超聲滾壓對(duì)鋁合金表面質(zhì)量和耐磨性影響研究

尚方方，周振宇,樸鐘宇，葉國(guó)云,葉青云,秦紅玲,夏慶超

(1.三峽大學(xué) 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443000；2.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310023；3.寧波如意股份有限公司，浙江 寧波 315000； 4.浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310063)

引言

隨著機(jī)械動(dòng)力產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)已被應(yīng)用于交通運(yùn)輸、工業(yè)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域[1-3]。鋁合金液壓缸作為內(nèi)燃機(jī)最重要的組成部分，承擔(dān)著類似人體心臟的功能。目前，鋁合金液壓缸的工作環(huán)境日益惡化，并且運(yùn)行強(qiáng)度不斷提高，使得鋁合金液壓缸需要經(jīng)受巨大的挑戰(zhàn)。鋁合金液壓缸的主要失效形式有磨損、燒蝕、結(jié)膠。其中，磨損是鋁合金液壓缸缸體表面最常見、最大量的一種失效方式，會(huì)直接導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)功率降低、燃?xì)庑孤?，甚至是鋁合金液壓缸與活塞間出現(xiàn)卡死的嚴(yán)重事故。其面對(duì)惡劣的服役環(huán)境和工況時(shí)，需要保持較好表面形態(tài)并延長(zhǎng)使役壽命，因此對(duì)材料表面性能提出了較高要求。在一定工作環(huán)境下，材料表面的質(zhì)量直接決定材料的磨損性能。因此，提升其表面質(zhì)量是提升其抗磨損性能的主要途徑。同時(shí)，由于配合等限制，對(duì)鋁合金缸體表面粗糙度也存在一定的要求。

超聲滾壓是可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)鋁合金缸體表面表面強(qiáng)化以及表面光整的一體化加工方案。其在表面強(qiáng)化和表面光整間達(dá)到了良好的平衡，綜合提升了材料的表面性能，故在提升材料抗磨損性能方面被認(rèn)為是一項(xiàng)有潛力的加工技術(shù)[4-6]。在加工時(shí)，滾壓刀具在一定的靜壓力和超聲振動(dòng)協(xié)同作用下接觸試樣表面，隨后發(fā)生自轉(zhuǎn)并向待加工區(qū)域移動(dòng)。試樣表面在壓縮和剪切應(yīng)力的作用下產(chǎn)生塑性變形[7-9]。加工區(qū)域表面的微觀凸峰因塑性流動(dòng)向微觀凹谷流動(dòng)填充，有效平整了表面形貌[10]。同時(shí)塑性變形激活了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使表面衍生出大量的晶體學(xué)缺陷進(jìn)而改變了表層微觀結(jié)構(gòu)[10-16]。

各國(guó)學(xué)者廣泛研究表明，滾壓加工是一項(xiàng)具有很大潛力提高設(shè)備表面抗磨損能力的技術(shù)。YIN M G 等[17]研究了滾壓加工對(duì)Inconel 690合金抵抗沖擊滑動(dòng)磨損行為的影響。滾壓加工促使試樣表面晶粒細(xì)化，在試樣表面引入殘余壓應(yīng)力，因此有效降低了試樣的沖擊動(dòng)能吸收率和摩擦系數(shù)，增加了試樣耐磨性。

HERBSTER M等[18]對(duì)骨科植入物CoCr28Mo6進(jìn)行滾壓加工，在加工作用下試樣表層的相從面心立方堆積轉(zhuǎn)變?yōu)榱矫芏逊e，這有效增大了試樣的表層硬度，進(jìn)而增強(qiáng)了骨科植入物CoCr28Mo6的抗磨損能力。REN Z等[19]在傳統(tǒng)滾壓加工的基礎(chǔ)上引入了超聲振動(dòng)輔助，對(duì)鈦合金Ti5All4Mo6V2Nb1Fe實(shí)施超聲滾壓加工，這進(jìn)一步迫使試樣的表層發(fā)生塑性變形，誘發(fā)了位錯(cuò)的發(fā)生、積累、滑動(dòng)和重新排列，從而進(jìn)一步提高了表層的硬度，并引入了更大的殘余壓應(yīng)力。表層性能的提升對(duì)鈦合金Ti5Al4Mo6V2Nb1Fe的微動(dòng)磨損性能有著極大的提升，使得加工試樣磨損量?jī)H為原始試樣30%。

