论文部分内容阅读
Mg-Al合金因其密度低,比强度高,比刚度高,机械加工性能好等优点,在工业中扮演着极其重要的角色。近年来,它们成为汽车和航天工业极具前景和应用价值的金属材料。然而,由于镁合金是密排六方(hcp)晶体结构,强度低、耐磨性差、化学反应活性高易发生腐蚀、塑性变形能力差,镁合金在工业生产上的应用被极大的限制。超声表面滚压处理(USRP)是一种基于工具头高频冲击的新型超声辅助表面自纳米化技术,与其他表面处理技术相比,USRP能够同时提高材料的表面性能、力学性能和耐腐蚀性。虽然USRP已经在工业上得到了初步应用,但是USRP对镁合金力学性能和耐腐蚀性的影响研究甚少。因此,本文设置了不同的滚压量对AZ31B镁合金进行了表面强化,分析其强化机理,同时通过大量实验分析并验证USRP是否可以同时改善AZ31B镁合金的表面性能、力学性能和耐腐蚀性能,优化USRP工艺,为进一步扩大USRP加工AZ31B镁合金在工业上的应用提供试验依据。本文对轧制态AZ31B镁合金进行不同滚压量的USRP加工,采用表面粗糙度仪测量了 USRP加工前后AZ31B镁合金试样表面粗糙度的变化情况,通过XRD研究了处理前后合金的相组成以及显微组织变化情况,并使用光镜,SEM观察了试样表面形态,微观结构的演变规律。主要研究了 USRP加工前后,不同滚压量对轧制态AZ31B镁合金力学性能及耐腐蚀性能的影响。利用纳米压痕仪、拉伸试验机、X射线衍射仪、立式摩擦磨损试验机、3D轮廓仪、SEM及EDS对USRP加工前后AZ31B镁合金试样的显微硬度,拉伸性能,残余应力,摩擦磨损性能进行了测试,分析其强化机理。利用SEM及EDS通过失重法分析探讨USRP加工前后不同滚压量的AZ31B镁合金试样耐腐蚀速率的变化情况以及腐蚀机理。USRP加工前后,随着滚压量的逐渐增加,AZ31B镁合金试样表面粗糙度值逐渐降低。未处理试样的表面粗糙度为Ra=1.2326μm,最小的表面粗糙度出现在滚压量为0.06mm时,Ra=0.1009μm,相较于未处理试样,表面粗糙度降低了91.8%。通过光镜的观察可以发现,未处理试样表面有较深的“峰”和“谷”,加工痕迹明显。随着滚压量的增加,加工痕迹逐渐变浅,主要的加工痕迹得到明显消除,表面性能得到明显改善。当滚压量为0.07mm时,试样的表面粗糙度测量值略微增加,但依旧达到近镜面的效果。USRP加工前后,对AZ31B镁合金试样进行XRD分析及显微组织观察表明,USRP可使AZ31B镁合金表层产生严重的塑性变形,使表层晶粒得到显著细化,且平均晶粒尺寸远小于心部晶粒。同时,沿横截面的深度方向形成了梯度显微组织结构,晶粒细化层深度为572.71±13.62μm。从表层到心部可明显分为三层:超细晶层、细晶层、粗大晶层。通过SEM测得,超细晶层的平均晶粒尺寸远小于1μm,最小晶粒尺寸可达338.8nm,相较于粗大晶层,超细晶层的平均晶粒尺寸缩小了 50倍以上,起到了极其明显的晶粒细化作用。USRP加工前后,随着滚压量的逐渐增加,AZ31B镁合金试样的力学性能得到显著提升:显微硬度实验表明,USRP后,AZ31B镁合金试样表面的最大显微硬度可达133.5±8.63 HV,而未处理试样表面的显微硬度仅为96.3±6.09 HV,提升了 38.63%。沿横截面深度方向的显微硬度从表面到心部逐渐减小,相较于心部,表面显微硬度提高了 83.81%。硬度提高影响区域深度与晶粒细化层深度一致。拉伸试验表明,USRP后,AZ31B镁合金的屈服强度由206.41 ±1.78MPa提高到256.12±1.47MPa,较未处理试样提高24.08%,抗拉强度提高19.33%。相反,延伸率呈连续下降趋势,仅为未处理样品的47.45%。残余应力试验表明,USRP后,AZ31B镁合金试样表层的应力状态发生了变化,原始的残余拉应力变成了残余压应力。试样表层最大残余压应力可达-85.2 ± 10.8MPa,且残余压应力随滚压量的增大而增大。以上结果表明,USRP具有明显的强化效果。主要是因为USRP加工后在试样表层产生了剧烈的塑性变形以及细化晶粒的作用,使AZ31B镁合金力学性能得到显著提升。USRP加工前后,AZ31B镁合金试样的耐磨性得到显著提升,在1200s的相同试验时间内,对试样施加100N的外加载荷,未处理试样的磨损情况最为严重,质量损失为32.44mg,而经过超声滚压处理的四组镁合金试样的质量损失随着滚压量的增大而减小,最小质量损失仅为9.07mg;这主要是因为USRP带来的晶粒细化大大提高了材料的强度和硬度,增强了材料的抗变形能力。滚压量越大,抗变形能力越大,摩擦磨损过程中材料表面与摩擦副的粘附程度也就越小,从而降低了摩擦系数,减少磨损。在1200s的试验时间内,未处理试样的平均摩擦系数为0.337,而USRP试样平均摩擦系数为0.279,下降了 17.2%。通过SEM图像比较可以清晰地看出,未处理试样在摩擦磨损试验后表面出现了较深的犁沟以及明显凹坑和微裂纹,磨屑呈块状,磨损形式主要为严重的粘着磨损,并伴随着一定程度的磨粒磨损。而USRP试样仅在表面出现了犁沟,且相对较浅,磨屑呈薄片状或颗粒状,磨粒磨损为主要磨损形式。USRP加工前后,AZ31B镁合金试样的耐腐蚀性能提升明显,通过失重法以及SEM,EDS分析了不同滚压量,表面粗糙度,残余应力对AZ31B镁合金试样腐蚀速率的影响。当滚压量为0.06mm时,腐蚀速率最小,平均质量损失为0.00407g,SEM观察下腐蚀裂纹数量较少,宽度较窄。相较于未处理的样品,腐蚀速率降低了 64.15%。但是,当滚压量为0.07mm时,表面又出现一定数量的裂纹,腐蚀程度较其它USRP试样更为严重,腐蚀速率略有增大。AZ31B镁合金试样腐蚀速率的变化与其表面粗糙度,残余应力的变化情况具有很好的一致性。本文利用USRP对AZ31B镁合金表面进行了强化,为研究镁合金材料及其工业应用奠定了一定的基础,为进一步扩大USRP加工AZ31B镁合金在工业上的应用提供了试验依据,具有重要的理论意义和较强的实际应用价值。