自然時效、加工硬化對共享單車輪轂微觀組織及性能影響研究

李南婷，魯若鵬，趙宇宏，閆希，崔云波，侯華

自然時效、加工硬化對共享單車輪轂微觀組織及性能影響研究

李南婷1，魯若鵬1，趙宇宏1，閆希1，崔云波2，侯華1

（1. 中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030051；2. 太原市康鎂科技發(fā)展有限公司，太原 030400）

以不同工作狀態(tài)下AM60B鎂合金壓鑄成形的共享單車輪轂為研究對象，探討鎂合金作為自行車輪轂材料的實際應(yīng)用特性。選取直接壓鑄的鎂合金輪轂A，放置4年的輪轂B以及通過疲勞試驗?zāi)M高強(qiáng)度使用后的輪轂C為研究對象，對不同狀態(tài)下壓鑄鎂合金輪轂的微觀組織、力學(xué)性能與阻尼性能進(jìn)行研究。輪轂A抗拉強(qiáng)度為215 MPa，屈服強(qiáng)度為97 MPa，伸長率為17.86%；輪轂B中微觀組織幾乎無變化，但塑性出現(xiàn)一定下降，其阻尼性能最佳；輪轂C擁有更好的強(qiáng)度及塑性，阻尼性能有所改善。輪轂B塑性的下降與阻尼的提升可能與固溶原子的擴(kuò)散有關(guān)。輪轂C出現(xiàn)了加工硬化的現(xiàn)象，局部存在混晶組織，這是其性能增強(qiáng)的原因所在。

AM60鎂合金；顯微組織；力學(xué)性能；阻尼性能

鎂合金以其較低的密度、較高的比強(qiáng)度/剛度、良好的成形性、優(yōu)良的減震性和易回收性等特性，在汽車、交通運(yùn)輸、3C電子產(chǎn)品和航空航天等領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。我國擁有豐富的鎂礦資源，也是鎂的生產(chǎn)及出口大國，但在鎂合金產(chǎn)品的研制開發(fā)和應(yīng)用上卻并不足，與世界先進(jìn)水平存在較大差距。鎂合金的壓鑄產(chǎn)品以每年15%的增長速度廣泛地應(yīng)用于汽車、地鐵、自行車等交通工具[1-4]。

我國是自行車生產(chǎn)和消費(fèi)的頭號大國，加上近年共享單車的熱潮，越來越多的人選擇共享單車作為出行的方式。共享單車的輪轂是由AM系鎂合金壓鑄成形[5]。AM系鎂合金中Al含量較低，合金中會析出較少的含Al第二相，使其具有良好的伸長率和韌性[6-8]，廣泛應(yīng)用在汽車工業(yè)中，如汽車的儀表盤、方向盤和座椅等。AM系鎂合金在自行車上亦有較廣的應(yīng)用，近年來摩拜、青桔和騎唄等共享單車所采用的輪轂均為AM系鎂合金壓鑄成形，相較于傳統(tǒng)使用的鋁合金輪轂，其質(zhì)量可減輕到2/3，剛度大，加速性及穩(wěn)定性良好，其良好的延伸性也可增加構(gòu)件的抗沖擊性能，還可以吸收震動和沖擊達(dá)到減震的效果，使騎行有更好的體驗。

鎂合金結(jié)構(gòu)件的主要成形方式為鑄造成形，而其中90%以上是通過壓鑄成形生產(chǎn)的。在民用領(lǐng)域，鎂合金主要作為殼體件或者非承重結(jié)構(gòu)件，其中共享單車鎂合金車輪是常見的鎂合金結(jié)構(gòu)件。中鎂科技、太原康鎂科技發(fā)展有限公司等企業(yè)目前致力于研發(fā)性能優(yōu)良的壓鑄鎂合金車輪，研究時間及使用情況對鎂合金的微觀組織、力學(xué)性能的影響，將有利于鎂合金的推廣與應(yīng)用，為鎂合金的大面積應(yīng)用提供理論借鑒。

1 實驗

1.1 材料

實驗采用由太原市康鎂科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的AM60B鎂合金壓鑄成形的輪轂，如圖1所示，分別為原始態(tài)輪轂A、放置4年的輪轂B，以及模擬使用態(tài)輪轂C，其中輪轂C疲勞試驗時徑向負(fù)載為640 N，以25 km/h（±10%）的表面線速度驅(qū)動滾筒，測試時輪胎撞擊障礙塊150萬次。文中將上述3種狀態(tài)的輪轂進(jìn)行實驗研究，所用的AM60B鎂合金的實際成分如表1所示。