綜上，滾壓加工在一定程度上增強(qiáng)了試樣的抗磨損性能，而超聲振動(dòng)輔助可以進(jìn)一步提升滾壓加工后試樣的抗磨損性能，這主要?dú)w因于超聲振動(dòng)能進(jìn)一步降低試樣的表面粗糙度，增大表面硬度和殘余壓應(yīng)力。然而，到目前為止，超聲振動(dòng)輔助對(duì)于滾壓加工的促進(jìn)機(jī)制仍沒有較好解釋。

在本研究中，使用超聲滾壓加工對(duì)可用于液壓缸材料的鋁合金試樣進(jìn)行表面強(qiáng)化，同時(shí)基于分子動(dòng)力學(xué)解釋超聲振動(dòng)對(duì)滾壓加工的強(qiáng)化機(jī)制。激光共聚焦顯微鏡被用來表征加工后試樣的表面粗糙度；光學(xué)顯微鏡被用來表征加工后試樣橫截面的金相組織；顯微硬度儀被用來表征加工后試樣的截面硬度。通過干摩擦試驗(yàn)對(duì)加工前后鋁合金試樣的摩擦性能進(jìn)行對(duì)比研究，考察滾壓誘導(dǎo)表面梯度納米結(jié)構(gòu)對(duì)磨損行為的改善機(jī)制，并闡述相關(guān)機(jī)理。

1 試驗(yàn)和仿真

1.1 滾壓加工試驗(yàn)和表征

7075鋁合金廣泛應(yīng)用于缸體的制作，故選取7075鋁合金作為試驗(yàn)材料，試樣尺寸為30 mm×80 mm×10 mm的長(zhǎng)方體板材，加工面是尺寸為30 mm×80 mm的平面。7075鋁合金的化學(xué)成分及在室溫條件下的力學(xué)性能如表1及表2所示。在滾壓加工前需清除試樣表面拉毛和切屑瘤以保證表面特征形態(tài)均勻。

表1 7075鋁合金化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of 7075 aluminum alloy

表2 7075鋁合金力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of 7075 aluminum alloy

圖1顯示了超聲滾壓加工裝置，由多珠平面滾壓刀具，超聲振動(dòng)工件夾持平臺(tái)、Kistler測(cè)力傳感器組成。滾壓刀具通過多功能夾頭安裝于XK-714數(shù)控銑床的主軸處，由自行編寫的數(shù)控銑床程序控制刀具的運(yùn)行。超聲振動(dòng)工件夾持平臺(tái)整體采用螺栓連接的方式安裝在Kistler測(cè)力傳感器上，采用與機(jī)床分離的安裝方式能夠精準(zhǔn)測(cè)量出加工過程中試樣所受的力。超聲振動(dòng)工件夾持平臺(tái)以20 kHz頻率和9 μm振幅在垂直方向?qū)υ嚇邮┘映曊駝?dòng)。Kistler測(cè)力傳感器利用螺栓與XK-714數(shù)控銑床的T形槽剛性連接，固定在數(shù)控銑床的工作臺(tái)上。根據(jù)前期優(yōu)化的加工參數(shù)進(jìn)行無超聲滾壓加工和超聲滾壓加工，具體加工參數(shù)列于表3。

表3 四組滾壓工藝參數(shù)Tab.3 Four groups of rolling process parameters

圖1 超聲滾壓加工裝置Fig.1 Ultrasonic rolling processing device

1.2 試樣表征及摩擦磨損試驗(yàn)

