AZ31B鎂合金超聲滾壓表層力學(xué)性能的納米壓痕測試

楊恒 高紅紅 朱元鵬 霍瑾翔

摘要：超聲滾壓可以使鎂合金表面納米化，從而影響表層的力學(xué)性能。研究多道次超聲滾壓AZ31B鎂合金表層力學(xué)性能，可以為鎂合金超聲滾壓仿真分析提供依據(jù)。本文通過車削和多道次超聲滾壓對AZ31B鎂合金棒進(jìn)行表面處理，采用白光干涉ZeGageTM Plus光學(xué)輪廓儀對車削和超聲滾壓后試樣的表面形貌進(jìn)行觀測，通過納米壓痕儀測定試樣表層的納米硬度和彈性模量，并獲得載荷-位移曲線。結(jié)果表明，經(jīng)3道次超聲滾壓加工后，AZ31B鎂合金表面粗糙度由車削后的0.568um降低至0.192um，下降了66.2%;相同的加載方式下，越接近超聲滾壓表面，納米壓痕深度越淺;在距離表面300μm深度內(nèi)，納米硬度得到明顯提升，且越接近超聲滾壓表面，納米硬度越大;在距離表面200μm深度內(nèi)，彈性模量明顯增大，說明3道次超聲滾壓對AZ31B鎂合金表層納米力學(xué)性能的顯著影響層深度達(dá)到200μm。多道次超聲滾壓提高了材料表層的納米硬度和彈性模量，起到了表面強(qiáng)化的作用。

Abstract： The mechanical properties of the surface are affected by the surface nanocrystallization of magnesium alloy by ultrasonic rolling. Investigation mechanical properties of AZ31B magnesium alloy by multi-pass ultrasonic rolling will provide a basis for ultrasonic rolling simulation and analysis of magnesium alloy. In this paper， AZ31B magnesium alloy bars were processed by turning and multi-pass ultrasonic rolling.The surface morphology of the specimens after turning and ultrasonic rolling was observed using a white light interferometer ZeGageTM Plus optical profilometer. The hardness and elastic modulus of surface layer were measured by nano-indentation test， and the load-displacement curve was obtained. The results show that the surface roughness of AZ31B magnesium alloy decreases from 0.568um to 0.192um after three passes ultrasonic rolling， which decreases by 66.2%.Under the same loading mode， the nano-indentation depth decreases with the decreasing distance to the surface. The nano-hardness of the surface layer increases obviously within 300μm from the surface， and it increases with the decreasing distance to the surface. The elastic modulus of the surface layer obviously increases within 200μm from the surface. It is indicated that the significant effect layer of three-pass ultrasonic rolling on the nano-mechanical properties of AZ31B surface reaches 200μm. Multi-pass ultrasonic rolling improves the nano-hardness and elastic modulus of the surface layer， and plays a role of surface strengthening.

關(guān)鍵詞：超聲滾壓;AZ31B;納米壓痕;表面形貌;力學(xué)性能

Key words： ultrasonic rolling;AZ31B;nano-indentation;surface morphology;mechanical property

中圖分類號：TG306 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0057-03

0 ?引言

鎂合金由于密度低，比強(qiáng)度、比剛度高，廣泛應(yīng)用在汽車領(lǐng)域[1]，其應(yīng)用大幅度減輕了汽車的質(zhì)量，減少了燃油消耗量，促進(jìn)了汽車發(fā)動機(jī)輕量化發(fā)展。但是，鎂合金的標(biāo)準(zhǔn)電位極負(fù)，在空氣中很容易被腐蝕，生成的氧化膜疏松多孔，導(dǎo)致表層力學(xué)性能下降，極大地限制了其應(yīng)用和發(fā)展[2]。此外，鎂合金在使用過程中發(fā)生的疲勞、腐蝕和摩擦磨損大多是從表層開始，逐漸向基體延伸擴(kuò)展，最終整體損壞失效，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失或引發(fā)事故[3]。因此，提高鎂合金的表面質(zhì)量和力學(xué)性能對于延長其服役壽命有著重要意義。

表面納米化技術(shù)能夠在材料表面制備出一定厚度的納米層，將納米晶體材料的優(yōu)異性能與傳統(tǒng)工程金屬材料相結(jié)合，改善材料的表面性能[4]。超聲表面滾壓加工（USRP）作為一種新興的超聲輔助表面納米化技術(shù)，可以在降低材料表面粗糙度的同時，細(xì)化表層顯微組織，提高表層力學(xué)性能[5]。