圖1 3種不同工作狀態(tài)下的輪轂

表1 AM60B合金的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

Tab.1 Composition of AM60B alloys (mass fraction)　%

1.2 顯微組織表征

采用LEICA MC190 HD型光學(xué)顯微鏡對合金的組織進(jìn)行金相觀察，試樣用金相砂紙打磨試樣表面，再用磨拋機(jī)進(jìn)行拋光，最后用苦味酸5 g+醋酸5 g+蒸餾水10 mL+乙醇100 mL配制而成的浸蝕劑浸蝕5～10 s，再進(jìn)行觀察。采用DX 2500型X射線衍射儀進(jìn)行物相分析，其中靶材為Cu靶，掃描速率為5 (°)/min，掃描角度為20°～90°。采用ZEISS Evo MA- 15掃描電子顯微鏡（Scanning Eectron Mcroscope，SEM）及其配套的能譜儀（Energy Dispersive Spectroscopy，EDS）進(jìn)行顯微組織觀察與分析。

1.3 力學(xué)性能測試

采用DNSl00型電子萬能試驗機(jī)對試樣進(jìn)行拉伸試驗，測試其力學(xué)性能，拉伸試樣標(biāo)距為18 mm，橫截面尺寸為4 mm×2.5 mm，試樣采用電火花切割機(jī)進(jìn)行加工制備，每種合金測試3個平行試樣，測試時拉伸速率為1.5 mm/min。

1.4 阻尼性能測試

采用動態(tài)力學(xué)分析儀（TA DMA-Q800），于單懸臂振動模式下對試樣阻尼性能進(jìn)行測試。阻尼測試樣品是采用電火花切割機(jī)制備的尺寸為40 mm×5 mm× 1 mm的樣品。分別進(jìn)行室溫下的應(yīng)變阻尼測試以及400 ℃升溫時的溫度阻尼測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀組織觀察

圖2a和d分別為原始態(tài)輪轂A的輻條和輪框上試樣的金相組織，可以發(fā)現(xiàn)試樣組織均勻，晶粒內(nèi)部相對潔凈，晶界處分布少量塊狀第二相組織。使用Nano measurer1.2計算出的合金平均晶粒尺寸，如圖3所示，試樣的平均晶粒尺寸約為21 μm。

圖2b和e分別為輪轂B的輻條和輪框上試樣的金相組織，可以發(fā)現(xiàn)試樣組織與輪轂A中的組織分布情況基本一致，但晶界處有更多的第二相析出（如圖4所示），其平均晶粒尺寸為19 μm。晶粒尺寸的減小可能與車輪生產(chǎn)的批次不同、檢測的誤差或視野的選取有關(guān)，從輪轂B的實物可看出其輻條及輪框邊緣更窄，進(jìn)而導(dǎo)致鎂合金非平衡凝固，冷速較快，晶粒更為細(xì)小[9-10]。同一輪轂輻條試樣上的平均晶粒尺寸均比輪框部位試樣的平均晶粒尺寸大約2 μm也是此原因。

圖2c和f分別為模擬高強(qiáng)度使用后的輪轂C的輻條和輪框上試樣的金相組織，可以發(fā)現(xiàn)輪框與輻條上組織有明顯的差異?？捎^察到合金的輪框和輻條組織中都出現(xiàn)明顯的混晶現(xiàn)象，即金屬基體內(nèi)晶粒大小混雜，細(xì)晶被夾在粗晶粒之間，這是因為車輪形狀不同導(dǎo)致其塑性加工程度不一致，或是在高速疲勞測試中導(dǎo)致局部產(chǎn)生晶粒的再結(jié)晶現(xiàn)象[11]。

圖2 AM60B鎂合金光學(xué)顯微組織

圖3 合金的平均晶粒尺寸

圖5a為輪轂B輪框上的SEM形貌，圖5b—e分別對應(yīng)圖a中、、、點EDS的檢測結(jié)果，圖5f為合金對應(yīng)的面掃圖。根據(jù)各點的EDS檢測結(jié)果和元素的面掃圖，可知點為Al和Mn元素富集區(qū)，推測亮點應(yīng)該為Al-Mn相，點為晶界處的富Al區(qū)，點為晶粒中心的α-Mg基體，呈灰白色的點為Mg-Al相。可以看出晶界處分布著大量的富Al區(qū)，部分Mn元素也聚集在晶界上，剩余Mn元素均勻彌散分布在晶內(nèi)，晶粒中心為α-Mg基體。

結(jié)合AM60B合金的XRD圖譜（見圖6），可知合金主要是由α-Mg基體和晶界處不連續(xù)分布的網(wǎng)狀β-Mg17Al12組成。晶界處的部分Al元素與Mg元素在晶界處形成β-Mg17Al12相，還有部分Al元素在Mn元素富集處與其形成Al-Mn相，呈顆粒狀或塊狀分布在晶界上。