使用白光干涉儀表征加工前后試樣的表面粗糙度，測(cè)量范圍為489.5 μm×489.5 μm。選擇3個(gè)試樣，對(duì)每個(gè)試樣的表面隨機(jī)選取5個(gè)測(cè)量區(qū)域，取平均值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。使用DMS-553 光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣拋光后橫截面的金相結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。使用HV-1000顯微硬度計(jì)表征拋光后試樣橫截面的硬度分布，載荷為50 g，加載時(shí)間為15 s。選擇3個(gè)試樣，對(duì)每個(gè)試樣的橫截面進(jìn)行5列測(cè)量點(diǎn)的硬度測(cè)量，取每行硬度的平均值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

摩擦磨損性能測(cè)試使用UMT-3型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，采用球-盤接觸方式往復(fù)運(yùn)動(dòng)形式在室溫18～25 ℃ 和相對(duì)濕度50%～60%下進(jìn)行測(cè)試。上試樣為直徑8 mm 的GCr15鋼球，硬度65 HRC；下試樣為未加工試樣與超聲滾壓試樣。在摩擦磨損試驗(yàn)前，對(duì)2個(gè)試樣表面進(jìn)行打磨處理，避免表面形貌對(duì)磨損行為產(chǎn)生影響，打磨后表面粗糙度低于0.1 μm。在20 N載荷、2 Hz頻率、4 mm往復(fù)行程和60 min試驗(yàn)時(shí)間下，對(duì)2組試樣進(jìn)行了平行的干磨損試驗(yàn)。對(duì)3，5，10，20，40，60 min時(shí)的磨痕形貌和磨損體積使用掃描電子顯微鏡和激光共聚焦顯微鏡進(jìn)行測(cè)定。

1.3 分子動(dòng)力學(xué)模擬

為了定性研究超聲振動(dòng)對(duì)于滾壓加工的影響，基于分子動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化加工過程，建立超聲振動(dòng)分子動(dòng)力學(xué)模型，如圖2所示。分子動(dòng)力學(xué)模型由單晶鋁基體(289 ?×217 ?×251 ?，共有768000個(gè)鋁原子)和金剛石球形壓頭(半徑30 ?，共有19885個(gè)碳原子)組成。金剛石球形壓頭在鋁基體表面滾動(dòng)，下壓量為25 ?，進(jìn)給速度為5 ?/ps，滾動(dòng)距離為175 ?。基體沿z軸施加超聲振動(dòng)，振動(dòng)頻率為100 GHz，振幅與工件的晶格常數(shù)近似，為0.5 ?。作為對(duì)比，引入無振動(dòng)狀態(tài)下的滾壓模擬。出于對(duì)計(jì)算效率和計(jì)算精度的綜合考量，模擬時(shí)間和模型尺寸均遠(yuǎn)小于實(shí)際情況。選擇L-J勢(shì)函數(shù)來模擬C-Al原子間作用力，如式(1)所示[20]，選擇EAM勢(shì)函數(shù)來模擬Al-Al原子間的作用力，如式(2)所示，參數(shù)列于表4、表5。

圖2 分子動(dòng)力學(xué)模型Fig.2 Molecular dynamics model

表5 Al-Al原子間EAM勢(shì)函數(shù)的參數(shù)值Tab.5 Parameter values of EAM potential function between Al atoms

(1)

式中，VLJ——分子間勢(shì)能

r——原子間距離

ε——?jiǎng)葳宓纳疃?/p>

σ——粒子-粒子勢(shì)能為0時(shí)的距離

定義L-J勢(shì)函數(shù)所需的參數(shù)如表4所示。

表4 C-Al原子間L-J勢(shì)函數(shù)的參數(shù)值Tab.4 Parameter values of L-J potential function between C-Al atoms

(2)

式中，E——晶體的總能量

Φij——相距rij的原子i和j之間的配對(duì)能量

Fi——將1個(gè)原子i嵌入到1個(gè)電子密度為ρi的區(qū)域點(diǎn)的嵌入能

re——最近鄰原子之間的平衡間距

A，B，α和β——4個(gè)待定參數(shù)

κ和λ——2個(gè)用于截?cái)嗟母郊訁?shù)

fi(rij)——相距rij的原子j在原子i位點(diǎn)產(chǎn)生的電子密度

定義EAM勢(shì)函數(shù)所需的參數(shù)列于表5[22]。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 加工力信號(hào)

