表 1 正交試驗因素和水平
Table 1. Orthogonal experimental factors and levels
| 水平 | 靜壓力/N | 振幅/μm | 滾壓道次 |
|---|---|---|---|
| 1 | 400 | 3 | 1 |
| 2 | 800 | 5 | 2 |
| 3 | 1 200 | 7 | 3 |
分享：超聲滾壓工藝參數對45鋼表面完整性與沖擊性能的影響
0. 引言
45鋼作為一種優質碳鋼,應用廣泛。由45鋼材料制造的物理試樣在膨脹斷裂過程中,會經歷復雜的加/卸載路徑、大變形過程,存在多種斷裂模式（層裂、剪切、拉伸）的競爭與耦合,其破壞位置存在一定的隨機性。為保證斷裂試驗結果的一致性,工件應具有較高的表面完整性和斷裂性能[1-2]。表面強化技術可以在一定程度上改善工件的表面完整性,同時影響其力學性能。目前已有了多種表面強化技術,包括噴丸、滾壓、激光沖擊、機械研磨等[3]。超聲滾壓技術是將超聲輔助與表面滾壓技術相結合的新型加工技術[4],廣泛應用于航空航天、化工、核工業、汽車、生物醫藥等領域[5-10]。超聲滾壓可以同時對工件施加靜壓載荷以及由超聲振動產生的沖擊動載荷,使工件表面產生較大的塑性變形,從而改變其表面完整性并影響其力學性能。
超聲滾壓工藝參數的選擇直接決定了材料表面強化效果。ZHANG等[11]對17Cr2Ni2MoVNb鋼進行了不同靜壓力下的超聲滾壓處理,發現隨著靜壓力增加,材料表面晶粒逐漸細化,顯微硬度明顯提高,殘余壓應力也隨之增大。LI等[12]研究發現,多道次超聲滾壓處理顯著改變了Ti-6Al-4V合金試樣的表層微觀結構,進而改善了其微動磨損性能。耿紀龍等[13]研究發現,超聲表面滾壓處理后AZ31B鎂合金的顯微硬度提高,表面粗糙度下降,強度增加,塑性下降。陳蔚清等[14]研究發現,超聲滾壓處理后7B85合金試樣的顯微硬度、抗拉強度以及屈服強度較處理前均有所提高,且表面粗糙度降低。值得注意的是,超聲滾壓參數選擇不當會導致工件發生嚴重的塑性變形,使力學性能降低[11-13]。
目前,研究多集中于超聲滾壓對工件表面粗糙度、表面組織、表面硬度和表面殘余應力影響的研究,有關超聲滾壓參數對材料表面完整性與沖擊性能綜合影響的研究報道較少。為此,作者設計了以靜壓力、振幅、滾壓道次等超聲滾壓工藝參數為因素,以表面粗糙度、殘余應力、顯微硬度和沖擊吸收功為響應的正交試驗,研究了超聲滾壓處理參數對45鋼表面完整性與沖擊性能的影響,以期為推動超聲滾壓技術在物理研究試樣制造領域發展應用提供支撐。
1. 試樣制備與試驗方法
試驗材料為軋制退火態45鋼棒料,由攀鋼集團有限公司生產,退火溫度為900 ℃。車削棒料得到尺寸為?150 mm×12 mm的圓餅試樣,采用HK30C-F型毫克能設備進行超聲滾壓,工具頭為直徑8 mm球形滾珠,滾壓線速度為1 m·min−1,壓入量為1 mm。設計了3因素3水平的正交試驗,因素水平如表1所示,圓餅試樣雙面均只沿一個方向進行超聲滾壓。
在超聲滾壓后圓餅試樣上,垂直于滾壓面取金相試樣,經體積分數5%硝酸乙醇溶液腐蝕后,采用Zeiss Axio Observer型光學顯微鏡觀察顯微組織。在圓餅試樣上線切割制取尺寸為57 mm×10 mm×12 mm的初始試樣,開V形缺口,缺口夾角為45°,缺口深度為2 mm,再將試樣兩端長度切短得到尺寸為55 mm×10 mm×12 mm的沖擊試樣,根據GB/T 229—2020,采用NI500C型沖擊試驗機進行夏比沖擊試驗。采用402MVD型數顯顯微維氏硬度計測試截面顯微硬度,載荷為245 mN,保載時間為10 s,測試點間隔50 μm,以遠離試樣表面未受超聲滾壓影響的5 mm深度處的硬度為基體硬度,以高出基體硬度10%的硬度對應的深度為硬化層深度[14]。采用μ-X360s型XRD殘余應力測試儀測試試樣殘余應力,測試區域選在距試樣樣邊緣10~15 mm區域以避免取樣過程中應力釋放導致的殘余應力變化,射線入射角度為35°,鉻靶,Kα射線,電壓為40 kV,電流為250 mA；深度方向殘余應力通過對圓餅試樣進行逐層電解腐蝕來測試,電解液為飽和NaCl溶液,每腐蝕30 s測試剝層深度和殘余應力。采用Surtronic S-100型手持式粗糙度儀測試表面粗糙度。