圖4 AM60B輪轂A、B輻條上的光學(xué)顯微組織

圖5 合金的SEM顯微組織

2.2 力學(xué)性能

圖7為AM60鎂合金輻條上的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？梢钥闯?，原始態(tài)輪轂A的抗拉強(qiáng)度為215 MPa，伸長率為17.9%。經(jīng)放置4年輪轂B的抗拉強(qiáng)度提升到了234 MPa，但伸長率下降至16.6%。模擬使用態(tài)輪轂C的抗拉強(qiáng)度略有提升，為223 MPa，其伸長率有明顯提升，達(dá)到了19.3%。

輪轂B經(jīng)4年自然時效后，合金中析出了更多的第二相，使位錯增加，阻礙了滑移，易造成應(yīng)力集中，抗拉強(qiáng)度提升[12-15]，但其協(xié)調(diào)變形能力變差，導(dǎo)致伸長率下降。

圖6 AM60B車輪輻條上的XRD圖譜

輪轂C經(jīng)過人工疲勞測試，在塑性變形過程中，晶粒發(fā)生滑移，產(chǎn)生位錯的纏結(jié)，出現(xiàn)晶粒的拉長和破碎，金屬的內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力。一般來說，合金的強(qiáng)度和硬度會增加，但其塑性會下降，但因合金C在疲勞測試中局部產(chǎn)生高溫，發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，產(chǎn)生了混晶組織。

圖7 輻條上的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

混晶結(jié)構(gòu)有利于塑性變形過程中的位錯積累和儲存，又避免了細(xì)晶材料在塑性變形過程中容易發(fā)生應(yīng)變局部集中而過早斷裂的現(xiàn)象，顯著提高了材料的加工硬化和塑性變形能力。吉林大學(xué)Zhang等[16]研究了混晶結(jié)構(gòu)AZ91合金在高溫拉伸過程中的變形行為，結(jié)果表明混晶結(jié)構(gòu)中粗晶的連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶（Continuous Dynamic recrystallization，CDRX）和細(xì)晶的晶界轉(zhuǎn)動（Grain Boundary Sliding，GBS）的協(xié)同作用促進(jìn)了超塑性。在混晶結(jié)構(gòu)中，不同尺度晶粒在變形過程中存在變形不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象[17]，為了緩解變形不協(xié)調(diào)造成的影響，在晶界周圍會形成幾何必要位錯（Geometrically Necessary Dislocations，GND），GND的形成增強(qiáng)了加工硬化，促進(jìn)了交滑移的開啟，有利于材料強(qiáng)度和塑性的提高，粗細(xì)晶的不均勻變形通過促進(jìn)更多變形機(jī)制的啟動來增強(qiáng)材料的加工硬化[18]，進(jìn)而提高材料的力學(xué)性能，哈爾濱工業(yè)大學(xué)Xu等[19]研究也表明，混晶組織中粗晶在變形過程中會抑制局部的應(yīng)力集中，提高合金的塑性。近幾年的研究[20-24]也表明含混晶結(jié)構(gòu)的鎂合金在提高合金力學(xué)性能方面有很大的潛力。

2.3 阻尼性能

2.3.1 應(yīng)變阻尼

圖8a和b分別為合金輻條和輪框上的應(yīng)變-阻尼譜。可以看出，當(dāng)測試應(yīng)變較小時，合金的阻尼值均變化緩慢且基本一致，在應(yīng)變值增大到一定值時發(fā)生脫釘，隨后其阻尼值隨應(yīng)變的增長迅速變快。這符合GRANATO和LüCKE提出的位錯釘扎理論模型，也被稱作G-L位錯釘扎理論模型[25-26]。

式中：為位錯密度；c和N分別為弱釘扎點和強(qiáng)釘扎點間位錯段的平均長度；b為位錯和溶質(zhì)原子之間的釘扎力；為位錯的柏氏矢量；為非松弛模量；為應(yīng)變振幅。根據(jù)式（3）可知，鎂合金的阻尼性能與固溶原子的釘扎作用、位錯密度等因素密切相關(guān)[27-29]。

輪轂B由于經(jīng)過4年時效，合金內(nèi)部殘余應(yīng)力消解，空位濃度減小，對位錯釘扎作用減弱，導(dǎo)致其脫釘較早，在應(yīng)變?yōu)?×10?5時即發(fā)生脫釘，隨后阻尼值隨應(yīng)變顯著增長，其阻尼性能明顯提高。