加工過程中的法向力Fz和切向力Ft可以有效反映加工時(shí)試樣的塑性變形狀態(tài)。圖3a和圖3c所示為加工和超聲滾壓加工時(shí)Fz(超)隨加工時(shí)間的變化。滾壓加工和超聲滾壓加工過程中Fz總體處于平穩(wěn)狀態(tài)，波動(dòng)較小。但在滾壓刀具在進(jìn)給換向時(shí)Fz都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向下的尖峰。這是因?yàn)闈L壓刀具換向時(shí)，進(jìn)給速度會(huì)降至0，這減小了Fz。此外，對(duì)比圖3a和圖3c可以發(fā)現(xiàn)，超聲振動(dòng)的激勵(lì)可以有效降低滾壓加工過程中的Fz(超)。

圖3 加工過程力Fig.3 Processing force

圖3b和圖3d所示為滾壓加工和超聲滾壓加工整體過程的Fz和Ft的分布，圖中箱圖的中心白線代表平均力的大小，箱體的邊線代表25%和75%數(shù)據(jù)的大小，虛線代表10%和90%數(shù)據(jù)的大小，可以直觀體現(xiàn)加工時(shí)力的分布范圍，減少極端值的影響。滾壓加工Fz(滾)的平均值為1302 N，而超聲滾壓加工Fz(超)的平均值為1146 N。超聲振動(dòng)輔助顯著降低了Fz(超)的平均值，同時(shí)并未增大Fz(超)的波動(dòng)性。Fz(超)的減小是因?yàn)槌曊駝?dòng)作用下試樣發(fā)生了聲軟化，導(dǎo)致其變形抗力減小。對(duì)于Ft而言，超聲振動(dòng)并未明顯降低Ft的平均值，但是顯著抑制了Ft的波動(dòng)性，這主要?dú)w功于超聲輔助的強(qiáng)迫振動(dòng)抑制了試樣表面的自由振動(dòng)，這有利于優(yōu)化試樣表面的三維形貌，降低粗糙度。

2.2 試樣表征結(jié)果

圖4顯示為加工前后試樣表面的三維形貌。如圖4a所示，原始試樣的表面存在明顯的條紋狀形狀，表面均勻性較差，表面粗糙度根均方高度Sq和算術(shù)平均高度Sa分別為2162 nm和1722 nm；如圖4b所示，滾壓加工使原始試樣表面的宏觀波紋消除，Sq和Sa降低至354 nm和254 nm。滾壓加工時(shí)滾珠緊貼工件表面滾動(dòng)，接觸區(qū)域發(fā)生彈塑性變形。滾珠滾過后試樣表面會(huì)發(fā)生彈性回復(fù)的現(xiàn)象，可以在一定程度上改善試樣表面的三維形貌。但滾壓加工試樣表面仍存在明顯的波峰波谷，有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。超聲振動(dòng)的引入改變了滾壓加工過程中滾珠與試樣表面的接觸狀態(tài)、接觸力的大小和接觸力的分布；如圖4c所示，超聲滾壓加工進(jìn)一步優(yōu)化了試樣的表面三維形貌，使試樣表面平坦化，Sq和Sa進(jìn)一步降至185 nm和144 nm。

Sa和Sq是使用廣泛的表面形貌評(píng)價(jià)參數(shù)，但是難以對(duì)表面微凸體的形狀進(jìn)行全面描述。零件表面重要的特征是微觀幾何結(jié)構(gòu)和峰谷的分布。偏斜度Ssk與峭度Sku是表面微觀結(jié)構(gòu)形狀的描述，是基于概率密度函數(shù)的表面特征體現(xiàn)。Ssk和Sku取不同值時(shí)的含義如表6所示。顯然，良好的加工表面Ssk應(yīng)該為負(fù)，這表示粗糙面的尖峰比較少，這些尖峰會(huì)很快被磨平，表面的支承面積比偏斜度為正時(shí)大的多，零件的存油性好、耐磨性好、使用壽命會(huì)比較長(zhǎng)。

