向所做出的突出贡献（7-12，24-26，29-43页）。关于异种合金的FSW专著（Nilesh Kumar, Wei Yuan, Rajiv S. Mishra, Friction Stir Welding of Dissimilar Allo

15、ys and Materials, Butterworth- Heinemann, Elsevier Inc. 2015）大篇幅引用了我们异种金属FSW的相关研究结果，主要以我们的研究（4幅图，本节共7幅结果图）为例介绍了Al-Cu异种金属FSW的相关内容（85-91页）。四、代表性论文专著目录序号论文专著名称/刊名/作者影响因子年卷页码（xx年xx卷xx页）发表时间年月 日通讯作者第一作者国内作者SCI他引次数他引总次数知识产权是否归国内所有1Enhanced mechanical properties of Mg-Al-Zn cast alloy via friction stir pro

16、cessing/Scripta Mater. A.H. Feng, Z.Y. Ma3.22456, 5 （2007） 397-4002007.3.1马宗义冯艾寒冯艾寒，马宗义9199是2The origin of non-uniform microstructure and its effects on the mechanical properties of a friction stir processed Al-Mg alloy/Acta Mater./ G.R. Cui, Z.Y. Ma, S.X. Li,4.46557, 19 （2009） 5718-57292009.11.1崔国荣

17、崔国荣，马宗义，李守新33373Effect of welding parameters on tensile properties and fracture behavior of friction stir welded Al-Mg-Si alloy/ Scripta Mater. /S.R. Ren, Z.Y. Ma, L.Q. Chen56, 1 （2007） 69-722007.1.1任淑荣任淑荣，马宗义，陈礼清90934Effect of friction stir welding parameters on the microstructure and mechanical pr

18、operties of the dissimilar Al-Cu joints/Mater. Sci. Eng. A/P. Xue, D.R. Ni, D. Wang, B.L. Xiao, Z.Y. Ma2.567528, 13-14 （2011） 4683-46892011.5.24薛鹏薛鹏，倪丁瑞，王东，肖伯律，马宗义72765Superplastic deformation mechanism of an ultrafine-grained aluminum alloy produced by friction stir processing/Acta Mater./Z.Y. Ma,

19、F.C. Liu, R.S. Mishra58, 14 （2010） 4693-47042010.8.1马宗义，刘峰超36406Reactive mechanism and mechanical properties of in situ composites fabricated from an Al-TiO2 system by friction stir processing/Acta Mater./Q. Zhang, B.L. Xiao, W.G. Wang, Z.Y. Ma60, 20 （2012） 7090-70132012.12.1张琪张琪，肖伯律，王文广，马宗义27297Dev

20、eloping high-performance aluminum matrix composites with directionally aligned carbon nanotubes by combining friction stir processing and subsequent rolling /Carbon/Z.Y. Liu, B.L Xiao, W.G. Wang, Z.Y. Ma6.19662 （2013） 35-422013.10.1刘振宇刘振宇，肖伯律，王文广，马宗义19228Friction stir processing technology: a review

21、/Metall. Mater. Trans. A /Z.Y. Ma1.73039A, 3 （2008） 642-6582008.3.1256283合 计624679五、主要完成人情况表姓 名排 名第一行政职务无技术职称研究员工作单位中国科学院金属研究所完成单位对本项目主要学术贡献：负责项目的总体设计和运行。在各项科学发现中做出创造性贡献：量化了FSW/FSP工艺与特异性组织关系，由此阐明铝合金接头变形与断裂行为；阐明影响沉淀强化铝合金FSW接头性能的关键工艺参数及作用机制；建立了铸造合金FSP强化改性新工艺；取得异种材料的高强度FSW；突破纳米复合材料可控制备的瓶颈；实现超细晶材料制备，获得优