2. 試驗結果與討論
2.1 正交試驗結果
由表2和圖1可知,不同工藝參數超聲滾壓后試樣的表面粗糙度均不高于0.16 μm,遠低于超聲滾壓前（0.52 μm）；隨著靜壓力在800~1 200 N且振幅在5~7 μm間增加,試樣的表面粗糙度增大,這可能是因為靜壓力與振幅均較大的工況下,試樣表面受到嚴重沖擊,產生了表面損傷；滾壓道次對表面粗糙度影響較小。當靜壓力為800 N、振幅為5 μm、滾壓道次為3時,表面粗糙度最小。
表 2 正交試驗結果
Table 2. Orthogonal experimental result
| 試樣編號 | 靜壓力/N | 振幅/μm | 滾壓道次 | 表面粗糙度/μm | 表面殘余應力/MPa | 硬化層深度/μm | 沖擊吸收功/J |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 400 | 3 | 1 | 0.13 | -513.9 | 130 | 13.3 |
| 2 | 400 | 5 | 2 | 0.07 | -509.3 | 110 | 11.7 |
| 3 | 400 | 7 | 3 | 0.13 | -512.0 | 190 | 16.3 |
| 4 | 800 | 3 | 2 | 0.10 | -523.2 | 190 | 12.0 |
| 5 | 800 | 5 | 3 | 0.06 | -556.4 | 150 | 14.7 |
| 6 | 800 | 7 | 1 | 0.08 | -557.2 | 270 | 10.3 |
| 7 | 1 200 | 3 | 3 | 0.09 | -549.5 | 270 | 12.7 |
| 8 | 1 200 | 5 | 1 | 0.09 | -521.0 | 350 | 10.7 |
| 9 | 1 200 | 7 | 2 | 0.16 | -570.7 | 230 | 13.7 |
圖 1 試樣表面粗糙度、硬化層深度、表面殘余應力和沖擊吸收功隨工藝參數的變化趨勢
Figure 1. Variation trend diagram of surface roughness (a), hardened layer depth (b), surface residual stress (c) and impact absorption energy (d) of sample with process parameters
超聲滾壓后試樣表面殘余壓應力均大于500 MPa,較超聲滾壓前（195 MPa）明顯增大；隨著靜壓力、振幅、滾壓道次增加,試樣的表面殘余壓應力略有增大,但隨靜壓力增加而增大的幅度減小,這可能是因為靜壓力在800~1 200 N間達到了使殘余壓應力增加的臨界值,此時靜壓力增加會加劇工件表面損傷,引起一定程度的表面應力釋放[15]。當靜壓力為1 200 N、振幅為7 μm、滾壓道次為3時,表面殘余應力最大。
隨著靜壓力與振幅增加,硬化層深度增大,隨著滾壓道次增加,硬化層深度先減小后增大,其中,靜壓力為400 N、振幅為3 μm、滾壓道次為1的工況下超聲滾壓后試樣（試樣1）的硬化層深度最小,靜壓力為1 200 N、振幅為5 μm、滾壓道次為1的工況下硬化層深度最大。
未超聲滾壓試樣的沖擊吸收功為15 J。對比可知,試驗參數下超聲滾壓后試樣的沖擊吸收功幾乎全部降低,除了靜壓力400 N、振幅7 μm、滾壓道次3條件下,沖擊吸收功有微弱提升,提升了8.9%。隨著靜壓力和振幅增加,沖擊吸收功先減小后增大,隨滾壓道次增加,沖擊吸收功增大。當靜壓力為400 N,振幅為7 μm,滾壓道次為3時,沖擊吸收功最大。