表6 Ssk和Sku 取不同值時(shí)的含義Tab.6 Meanings of different values of Ssk and Sku

圖4d所示為加工前后試樣的Ssk和Sku。原始試樣的Ssk為正，加工試樣的Ssk均為負(fù)，其中超聲滾壓試樣擁有更小的Ssk。超聲振動(dòng)的引入優(yōu)化了滾珠與試樣的接觸狀態(tài)和接觸力，所以致使加工后表面的Ssk相較于滾壓加工試樣更小，是具有較多深谷的優(yōu)質(zhì)表面結(jié)構(gòu)。3種試樣的Sku均大于3，其中加工試樣擁有更大的Sku，這和加工工藝的特點(diǎn)有很大關(guān)系。在研磨、磨削工藝中也存在Ssk小于0，Sku大于3的現(xiàn)象。滾壓加工引入超聲振動(dòng)后，加工時(shí)存在大量的隨機(jī)和局部的信息和結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致表面不可避免地存在許多顯著輪廓。Ssk小于0，Sku大于3表明試樣表面的小凸峰較少，在使役過程中會(huì)很快的被磨損掉，從而快速進(jìn)入磨合磨損狀態(tài)。

圖4 表面三維形貌Fig.4 Three-dimensional surface morphology

圖5a和圖5b顯示了滾壓加工和超聲滾壓加工試樣橫截面的金相結(jié)構(gòu)。滾壓加工制備了175 μm深的變形層，超聲滾壓加工制備了223 μm深的變形層。試樣表層晶粒在剪切應(yīng)力與擠壓作用下產(chǎn)生較大的塑性變形，促使原始的粗晶組織逐步轉(zhuǎn)化成納米晶。隨著與加工表面距離的增大，加工應(yīng)力被細(xì)晶層屏蔽了一部分，晶體學(xué)運(yùn)動(dòng)減弱，晶粒受力只發(fā)生扭曲拉伸呈現(xiàn)出緊密的流線型纖維狀組織。超聲振動(dòng)顯著增強(qiáng)了試樣內(nèi)部的晶體學(xué)運(yùn)動(dòng)，促使產(chǎn)生更深的梯度結(jié)構(gòu)。

圖5 加工試樣橫截面的金相組織Fig.5 Metallographic structure of cross section of processed sample

圖6顯示了滾壓加工試樣和超聲滾壓加工試樣橫截面的顯微硬度Hv分布。滾壓加工將試樣的硬度Hv從60～65 HV提高到65～101 HV，硬化層深度為550 μm。超聲滾壓加工將試樣的硬度從60～65 HV提高到60～112 HV，硬化層深度為850 μm。根據(jù)經(jīng)典Hall-Petch關(guān)系理論，晶粒尺度愈小，其力學(xué)性能宏觀表現(xiàn)愈強(qiáng)。因此，超聲滾壓加工使試樣表面晶粒得到進(jìn)一步細(xì)化，提升了材料表面的硬度，使?jié)L壓加工的影響深度加大。

圖6 加工試樣橫截面的硬度Hv分布Fig.6 Hardness distribution of cross section of processed sample

2.3 超聲振動(dòng)機(jī)理

在滾壓加工中引入超聲振動(dòng)可以顯著降低加工時(shí)的Fz(超)，進(jìn)一步優(yōu)化試樣的表面形貌和引入更多的晶體學(xué)缺陷，這主要?dú)w因于超聲振動(dòng)的聲軟化現(xiàn)象。分子動(dòng)力學(xué)模擬方法可以直觀、準(zhǔn)確地獲得原子尺度的結(jié)構(gòu)演化行為，對(duì)解釋超聲振動(dòng)輔助加工的機(jī)理具有重要意義。

圖7顯示了滾壓模型和超聲滾壓模型的Fz。滾壓模型的Fz(滾)整體上比超聲滾壓模型的Fz(超)大，同時(shí)2個(gè)模型Fz的波動(dòng)性并沒有較大的差異，這和圖3的結(jié)果可以較好的對(duì)應(yīng)。