王婷利用超聲表面滾壓技術(shù)對40Cr軸進(jìn)行處理，相較于傳統(tǒng)的磨光工藝，USRP后的試樣表面粗糙度由0.18μm降低至0.05μm，表面顯微硬度較原始試樣提高63%，試樣表層形成了厚度約為200μm的流變組織，最小晶粒尺寸可達(dá)3-7nm[6]。劉宇等對超聲表面滾壓加工后40Cr力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，不同滾壓遍數(shù)后40Cr表層彈性模量和納米硬度的最大值均位于表面，加工3遍后的表面彈性模量和納米硬度相較于基體分別提高了3.46%和33.18%;加工6遍后的表面彈性模量和納米硬度相較于基體分別提高了7.1%和43.17%。最大殘余壓應(yīng)力值出現(xiàn)在表面，3遍和6遍USRP處理后的表面殘余壓應(yīng)力值分別為976MPa和1169MPa[7]。蔣書祥等對7050鋁合金進(jìn)行超聲滾壓加工時發(fā)現(xiàn)，USRP后鋁合金表面微觀形貌明顯改善，當(dāng)滾壓次數(shù)為4次時，表面微觀形貌最均勻;隨著滾壓次數(shù)增加，表面粗糙度先減小后增大，最大降幅達(dá)73%。鋁合金表面硬度值、殘余壓應(yīng)力隨滾壓次數(shù)的增大而增大，且硬度最大提高了43%，表面殘余壓應(yīng)力值最大為242.9MPa[8]。

現(xiàn)有針對Mg合金USRP的研究主要集中在工藝參數(shù)對表面宏觀形貌和力學(xué)性能的影響，表層納米力學(xué)性能的研究相對較少，特別是多道次USRP表層納米力學(xué)性能的變化規(guī)律和影響層深度還有待深入研究。因此，本文通過USRP對擠壓態(tài)AZ31B鎂合金棒進(jìn)行表面強(qiáng)化，采用白光干涉ZeGageTM Plus光學(xué)輪廓儀觀測車削和超聲滾壓后試樣的表面形貌，通過納米壓痕試驗研究超聲滾壓后AZ31B表層的納米力學(xué)性能，為后續(xù)的鎂合金超聲滾壓變形仿真提供材料性能參數(shù)。

1 ?實驗材料與方法

1.1 實驗材料

選用直徑15mm、長50mm的擠壓態(tài)AZ31B鎂合金棒料作為實驗材料。加工參數(shù)為：切削速度45m/min，進(jìn)給速率0.05mm/r，切削深度1mm，將AZ31B鎂合金棒的直徑車削到？準(zhǔn)10mm。

1.2 超聲滾壓處理

對車削后AZ31B鎂合金棒的外圓柱面進(jìn)行超聲滾壓表面強(qiáng)化。加工參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速600r/min，靜壓力0.1MPa，進(jìn)給速率0.03mm/r，超聲振幅7μm，滾壓次數(shù)3次，整個滾壓過程采用酒精進(jìn)行冷卻。

1.3 納米壓痕實驗

從滾壓后的工件上截取兩個長度為10mm的圓柱試樣，一個進(jìn)行表面形貌測量，另一個將其外圓柱面封膠，如圖1所示，依次采用400#、800#、1000#、1500#、2000#、3000#水磨砂紙對試樣端面進(jìn)行打磨，接著采用W2.5、W1.5、W1、W0.5粒度的多晶金剛石拋光膏在金相拋光機(jī)上對試樣進(jìn)行拋光。為了研究超聲滾壓AZ31B鎂合金表層的力學(xué)性能變化規(guī)律，在試樣端面沿直徑方向距離表面10μm、100μm、200m、300μm、700μm（基體）的5個點進(jìn)行納米壓痕測試，如圖2所示。

本實驗采用美國Bruker-Hysitron公司的TI980型納米壓痕儀，其載荷分辨率為1nN，位移傳感器的分辨率為10nm，壓頭為Berkovich金剛石壓頭。通過壓頭給樣品表面施加最大10mN的載荷，加載和卸載速率均設(shè)為2mN/s。納米壓痕測試是一種先進(jìn)的材料表面力學(xué)性能測試技術(shù)，通過納米壓痕儀將超低載荷施加到被測材料表面，實時記錄壓頭壓入被測材料的載荷與位移關(guān)系曲線，根據(jù)曲線可以推算出材料的納米硬度（H）和彈性模量（E）[9]。