2.2 方差分析
使用F檢驗對各因素進行方差分析,如表3所示。對于表面粗糙度,F0.2（2,6）和F0.25（2,6）分別為2.129,1.762,當給定顯著性水平為0.25時,F超過1.762,說明振幅對試樣表面粗糙度有顯著影響,其他參數無顯著影響。對于表面殘余應力,F0.05（2,6）和F0.10（2,6）分別為5.143,3.463,當給定顯著性水平為0.1時,靜壓力對試樣表面殘余應力有顯著影響,其他參數無顯著影響。對于硬化層深度,F0.05（2,6）和F0.10（2,6）分別為5.143,3.463,當給定顯著性水平為0.1時,超聲滾壓靜壓力參數對硬化層深度有顯著影響,其他參數均方均小于誤差均方,對結果無顯著影響。對于沖擊吸收功,F0.15（2,6）和F0.10（2,6）分別為2.646,3.463,當給定顯著性水平為0.15時,滾壓道次對沖擊吸收功有顯著影響,其他參數無顯著影響。
表 3 性能方差分析
Table 3. Variance analysis of performance
| 指標 | 方差來源 | 方差分析平方和 | 自由度 | 均方 | F | 顯著性 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 表面粗糙度 | 靜壓力 | 0.002 064 | 2 | 0.001 032 | ||
| 振幅 | 0.003 327 | 2 | 0.001 664 | 2.128 23 | 顯著 | |
| 滾壓道次 | 0.000 517 | 2 | 0.000 259 | |||
| 誤差 | 0.002 109 | 2 | 0.001 054 | |||
| 總誤差 | 0.004 69 | 6 | 0.000 782 | |||
| 表面殘余應力 | 靜壓力 | 2 401.016 | 2 | 1 200.508 | 3.586 775 | 顯著 |
| 振幅 | 630.139 4 | 2 | 315.069 7 | |||
| 滾壓道次 | 112.366 8 | 2 | 56.183 39 | |||
| 誤差 | 1 265.718 | 2 | 632.859 | |||
| 總誤差 | 2 008.224 | 6 | 334.704 | |||
| 硬化層深度 | 靜壓力 | 29 600 | 2 | 14 800 | 4.826 087 | 顯著 |
| 振幅 | 1 866.667 | 2 | 933.333 3 | |||
| 滾壓道次 | 8 266.667 | 2 | 4 133.333 | |||
| 誤差 | 8 266.667 | 2 | 4 133.333 | |||
| 總誤差 | 18 400 | 6 | 3 066.667 | |||
| 沖擊斷裂吸收功 | 靜壓力 | 4.174 183 | 2 | 2.087 091 | ||
| 振幅 | 1.805 531 | 2 | 0.902 765 | |||
| 滾壓道次 | 15.137 38 | 2 | 7.568 691 | 3.244 772 | 顯著 | |
| 誤差 | 8.015 768 | 2 | 4.007 884 | |||
| 總誤差 | 13.995 48 | 6 | 2.332 58 |
2.3 殘余應力及顯微硬度沿層深分布
由圖2（a）可見：不同參數超聲滾壓后試樣的最大殘余壓應力均出現在表面,且隨深度增加而減小,殘余壓應力有效深度在600~800 μm。
圖 2 不同工藝參數超聲滾壓后試樣的殘余應力和顯微硬度沿層深分布
Figure 2. Residual stress (a) and microhardness distribution (b) along layer depth of samples after ultrasonic rolling with different process parameters