合金C（輪轂C上取樣的合金）阻尼值略高于合金A，這是由于輪轂C經(jīng)疲勞測試后，產(chǎn)生加工硬化及混晶組織，位錯增多且進(jìn)一步增加了位錯的可動性，使合金C的阻尼能力優(yōu)于合金A。

2.3.2 溫度阻尼

圖9a—c分別為AM60B鎂合金輪轂A、B、C的溫度阻尼譜，可知試樣合金阻尼分為2個階段：第1階段約為250 ℃，隨著溫度的增長，阻尼性能緩慢增長；第2階段為250～400 ℃，隨著溫度的增長，阻尼性能迅速增長。頻率越大，阻尼值越小。由圖9d可看出，幾種不同工作狀態(tài)下合金的溫度阻尼譜變化不大。在升溫過程中并沒有出現(xiàn)阻尼峰（位錯阻尼峰和晶界阻尼峰）。據(jù)研究，當(dāng)Al元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1%時，Al原子的釘扎作用會阻礙位錯運(yùn)動，抑制了阻尼峰的出現(xiàn)。

圖8 AM60B輪轂的應(yīng)變阻尼譜

圖9 合金的溫度阻尼譜

3 結(jié)論

研究不同狀態(tài)的壓鑄鎂合金輪框及輻條的組織和力學(xué)性能及阻尼性能，得到了以下的主要結(jié)論。

1）在壓鑄車輪中，由于輪框區(qū)域壁厚較窄，冷速較快，晶粒更為細(xì)小，比輻條上晶粒小2 μm。在4年自然時效后，合金晶界處析出更多第二相；經(jīng)過模擬高強(qiáng)度使用后，車輪中局部出現(xiàn)加工硬化，并出現(xiàn)混晶組織。

2）對不同狀態(tài)車輪力學(xué)檢測分析發(fā)現(xiàn)，壓鑄車輪的抗拉強(qiáng)度為215 MPa，屈服強(qiáng)度為97 MPa，伸長率為17.86%；經(jīng)過4年時效的試樣，其抗拉強(qiáng)度增加，伸長率下降，這與時效析出相有關(guān)；在模擬高強(qiáng)度使用后，車輪抗拉強(qiáng)度略有增加，伸長率有所提升。

3）對不同狀態(tài)的車輪阻尼性能檢測分析發(fā)現(xiàn)，車輪B因自然時效后，試樣的阻尼性能大幅增加，這是由于其內(nèi)部殘余應(yīng)力減少，并對位錯的釘扎作用減弱，提升了合金的位錯阻尼。模擬使用后的車輪C由于加工硬化產(chǎn)生更多位錯，在一定程度上增加了阻尼性能。升溫過程中，由于合金中Al原子的阻礙作用，并未出現(xiàn)任何阻尼峰。

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Effect of Natural Aging and Work Hardening on Microstructure and Performance of Shared Bicycle Wheels

LI Nan-ting1, LU Ruo-peng1, ZHAO Yu-hong1, YAN Xi1, CUI Yun-bo2, HOU Hua1

(1. School of Materials Science and Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2. Taiyuan Kangmei Technology Development Co., Ltd., Taiyuan 030400, China)

The work aims to study the shared bicycle wheels of die-casting AM60B magnesium alloys under different working conditions to explore the practical application characteristics of Mg-alloy as bicycle wheels. The wheel A of die-casting magnesium alloy, the wheel B placed for four years, and the wheel C used in high intensity simulated by fatigue test were selected as the research objects to study the microstructure, mechanical properties and damping properties of die-casting alloy under different states. The tensile strength of the wheel A was 215 MPa, yield strength was 97 MPa, and elongation was 17.86%. The microstructure of wheel B had almost no change, but the plasticity declined to some extent, and the damping performance was the best. After fatigue test, wheel C had better strength and plasticity, and the damping performance was improved. The decrease in plasticity of the wheel B and the increase in damping performance may be related to the diffusion of solid solution atoms. The wheel C has a work hardening phenomenon, with a mixed crystal structure locally, which is the reason for the enhanced performance.

AM60 magnesium alloy; microstructure; mechanical properties; damping performance

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.03.015

TG146.22

A

1674-6457(2022)03-0116-08

2021-10-13

國家自然科學(xué)基金（51801189）；山西省科技重大專項（20191102008）；山西省青年科技研究基金（201801D221152）；中北大學(xué)青年學(xué)術(shù)帶頭人資助（11045505）；中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項資金（YDZX20191400002796）

李南婷（1997—），女，碩士生，主要研究方向為高模量及高阻尼鎂合金

魯若鵬（1988—），男，博士，副教授，主要研究方向為高強(qiáng)及高阻尼鎂合金