徐穎宣，孟祥晨，李 根，金 斌，蓋炳君，謝庭禎，劉 勇，呂 堅(jiān)

(1.南昌大學(xué) 高等研究院，江西 南昌 330031)(2.南昌大學(xué) 江西省高性能精確成形重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330031)(3.香港城市大學(xué)機(jī)械與生物醫(yī)學(xué)工程系，香港 九龍 999077)(4.香港城市大學(xué)深圳研究院 先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料中心，廣東 深圳 518057)

青年園地

表面機(jī)械研磨處理5182鋁合金的組織和力學(xué)性能研究

徐穎宣1，孟祥晨2，李 根2，金 斌2，蓋炳君2，謝庭禎2，劉 勇2，呂 堅(jiān)3,4

(1.南昌大學(xué) 高等研究院，江西 南昌 330031)(2.南昌大學(xué) 江西省高性能精確成形重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330031)(3.香港城市大學(xué)機(jī)械與生物醫(yī)學(xué)工程系，香港 九龍 999077)(4.香港城市大學(xué)深圳研究院 先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料中心，廣東 深圳 518057)

5182鋁合金經(jīng)過(guò)表面機(jī)械研磨處理(SMAT)，可以克服鋁合金表面性能的不足，提高鋁合金材料整體性能，延長(zhǎng)使用壽命。采用X-射線衍射儀(XRD)及顯微硬度、單軸拉伸等測(cè)試方法，研究了使用表面機(jī)械研磨處理后5182鋁合金的顯微組織和力學(xué)性能特征。經(jīng)過(guò)SMAT處理后的5182鋁合金，其表面晶粒細(xì)化至納米級(jí)，且沿試樣表面到芯部方向形成納米梯度結(jié)構(gòu)；其板材的整體硬度都有一定的提高，且沿板材試樣表面到芯部方向形成了梯度下降的狀態(tài)；隨著表面機(jī)械研磨處理時(shí)間的增加，5182鋁合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度強(qiáng)度也隨之提升，但在一定程度上犧牲了合金的塑性。

鋁合金；表面機(jī)械研磨處理；梯度結(jié)構(gòu)；微觀組織；力學(xué)性能

1 前 言

鋁合金具有密度低、比強(qiáng)度高、加工性能好等優(yōu)異性能，因此在航空航天、軌道車(chē)輛、交通運(yùn)輸、電氣電子、能源動(dòng)力、冶金化工、機(jī)械制造、電器家具等各個(gè)領(lǐng)域都獲得了十分廣泛的應(yīng)用[1]，隨著汽車(chē)行業(yè)的迅速發(fā)展，環(huán)境污染與能源短缺已經(jīng)成為全球熱門(mén)焦點(diǎn)。因此，減輕汽車(chē)重量成為最直接有效減少能耗、提高燃料利用率的方法之一，從而有效地減少環(huán)境的污染并緩解能源短缺問(wèn)題[2.3]。近30年以來(lái)，納米材料因具優(yōu)異的性能而備受關(guān)注，特別是對(duì)新一代高性能材料的研究、設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)的熱捧。至今，獲得納米晶粒材料主要有兩種途徑：一是使得材料整體的納米化，形成納米晶粒材料；二是使材料的局部(通常是表面)實(shí)現(xiàn)納米化[4]。目前，實(shí)現(xiàn)整塊納米晶粒材料的方法通常有：惰性氣體凝聚法(Inert Gas Condensation，IGC)[5]、機(jī)械合金研磨結(jié)合加壓成塊法[6]、非晶晶化法(Crystallization of Amorphous Materials，CAM)[7]、電沉積法(Electrodeposition，ED)[8,9]、溶膠-凝膠法(Sel-gel)[10]、強(qiáng)烈塑性變形法(Severe Plastic Deformation，SPD)[11]等。而材料表面納米化包括表面涂層沉積納米化、表面自身納米化以及混合納米化。本文采用的表面機(jī)械研磨處理就屬于表面自身納米化的一種。

表面機(jī)械研磨處理(Surface Mechanical Attrition Treatment，簡(jiǎn)稱(chēng)SMAT)是通過(guò)高頻、多方向的載荷作用下，使材料的表面通過(guò)強(qiáng)烈塑性變形而實(shí)現(xiàn)納米化[12]的一種表面自身納米化方法。利用表面機(jī)械研磨處理已經(jīng)成功地在純鐵[13]、純銅[14]、鈦[15]、鎂合金[16]、鋅合金[17]、鋁合金[18]和不銹鋼[19]等材料上實(shí)現(xiàn)了表面納米化。金屬材料經(jīng)表面機(jī)械研磨處理后，能夠提高材料的硬度、強(qiáng)度和耐疲勞性[20]等性能。相比其他表面納米化工藝，表面機(jī)械研磨處理適用更加廣泛，且實(shí)驗(yàn)條件簡(jiǎn)單，一般常溫就可以進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)單，操作安全便捷，在各個(gè)領(lǐng)域都可應(yīng)用；其次，經(jīng)SMAT處理后，材料表面晶粒得到細(xì)化，致使材料的強(qiáng)度、硬度等都有一定的提升，但會(huì)在一定程度上損失材料的塑性，能夠使得材料的綜合力學(xué)性能得到提升；此外，SMAT處理后，材料的基體與納米結(jié)構(gòu)表層擁有較好的結(jié)合度。