圖7 滾壓模型和超聲滾壓模型的FzFig.7 Fz of rolling model and ultrasonic rolling model

圖8顯示了仿真完成后2個(gè)模型的表面/截面形貌。對(duì)比圖8a和圖8b，可以觀察到超聲振動(dòng)使試樣表面更加平整，這和圖4結(jié)果相一致。這主要是因?yàn)闈L珠運(yùn)動(dòng)強(qiáng)迫模型的原子堆積在滾珠的前部，滾珠滾動(dòng)時(shí)堆積原子部分被壓入基體，造成表面的不連續(xù)性。而在超聲振動(dòng)作用下，滾珠可以更均勻的迫使堆積原子分布在試樣的表面，使試樣更加平整。

圖8 仿真完成后模型表面/截面形貌Fig.8 Surface/section morphology of model after simulation

圖9顯示了仿真完成后2個(gè)模型內(nèi)位錯(cuò)的分布，其中不同顏色的線代表不同方向的伯格斯矢量的位錯(cuò)。對(duì)比圖9a和9b，超聲滾壓產(chǎn)生的位錯(cuò)比單純滾壓產(chǎn)生的位錯(cuò)更密集，同時(shí)也能在距表面位置更深的地方產(chǎn)生位錯(cuò)。對(duì)圖9的位錯(cuò)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖10所示。仿真結(jié)束后滾壓模型內(nèi)有223條位錯(cuò)，位錯(cuò)總長(zhǎng)度3125 nm，平均每條位錯(cuò)長(zhǎng)度14.0 nm；超聲滾壓模型內(nèi)有279條位錯(cuò)，位錯(cuò)總長(zhǎng)度3662 nm，平均每條位錯(cuò)長(zhǎng)度13.1 nm。超聲振動(dòng)作用下，模型內(nèi)部產(chǎn)生了更多的位錯(cuò)，但是每條位錯(cuò)的長(zhǎng)度較短。更多的位錯(cuò)和更深的位錯(cuò)分布，意味著超聲振動(dòng)能增強(qiáng)試樣的硬度，和圖6的結(jié)果一致。

圖9 仿真完成后模型內(nèi)位錯(cuò)分布Fig.9 Dislocation distribution in model after simulation

圖10 仿真完成后模型內(nèi)位錯(cuò)統(tǒng)計(jì)Fig.10 Dislocation statistics in model after simulation

滾壓模型和超聲滾壓模型在仿真過程中經(jīng)歷了塑性變形并引入了大量的空位和位錯(cuò)。滾珠產(chǎn)生的能量一部分消散到環(huán)境中，另一部分被基體吸收?；w被視為一個(gè)包含內(nèi)部應(yīng)力源的機(jī)械系統(tǒng)：位錯(cuò)的彈性自能、空位和間隙原子的變形能、位錯(cuò)之間的相互作用能以及空位與位錯(cuò)的相互作用能。內(nèi)部應(yīng)力源在機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)彈性場(chǎng)，使其具有特定的彈性能量，也就是勢(shì)能。如圖11所示，超聲振動(dòng)明顯提高了模型的勢(shì)能，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的大小增加。滾珠在加工過程中的阻力主要由基體中位錯(cuò)滑行所需的臨界剪切應(yīng)力決定。在內(nèi)部和外部應(yīng)力的協(xié)同作用下，基體中的位錯(cuò)滑移和增殖。超聲振動(dòng)將更大的勢(shì)能引入基體，使基體具有更大的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致位錯(cuò)含有更高的能量，減少了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需的活化能。因此，超聲振動(dòng)可以大大減少晶體變形所需的外部應(yīng)力，即降低了Fz(超)。超聲振動(dòng)可以增加位錯(cuò)的總長(zhǎng)度和位錯(cuò)的數(shù)量，主要是因?yàn)閯?shì)能的增加促進(jìn)了位錯(cuò)的滑移，使其更容易通過位錯(cuò)源進(jìn)行增殖，同時(shí)也減少平均位錯(cuò)長(zhǎng)度。位錯(cuò)長(zhǎng)度的降低，有效減少位錯(cuò)的糾纏程度，使位錯(cuò)由不可移動(dòng)變?yōu)榭梢苿?dòng)，減少塑性變形所需的外應(yīng)力。因此，在加工過程中引入超聲振動(dòng)可以促進(jìn)位錯(cuò)向基體內(nèi)部移動(dòng)，形成更深的高密度位錯(cuò)區(qū)。