22、异力学性能与超塑性变形能力。是所有代表性论文的通讯作者，第5篇文章的第一作者，第8篇文章的唯一作者。倪丁瑞第二副研究员参与了项目的总体运行以及主体实验工作。利用FSP对晶粒细化与共晶相固溶作用，大幅提升了铸造高铝镁合金的拉伸性能和疲劳性能，并阐明颗粒细化与固溶强化延缓疲劳裂纹形核的主要原因；利用FSP的致密化作用消除了镍铝青铜的铸造缺陷，显著提升了合金的耐腐蚀性；通过偏置工具实现铝、铜异种合金在FSW时的均匀流变，突破了铝铜异种金属连接。是第4篇代表性文章的作者。肖伯律第三利用FSP的剧烈塑性变形作用，建立了碳纳米管高效、低损伤分散技术，突破以往碳纳米管在铝基体难分散、损伤严重的瓶颈，由此充分

23、体现了碳纳米管的强化作用；发现FSP的加速扩散作用对原位反应体系有机械激活作用，在低温与剧烈流变条件下制备出原位纳米粒子增强超细晶铝基复合材料，具有高强韧性，由此开发出纳米复合材料可控制备技术。参与了第三、第五和第六项科学发现的实验工作。是第6和第7篇代表性文章的作者。王东第四系统探索了不同接头形式铝、铜异种金属的焊接的工艺，开展了铝铜异种金属连接技术的应用；首次开展了非晶合金与金属的FSW，通过优化工艺参数，实现了两者的高强度连接，发现非晶仍保持未晶化状态，建立了非晶合金与金属的连接新方法。参与了第一、二项科学发现的实验工作。第五澄清了影响铝-铜异种金属FSW接头性能的关键因素，精确表征了界

24、面微观特征，建立了提高异种金属接头性能的界面层微观结构调控技术；利用FSP成功制备出超细晶材料，超细晶纯铜的强韧性远超粗晶铜和传统超细晶铜，且在高周疲劳变形时组织非常稳定，阐明了超细晶材料高周疲劳损伤机制为挤出，而非传统的大尺度剪切带和晶粒粗化观点。参与了第一、第五和第六项科学发现的实验工作。是第4篇代表性论文的第一作者。六、完成人合作关系说明1、 第一完成人，马宗义，研究员于2004年入选中科院“百人计划”回国工作，在金属研究所建立搅拌摩擦焊接与加工创新研究组，是团队的创始人与带头人。2005年获国家杰出青年科学基金资助，2016年享受政府特殊津贴。2、 第二完成人，倪丁瑞，副研究员2007

25、年7月博士毕业于哈尔滨工业大学，随后进入金属研究所搅拌摩擦焊接与加工研究团队，任助理研究员，是该团队引入的首名博士毕业生， 2011年晋升为副研究员，并获硕士生导师资格。3、 第三完成人，肖伯律，研究员2007年12月作为金属研究所引进优秀青年学者加入搅拌摩擦焊接与加工研究团队，任高级工程师，2009年晋升为研究员，2015年获博士生导师资格。4、 第四完成人，王东，副研究员2006年7月硕士毕业于北京科技大学，随后进入金属研究所搅拌摩擦焊接与加工研究团队，任研究实习员。2008年任助理研究员。2014年获中国科学技术大学博士学位，导师马宗义研究员，同年晋升为副研究员，获硕士生导师资格。5、

26、第五完成人，薛鹏，副研究员2006年7月本科毕业于北京科技大学，随后进入金属研究所搅拌摩擦焊接与加工研究团队，硕博连读，导师为马宗义研究员与肖伯律研究员。2012年获博士学位，并留所工作，2015年晋升为副研究员。七、知情同意证明本人冯艾寒，现居住于上海，为同济大学副教授。于2006-2008年在中国科学院金属研究所博士后流动站，从事搅拌摩擦焊接与加工研究，合作导师为马宗义研究员。本人任淑荣，现居住于上海市，为泛亚汽车技术中心有限公司工程师。于2004-2007年在中国科学院金属研究所攻读硕士学位，从事搅拌摩擦焊接研究，导师为马宗义研究员。本人张琪，现居住于北京市，为中国铝业公司铝加工事业部高级工程师/业务经理。于2009-2013年在中国科学院金属研究所攻读博士学位，从事金属基复合材料与搅拌摩擦加工研究，导师为马宗义研究员。本人崔国荣，现居住于威海市，为哈尔滨工业大学（威海）讲师。于2003-2010年在中国科学院金属研究所硕、博连读，从事搅拌摩擦焊接与加工研究，导师为李守新研究员、马宗义研究员。本人刘振宇，