2 實(shí) 驗(yàn)

5182鋁合金成形性能好、耐腐蝕、中等強(qiáng)度，其化學(xué)成分為Al-4.0Mg-0.3Mn (wt%)[21]。本實(shí)驗(yàn)選用的材料為80 mm×60 mm長(zhǎng)寬的連鑄連軋態(tài)5182鋁合金板材，板厚為1 mm。選用直徑3 mm、總重為20 g的AISI304不銹鋼材質(zhì)小球，震動(dòng)發(fā)生器的振動(dòng)頻率選用20 kHz，處理溫度為室溫，板材在處理時(shí)，采用每單面處理10 s后，對(duì)另一面進(jìn)行相同處理，直至板材兩面都達(dá)到所設(shè)定的處理時(shí)間，本實(shí)驗(yàn)對(duì)板材設(shè)定兩組不同SMAT處理時(shí)間，分別為0 min和3 min。

采用Philips公司生產(chǎn)的Xpert型XRD對(duì)樣品表面的物相和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，硬度實(shí)驗(yàn)在HXS-1000Z型顯微硬度計(jì)上進(jìn)行，測(cè)試壓力為100 gf，保壓時(shí)間10 s。

3 結(jié)果與討論

3.1 顯微分析

圖1a為未經(jīng)SMAT處理的5182鋁合金的顯微組織圖，可以看到有明顯的豎直方向的軋制方向，其晶粒大小不一，而且沒(méi)有呈現(xiàn)一定的規(guī)律，其晶粒的平均尺寸約為7 μm；圖1b為經(jīng)SMAT處理3 min后的5182鋁合金的顯微組織圖，經(jīng)SMAT處理3 min后，距5182鋁合金表面20～50 μm區(qū)域的平均晶粒尺寸約為3.1 μm，距表面50～80 μm區(qū)域的平均晶粒尺寸約為4.7 μm，距表面80 μm至芯部區(qū)域的平均晶粒尺寸約為6.4 μm。同樣可以看出，軋制方向是豎直的方向，晶粒也是呈現(xiàn)大小不一，但是，從材料的表面到材料的芯部，晶粒是逐漸變大的，呈現(xiàn)出梯度納米結(jié)構(gòu)，并且其梯度納米結(jié)構(gòu)層厚度約20 μm。

圖1 SMAT處理5182鋁合金的微觀組織：(a) 0 min，(b) 3 minFig.1 Microstructure of the 5182 Al alloy with SMAT: (a) 0 min and (b) 3 min

圖2給出了SMAT處理連鑄連軋態(tài)5182鋁合金沿板材深度方向的晶粒尺寸分布及其表面的X射線衍射譜圖。如圖2a所示，對(duì)比SMAT處理前的連鑄連軋態(tài)5182鋁合金的組織圖，經(jīng)SMAT處理3 min后，晶粒尺寸從表面至芯部呈現(xiàn)梯度增長(zhǎng)，在距表面20～80 μm之間形成了一個(gè)梯度結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)殇X合金在受到外界的嚴(yán)重的撞擊以后，材料表面發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，這種應(yīng)變從表面?zhèn)鞯讲牧系男静?，使得材料的表面到芯部的晶粒尺寸不一?/p>

圖2 經(jīng)過(guò)SMAT處理5182鋁合金沿板材深度方向的晶粒尺寸分布(a)和表面的X-射線衍射譜圖(b)Fig.2 The grain size distribution along the depth (a) and the XRD patterns of the surface (b) of 5182 Al alloy after SMAT

3.2 XRD分析

XRD是研究納米晶體材料微觀結(jié)構(gòu)的重要手段之一，從結(jié)果中可以得出納米晶體相的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)[22]。圖2b給出了SMAT處理連鑄連軋態(tài)5182鋁合金表面的X射線衍射譜圖。對(duì)X射線衍射圖標(biāo)定后，可以發(fā)現(xiàn)細(xì)晶和粗晶的5182鋁合金SMAT處理前后都為Al單相合金，而且都只有面心立方結(jié)構(gòu)所有的晶面(111)、(200)、(220)、(311)和(222)。SMAT處理后，合金基體Al的衍射峰強(qiáng)度發(fā)生了明顯的變化[22]。

運(yùn)用Williamson-Hall公式，見(jiàn)式(1)，對(duì)SMAT處理后細(xì)晶和粗晶5182鋁合金表面的晶粒度與微觀應(yīng)變進(jìn)行了分析[23]。

(1)

式中，β是衍射峰半高寬，θ為衍射峰角度，K為謝樂(lè)常數(shù)(0.89)，η為微觀應(yīng)變，且η=2ε，λ為X射線的波長(zhǎng)(λ=0.154056 nm)，d為實(shí)際晶粒尺寸。結(jié)果表明，SMAT處理3 min后，鋁合金的表面平均晶粒尺寸降低82.17 nm(納米級(jí)別)，微觀應(yīng)變?yōu)?.13%。

