摩擦焊是解决异质材料连接最具潜力的方法，在新一代飞机、火箭、舰载设备等制造中有十分重要的需求。异质摩擦焊接头工艺和冶金质量的可靠性与稳定性一直是研究者关注的重点。其中，反应组配金属间化合物的控制，固溶组配固溶厚度的控制，焊接性差的组配焊接性的获得，这些冶金学问题都是异质金属摩擦焊质量稳定性面临的挑战。这些挑战均涉及一个基础科学问题，即摩擦焊大变形过程中的界面原子扩散行为。　　本文针对典型的软/硬异质组配(Al-SUS、Al-TC4及Mg-SUS)，开展了搅拌摩擦焊工艺的设计与实验研究，讨论了软/硬异质金属组配的界面冶金结合机制与扩散行为。设计了不同相溶性的异质纯金属互扩散偶，进行了旋转摩擦焊大变形实验，探索了原子的扩散规律和微观机制，分析了扩散系数与应变速率的相互关系，构建了热力耦合超扩散和变形激活扩散的具体表征。基于有效温度，对材料在大变形热力耦合过程中非平衡组织演变规律提出新的解释。主要研究内容和结果如下：　　首先，设计切削搅拌针，进行性能差异较大的软/硬异质金属Al-SUS、Al-TC4和Mg-SUS的搅拌摩擦焊实验研究，成功驱动了界面摩擦焊大变形机制，获得了优化的焊接工艺，使接头达到与较软母材等强。通过界面形貌观测及成分分析，揭示了软/硬异质金属搅拌摩擦焊的界面结合机理，即，界面两侧金属相互穿插的机械咬合机理，以及界面存在互扩散层和非晶相的冶金结合机理。通过与平衡态热激活扩散研究比较，发现了Al-SUS、Al-TC4互溶与反应组配的搅拌摩擦焊过程中，存在界面原子的超扩散现象，其中Al-SUS接触界面Al-Fe扩散层厚度介于1~3.5μm，计算表明Al-Fe扩散速率为相同温度热激活扩散速率的104倍。在Mg-Fe(Mg-SUS组配)完全不互溶体系中也发现了原子的互扩散现象。　　其次，在发现摩擦焊大变形过程中的原子超扩散现象的基础之上，构建了类似旋转摩擦焊的摩擦焊大变形物理模拟装置，利用高速摄像、红外热成像以及自制的力学测量系统等搭建测试平台。以此模拟装置的物理模拟实验为基础，从扩散的热激活影响角度，设计以异质互扩散偶(完全互溶体系Cu-Ni，互不相溶体系Mg-Ti、Cu-Fe(摩擦焊温度下不相溶)，和反应体系Cu-Al)为研究对象进行摩擦焊大变形模拟实验，系统观测了界面微观形貌和原子扩散行为。上述扩散组配均获得了界面结合良好的接头，其中，Cu-Ni完全互溶体系与Cu-Al反应体系的界面出现了宽度较大的扩散层，该扩散层呈现颜色渐变(前者)或分层(后者)过渡的特点，体现了热激活扩散与变形激活扩散的耦合促进作用；对Mg-Ti、Cu-Fe不互溶体系，界面过渡区域不明显，但仍发现了扩散层，因其热激活扩散的作用微乎其微，这种扩散层的存在与界面结合良好的现象体现了变形激活扩散机制的贡献。分别获得了Cu-Ni、Cu-Fe和Mg-Ti组配在不同应变速率条件下的扩散系数。　　再次，通过不同应变速率ε对Cu-Ni、Cu-Fe和Mg-Ti体系热力耦合超扩散系数Ds影响规律的分析，获得了Ds与ε间的线性关系模型，即y=A+Bx，经外推可得到摩擦焊大变形过程中的热激活扩散的贡献，即公式中A部分，而Bx部分即可以认为是摩擦焊大变形过程中的变形激活扩散的贡献。基于摩擦焊大变形过程的温度场分布，分析、评价热激活扩散对热力耦合超扩散的影响，进而分析变形激活扩散系数与应变速率的关系，并在Bellon变形激活扩散系数模型的基础上，获得了热力耦合超扩散系数Ds、形激活扩散系数Db的具体表征，即：Ds(T,ε)=Dt+Db和Db=K2ε，建立了摩擦焊大变形界面原子扩散的理论模型。　　最后，对以绝对零度(环境)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)为基准的Teff表征，在此基础上获得了本研究所用Cu-Ni、Cu-Fe以及Mg-Ti在不同摩擦焊大变形??条件下的Teff具体表述。并基于有效温度循环，以及与摩擦焊大变形实际温度T相比较的分析方法，对材料在大变形热力耦合过程中非平衡组织演变规律提出了新的解释。以上研究成果，为软/硬异质金属焊接和摩擦焊冶金结合学说提供理论支撑。