2 ?實驗結(jié)果與分析

2.1 表面粗糙度分析

使用白光干涉ZeGageTM Plus光學(xué)輪廓儀對車削和超聲滾壓后AZ31B鎂合金試樣表面形貌進(jìn)行測量，結(jié)果如圖3所示，可以看出，相較于車削處理，3遍超聲滾壓后的AZ31B鎂合金表面質(zhì)量得到了極大的改善，表面粗糙度由車削后的0.568um降低至0.192um，降低了66.2%，這是因為在超聲表面滾壓加工過程中，工具頭的高頻振動沖擊促進(jìn)材料表面的塑性流動，材料表面的波峰被削減，波谷被填滿，進(jìn)而顯著降低了材料的表面粗糙度。

2.2 納米壓痕載荷-位移曲線

超聲滾壓3遍后AZ31B鎂合金表層的納米壓痕載荷-位移曲線見圖4。從圖中可以看出：距表面10μm、100μm、200μm、300μm、700μm處的最大壓入深度分別為520nm、525nm、534nm、548nm、588nm;卸載后的殘余壓深分別為415nm、417nm、426nm、450nm、485nm，說明在相同加載條件下，越靠近滾壓表面，最大壓入深度和殘余壓深越小，AZ31B抵抗外載的能力越強(qiáng)，強(qiáng)化效果越明顯。

2.3 納米硬度

納米硬度反映樣品承受接觸載荷的能力。圖5為超聲滾壓3遍后AZ31B鎂合金的納米硬度隨深度的變化曲線，距表面10μm處的納米硬度為1.24GPa，比滾壓前的硬度（0.92GPa）提高約34.8%。隨著深度的增加，納米硬度逐漸減小，當(dāng)深度達(dá)到700μm時，納米硬度值最小為0.92GPa，與滾壓前的硬度值相當(dāng)。超聲滾壓加工中發(fā)生的孿晶和動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象導(dǎo)致AZ31B鎂合金表面的加工硬化最明顯，呈現(xiàn)出納米硬度從表面到基體逐漸減小的現(xiàn)象。

2.4 彈性模量

彈性模量反映材料抵抗彈性變形的能力。超聲滾壓3遍后AZ31B鎂合金表層的彈性模量隨深度的變化曲線如圖6所示，距離表面200μm深度內(nèi)彈性模量增大較明顯，其中，距離表面10μm處的彈性模量最大為48.27GPa，距離表面300μm處彈性模量出現(xiàn)明顯的降低，距離表面300～700μm深度內(nèi)，彈性模量變化（46.52～47.01GPa）趨于平穩(wěn)，略大于滾壓前表層的彈性模量（44.74GPa），說明3道次超聲滾壓對AZ31B鎂合金表面納米力學(xué)性能的顯著影響層深度達(dá)到200μm。超聲滾壓使得AZ31B表層強(qiáng)烈塑性變形，位錯滑移導(dǎo)致晶粒細(xì)化和更多晶界的形成 [6，7]。隨著深度的增加，晶粒細(xì)化程度降低，彈性模量整體上呈減小的趨勢。

3 ?結(jié)論

①超聲滾壓可以大幅度降低AZ31B鎂合金的表面粗糙度，3遍USRP加工后，AZ31B鎂合金試樣的表面粗糙度由車削后的0.568um降低至0.192um，下降了66.2%。

②對超聲滾壓3遍后的AZ31B鎂合金棒的表層進(jìn)行納米壓痕測試，得到了距滾壓表面不同深度處的納米壓痕載荷-位移曲線，表明越靠近超聲滾壓表面，納米壓痕深度越淺，材料強(qiáng)化效果越顯著。

③基于納米壓痕測試獲得的超聲滾壓后AZ31B鎂合金表層的納米硬度和彈性模量均高于超聲滾壓前。距離表面10μm、200μm、300μm處的納米硬度分別提高約34.8%、26.1%和18.5%。距離表面200μm深度內(nèi)彈性模量增大較明顯，其最大值（48.27GPa）位于距離表面10μm處。距離表面300～700μm深度內(nèi)的彈性模量略大于滾壓前（44.74GPa），說明3道次超聲滾壓對AZ31B鎂合金表面納米力學(xué)性能的顯著影響層深度達(dá)到200μm，USRP提高了材料表層的納米力學(xué)性能，起到了表面強(qiáng)化的作用。

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