3.3 硬度測(cè)試

圖3給出了SMAT處理5182鋁合金沿板材厚度方向的硬度分布。未經(jīng)SMAT處理時(shí)，5182鋁合金沿板材厚度方向分布均勻，約在76 HV左右。SMAT處理3 min后，合金硬度明顯提升，距合金表面100 μm左右處硬度最高，達(dá)97 HV左右，5182鋁合金硬度最大提升約為39%左右，且沿板材厚度方向同樣呈現(xiàn)梯度分布。連鑄連軋態(tài)5182鋁合金的最表層(0～100 μm)不完全壓實(shí)或含有缺陷，導(dǎo)致硬度下降，這與Lei Wen等[24]的研究結(jié)果一致。

圖3 SMAT處理5182鋁合金沿板材厚度方向的硬度分布Fig.3 Microhardness distribution along depth of 5182 Al alloy with SMAT

3.4 拉伸測(cè)試

圖4a～4b分別給出了5182鋁合金不同時(shí)間SMAT處理后的拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變和真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖4可以看出，SMAT處理后，合金的強(qiáng)度明顯提升，但塑性卻下降。

表1給出了5182鋁合金SMAT處理前后的力學(xué)性能，可以看出未經(jīng)SMAT處理的5182鋁合金抗拉強(qiáng)度為285.4 MPa，屈服強(qiáng)度為131.2 MPa，斷面延伸率為29.4%。SMAT處理5182鋁合金3 min后，其抗拉強(qiáng)度為325.5 MPa，屈服強(qiáng)度為246.1 MPa，斷面延伸率為12%，較之SMAT處理前的合金，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提升了14.1%和87.6%，而斷面延伸率下降了59.2%。

表1 SMAT處理5182鋁合金的力學(xué)性能

圖4 5182鋁合金SMAT處理前后工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)和真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(b)Fig.4 Typical tensile engineering(a) and the corresponding true stress-strain curves (b)of 5182 Al alloy before and after SMAT

4 結(jié) 論

(1)經(jīng)過(guò)SMAT處理后，5182鋁合金表面晶粒細(xì)化至納米級(jí)，且沿試樣表面到芯部方向形成梯度納米結(jié)構(gòu)。

(2)5182鋁合金在經(jīng)過(guò)SMAT處理后，板材的整體硬度都有一定的上升，且沿板材試樣表面到芯部方向形成了梯度下降的狀態(tài)。

(3)隨SMAT處理時(shí)間的增加，5182鋁合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度強(qiáng)度也隨之提升，但在一定程度上犧牲了合金的塑性。

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(編輯 蓋少飛)

Research on Microstructure and Mechanical Properties of 5182 Aluminium Alloy with Surface Mechanical Attrition Treatment

XU Yingxuan1，MENG Xiangchen2，LI Gen2, JIN Bin2, GE Bingjun2, XIE Tingzhen2, LIU Yong2, LV Jian3,4

(1.Institute of Advanced Studies, Nanchang University, Nanchang 330031, China)(2.Key Laboratory of Near Net Forming of Jiangxi Province, Nanchang University, Nanchang 330031, China)(3.Department of Mechanical and Biomedical Engineering, City University of Hong Kong, Hong Kong 999077,China)(4.Centre for Advanced Structural Materials, City University of Hong Kong, Shenzhen Research Institute, Shenzhen 518057, China)

Surface mechanical attrition treatment (SMAT) can overcome the shortcomings of the surface properties of aluminum, improve the overall performance of the material, and prolong service life, therefore, this work was carried out on 5182 aluminum alloys subjected to SMAT. Using X-ray diffraction (XRD), micro-hardness and uniaxial tensile test equipment systems, the authors study the characteristics of microstructure and mechanical properties of 5182 aluminum alloys with different grain sizes after SMAT. The surface grain of the 5182 aluminum alloy was refined to nanoscale after SMAT, and the gradient nanostructure was formed from the surface to the core of the sample; the overall hardness of the sample had a certain increase and it decreased in a gradient trend from the surface to the core; the tensile strength and yield strength of the 5182 aluminum alloy were increased, but the plasticity was sacrificed to a certain extent with the increase of the treatment time.

aluminum alloy;surface mechanical attrition treatment;gradient structure;microstructure;mechanical properties

2016-09-02

國(guó)家自然科學(xué)基金(51464034, 51671101)；江西省教育廳基金(GJJ150010)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB0701201)；江西省自然科學(xué)基金青年重大項(xiàng)目(20161ACB21003)；江西省杰出青年人才計(jì)劃(20162BCB23013);國(guó)家基礎(chǔ)研究計(jì)劃(9500006)；香港聯(lián)合研究基金(C4028-14G)

徐穎宣，女，1985年生，助理實(shí)驗(yàn)師

劉 勇，男，1980年生，教授，博士生導(dǎo)師，Email： liuyong@ncu.edu.cn

10.7502/j.issn.1674-3962.2017.02.06

TG178

A

1674-3962(2017)02-0122-05