圖11 仿真過程中模型勢(shì)能隨滾動(dòng)距離的變化趨勢(shì)Fig.11 Variation trend of model potential energy with rolling distance during simulation

2.4 干摩擦行為

圖12顯示了原始試樣和超聲滾壓試樣在磨損過程中的摩擦系數(shù)。超聲滾壓試樣比原始試樣更快的進(jìn)入磨合磨損階段。2種試樣在進(jìn)入磨合磨損的初期，摩擦系數(shù)均在0.8左右。隨著磨損試驗(yàn)的持續(xù)，2種試樣的摩擦系數(shù)都呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)，逐步穩(wěn)定到0.85左右。原始試樣和超聲滾壓試樣的摩擦系數(shù)并未存在明顯差異，整體趨勢(shì)數(shù)值相同。這個(gè)現(xiàn)象和很多文獻(xiàn)相符合，梯度結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑不會(huì)對(duì)摩擦系數(shù)產(chǎn)生顯著影響，和本研究結(jié)果相符合[23-26]。

圖12 磨損過程中摩擦系數(shù)Fig.12 Friction coefficient during wear

圖13顯示了原始試樣和超聲滾壓試樣在不同磨損時(shí)間下的磨痕深度和磨損率。磨損率是通過本時(shí)刻和上一時(shí)刻磨損量差值除以時(shí)間差值得到，代表這段時(shí)間的平均磨損量。圖13a顯示，在不同磨損時(shí)間內(nèi)，超聲滾壓試樣的磨痕深度均小于普通試樣，約為原始試樣的70%。2個(gè)試樣的磨痕深度隨磨損時(shí)間有相似的變化趨勢(shì)，圖13b顯示2個(gè)試樣均在磨損的早期有較大的磨損速率，隨著磨損的進(jìn)行，磨損速率逐漸降低并在20 min時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。在摩擦磨損的早期階段，試樣表面和對(duì)磨球發(fā)生直接接觸，同時(shí)接觸面積相對(duì)較小導(dǎo)致接觸應(yīng)力較大，因此產(chǎn)生了較大的磨損速率。隨著磨損的進(jìn)行，對(duì)磨球和試樣的接觸面積逐漸變大，降低了應(yīng)力集中程度，同時(shí)磨屑的聚集在一定程度上保護(hù)了磨痕，所以磨損速率逐步降低并達(dá)到穩(wěn)定。超聲滾壓加工有效降低了試樣的磨損速率，提升了試樣的抗磨損能力。

圖13 磨痕隨磨損時(shí)間的變化Fig.13 Variation of wear mark with wear time

圖14顯示了不同磨損時(shí)間下原始試樣和超聲滾壓試樣磨痕表面的形貌，由SEM拍攝得到。在磨損時(shí)間3 min時(shí)，原始試樣和超聲滾壓試樣的磨痕表面存在大量的梨溝，并有少量的磨屑附著在磨痕表面，如圖14a1和圖14b1所示。此時(shí)，2個(gè)試樣的磨損機(jī)制相同，為磨粒磨損。試樣表面在對(duì)磨球的作用下發(fā)生較大的塑性變形，所以磨損速率較大。在磨損時(shí)間5 min時(shí)，原始試樣表面性能發(fā)生衰退，無法支撐對(duì)磨球的壓入，表面產(chǎn)生了較多的撕裂狀裂紋，同時(shí)產(chǎn)生了較大的粘著坑，磨損機(jī)制為粘著磨損，如圖14a2所示。超聲滾壓試樣此時(shí)的磨損機(jī)制尚且沒有變化，主要為磨粒磨損，如圖14b2所示。隨著磨損時(shí)間的延長(zhǎng)，原始試樣磨痕的粘著剝落的面積逐漸增大，即粘著磨損的程度逐漸惡化如圖14a3～圖14a6所示。超聲滾壓試樣的粘著磨損程度也逐漸增大，但磨損機(jī)制仍是以磨粒磨損為主，如圖14b3～圖14b6所示。超聲滾壓加工改變了試樣的磨損機(jī)制，將其從粘著磨損為主轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp為主，這主要是因?yàn)槌暆L壓加工改變?cè)嚇颖砻娴臋C(jī)械性能。