由圖2（b）可見：不同工藝參數超聲滾壓后試樣的顯微硬度沿層深的變化趨勢基本相同,均先增大后減小；最大顯微硬度出現的深度不同,其中,靜壓力為1 200 N、振幅為7 μm、滾壓道次為2時超聲滾壓后試樣的最大顯微硬度出現的深度最大,約90 μm,靜壓力為400 N、振幅為5 μm、滾壓道次為2或靜壓力為1 200 N、振幅5 μm、滾壓道次1時的最小,約30 μm,其余試樣均在50~70 μm范圍內。通過對比顯微硬度和殘余應力沿層深分布特征可知,硬化層深度小于殘余壓應力影響深度,這是因為殘余壓應力雖在一定程度提高了顯微硬度,但應變硬化才是影響硬化層深度的主要因素[15-17]。
由圖3可見：不同參數超聲滾壓后試樣表層區域均產生嚴重的塑性變形,晶粒呈細條流線狀。這種流線狀晶粒區域距表面距離在30~90 μm（標于圖左上角）,與最大硬度出現深度相對應。由上可知,試樣最大顯微硬度不出現在近表面區域,可能是因為超聲滾壓過程中產生了大量的熱,使得表面部分發生軟化并產生了再結晶[18-19]。
圖 3 不同工藝參數超聲滾壓后試樣的顯微組織
Figure 3. Microstructure of samples after ultrasonic rolling with different process parameters
2.4 多目標優化
考慮各因素對殘余應力、沖擊吸收功、表面粗糙度的影響,以獲得綜合性能優異的試樣,采用灰色關聯田口法對正交參數進行了多目標優化[20]：將正交試驗結果歸一化后計算灰色相關系數、主成分分析法計算權重、計算灰色關聯度、獲得最優參數組合。獲得的線性組合系數及權重結果見表4,灰色關聯度響應圖見圖4,灰色關聯度越高,代表與預期目標越接近,可由此獲得最佳參數組合。可知,最佳超聲滾壓工藝參數為靜壓力400 N,振幅7 μm,滾壓道次3,此時試樣灰色關聯度最大,即表面完整性和沖擊性能較好。
表 4 線性組合系數及權重結果
Table 4. Linear combination coefficient and weight results
| 名稱 | 主成分1 | 主成分2 | 綜合得分系數 | 權重/% |
|---|---|---|---|---|
| 特征根 | 1.872 | 1.240 | - | - |
| 方差解釋率/% | 46.79 | 30.99 | - | - |
| 靜壓力 | 0.647 7 | 0.260 1 | 0.493 3 | 25.61 |
| 表面殘余應力 | 0.565 6 | 0.458 9 | 0.523 1 | 27.16 |
| 沖擊斷裂吸收功 | 0.402 7 | 0.576 9 | 0.472 1 | 24.52 |
| 表面粗糙度 | 0.313 7 | 0.623 7 | 0.437 2 | 22.71 |
圖 4 灰色關聯度響應圖
Figure 4. Grey correlation response diagram
3. 結論
（1）隨著靜壓力、振幅增加,45鋼試樣的表面粗糙度增大,滾壓道次影響較小。隨靜壓力、振幅、滾壓道次增加,試樣的表面殘余壓應力略有增大。隨著靜壓力與振幅增加,硬化層深度增大,隨著滾壓道次增加,硬化層深度先減小后增大。隨著靜壓力和振幅增加,沖擊吸收功先減小后增大,隨滾壓道次增加,沖擊吸收功增大。
（2）對表面粗糙度、表面殘余應力、硬化層深度和沖擊吸收功影響最大的因素分別為振幅、靜壓力、靜壓力和滾壓道次。
（3）最佳超聲滾壓工藝參數為靜壓力400 N,振幅7 μm,滾壓3次,此時試樣灰色關聯度最大,表面完整性和沖擊性能較好。
文章來源——材料與測試網
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