圖14 不同磨損時(shí)間下局部磨痕形貌Fig.14 Local wear trace morphology under different wear time

磨損性能使由試樣表層的硬度、韌塑性和微觀結(jié)構(gòu)綜合決定的。超聲滾壓加工有效增強(qiáng)了試樣的硬度，但這往往會(huì)降低試樣表層的韌性。韌性的降低可以降低磨損過程中粘著節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)的影響深度，從而提高材料抵抗黏著磨損的能力。這也是超聲滾壓加工試樣的粘著磨損程度顯著低于原始試樣的主要原因。此外，超聲滾壓加工在可用于液壓缸材料的鋁合金試樣表層制備了細(xì)晶層，并伴隨著高密度晶界。細(xì)小的晶粒能增強(qiáng)材料抗磨損的能力。當(dāng)磨粒壓入深度小于晶粒尺寸時(shí)，晶粒對(duì)磨粒各自為戰(zhàn)，磨粒犁削所造成劃痕的深度和寬度就取決于該晶粒對(duì)磨粒劃傷的抗御能力。這種情況下，材料單個(gè)晶粒的作用就顯得格外突出。當(dāng)磨粒壓入深度大于晶粒的尺寸時(shí)，磨粒同時(shí)壓入并犁削多個(gè)晶粒。這種情況下，晶粒主要發(fā)揮整體防御作用。材料耐磨性就是這一整體對(duì)磨粒磨損抗力的表現(xiàn)。高密度的晶界可以將上試樣造成的塑性應(yīng)變局限在較小尺寸的區(qū)域內(nèi)，減小了試樣的整體塑性變形，有效的增強(qiáng)了試樣抗磨損能力。磨損過程中，試樣內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生裂紋，當(dāng)裂紋擴(kuò)展遇到晶界時(shí)，通常會(huì)抑制裂紋擴(kuò)展，并且強(qiáng)迫裂紋在路徑上經(jīng)常發(fā)生方向變化。隨著晶粒的進(jìn)一步細(xì)化，裂紋路徑上會(huì)發(fā)生更多的方向變化。一方面，這減小了沿每個(gè)方向的裂紋長(zhǎng)度，另一方面延長(zhǎng)了裂紋的總長(zhǎng)度，這最終抑制了裂紋擴(kuò)展速度。

3 結(jié)論

(1) 對(duì)7075鋁合金進(jìn)行滾壓加工和超聲滾壓加工，對(duì)比研究了超聲振動(dòng)對(duì)于滾壓的影響。超聲振動(dòng)的引入有效降低了加工過程中的Fz(超)(1302 N降低為1146 N)，進(jìn)一步光整了試樣表面(Sq354 nm降低為254 nm，Sa185 nm降低為144 nm)，增大了表面硬度(101 HV增加為112 HV)和增厚了加工影響深度(550 μm增加為850 μm)；

(2) 針對(duì)超聲滾壓加工開發(fā)了相應(yīng)的分子動(dòng)力學(xué)模型。超聲振動(dòng)有效降低了仿真過程中的Fz(超)，進(jìn)一步使加工表面平坦化，同時(shí)增大了模型內(nèi)部的位錯(cuò)密度。模型在加工時(shí)吸收了超聲振動(dòng)產(chǎn)生的能量，減少了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需的活化能，使試樣更易發(fā)生塑性變形；

(3) 對(duì)原始試樣和超聲滾壓試樣實(shí)施干摩擦試驗(yàn)。原始試樣和超聲滾壓試樣的摩擦系數(shù)均穩(wěn)定在0.85，并未存在明顯差異，但超聲滾壓試樣更快進(jìn)入磨合磨損階段。超聲滾壓加工在試樣表層構(gòu)筑了高密度的晶界，有效增強(qiáng)了試樣的抗磨損性能，其磨痕深度約為原始試樣的70%。