0.   引言

45鋼作為一種優(yōu)質(zhì)碳鋼,應(yīng)用廣泛。由45鋼材料制造的物理試樣在膨脹斷裂過(guò)程中,會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的加/卸載路徑、大變形過(guò)程,存在多種斷裂模式（層裂、剪切、拉伸）的競(jìng)爭(zhēng)與耦合,其破壞位置存在一定的隨機(jī)性。為保證斷裂試驗(yàn)結(jié)果的一致性,工件應(yīng)具有較高的表面完整性和斷裂性能[1-2]。表面強(qiáng)化技術(shù)可以在一定程度上改善工件的表面完整性,同時(shí)影響其力學(xué)性能。目前已有了多種表面強(qiáng)化技術(shù),包括噴丸、滾壓、激光沖擊、機(jī)械研磨等[3]。超聲滾壓技術(shù)是將超聲輔助與表面滾壓技術(shù)相結(jié)合的新型加工技術(shù)[4],廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、核工業(yè)、汽車、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域[5-10]。超聲滾壓可以同時(shí)對(duì)工件施加靜壓載荷以及由超聲振動(dòng)產(chǎn)生的沖擊動(dòng)載荷,使工件表面產(chǎn)生較大的塑性變形,從而改變其表面完整性并影響其力學(xué)性能。 

超聲滾壓工藝參數(shù)的選擇直接決定了材料表面強(qiáng)化效果。ZHANG等[11]對(duì)17Cr2Ni2MoVNb鋼進(jìn)行了不同靜壓力下的超聲滾壓處理,發(fā)現(xiàn)隨著靜壓力增加,材料表面晶粒逐漸細(xì)化,顯微硬度明顯提高,殘余壓應(yīng)力也隨之增大。LI等[12]研究發(fā)現(xiàn),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(jié)構(gòu),進(jìn)而改善了其微動(dòng)磨損性能。耿紀(jì)龍等[13]研究發(fā)現(xiàn),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(qiáng)度增加,塑性下降。陳蔚清等[14]研究發(fā)現(xiàn),超聲滾壓處理后7B85合金試樣的顯微硬度、抗拉強(qiáng)度以及屈服強(qiáng)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(shù)選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致工件發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形,使力學(xué)性能降低[11-13]。 

目前,研究多集中于超聲滾壓對(duì)工件表面粗糙度、表面組織、表面硬度和表面殘余應(yīng)力影響的研究,有關(guān)超聲滾壓參數(shù)對(duì)材料表面完整性與沖擊性能綜合影響的研究報(bào)道較少。為此,作者設(shè)計(jì)了以靜壓力、振幅、滾壓道次等超聲滾壓工藝參數(shù)為因素,以表面粗糙度、殘余應(yīng)力、顯微硬度和沖擊吸收功為響應(yīng)的正交試驗(yàn),研究了超聲滾壓處理參數(shù)對(duì)45鋼表面完整性與沖擊性能的影響,以期為推動(dòng)超聲滾壓技術(shù)在物理研究試樣制造領(lǐng)域發(fā)展應(yīng)用提供支撐。 

1.   試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為軋制退火態(tài)45鋼棒料,由攀鋼集團(tuán)有限公司生產(chǎn),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(shè)備進(jìn)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(shè)計(jì)了3因素3水平的正交試驗(yàn),因素水平如表1所示,圓餅試樣雙面均只沿一個(gè)方向進(jìn)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(jīng)體積分?jǐn)?shù)5%硝酸乙醇溶液腐蝕后,采用Zeiss Axio Observer型光學(xué)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(zhǎng)度切短得到尺寸為55 mm×10 mm×12 mm的沖擊試樣,根據(jù)GB/T 229—2020,采用NI500C型沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)。采用402MVD型數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)測(cè)試截面顯微硬度,載荷為245 mN,保載時(shí)間為10 s,測(cè)試點(diǎn)間隔50 μm,以遠(yuǎn)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(duì)應(yīng)的深度為硬化層深度[14]。采用μ-X360s型XRD殘余應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)試試樣殘余應(yīng)力,測(cè)試區(qū)域選在距試樣樣邊緣10~15 mm區(qū)域以避免取樣過(guò)程中應(yīng)力釋放導(dǎo)致的殘余應(yīng)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(yīng)力通過(guò)對(duì)圓餅試樣進(jìn)行逐層電解腐蝕來(lái)測(cè)試,電解液為飽和NaCl溶液,每腐蝕30 s測(cè)試剝層深度和殘余應(yīng)力。采用Surtronic S-100型手持式粗糙度儀測(cè)試表面粗糙度。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1   正交試驗(yàn)結(jié)果

由表2和圖1可知,不同工藝參數(shù)超聲滾壓后試樣的表面粗糙度均不高于0.16 μm,遠(yuǎn)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?yàn)殪o壓力與振幅均較大的工況下,試樣表面受到嚴(yán)重沖擊,產(chǎn)生了表面損傷；滾壓道次對(duì)表面粗糙度影響較小。當(dāng)靜壓力為800 N、振幅為5 μm、滾壓道次為3時(shí),表面粗糙度最小。 

圖  1  試樣表面粗糙度、硬化層深度、表面殘余應(yīng)力和沖擊吸收功隨工藝參數(shù)的變化趨勢(shì)

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(yīng)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(yīng)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?yàn)殪o壓力在800~1 200 N間達(dá)到了使殘余壓應(yīng)力增加的臨界值,此時(shí)靜壓力增加會(huì)加劇工件表面損傷,引起一定程度的表面應(yīng)力釋放[15]。當(dāng)靜壓力為1 200 N、振幅為7 μm、滾壓道次為3時(shí),表面殘余應(yīng)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(duì)比可知,試驗(yàn)參數(shù)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(dāng)靜壓力為400 N,振幅為7 μm,滾壓道次為3時(shí),沖擊吸收功最大。 

2.2   方差分析

使用F檢驗(yàn)對(duì)各因素進(jìn)行方差分析,如表3所示。對(duì)于表面粗糙度,F0.2（2,6）和F0.25（2,6）分別為2.129,1.762,當(dāng)給定顯著性水平為0.25時(shí),F超過(guò)1.762,說(shuō)明振幅對(duì)試樣表面粗糙度有顯著影響,其他參數(shù)無(wú)顯著影響。對(duì)于表面殘余應(yīng)力,F0.05（2,6）和F0.10（2,6）分別為5.143,3.463,當(dāng)給定顯著性水平為0.1時(shí),靜壓力對(duì)試樣表面殘余應(yīng)力有顯著影響,其他參數(shù)無(wú)顯著影響。對(duì)于硬化層深度,F0.05（2,6）和F0.10（2,6）分別為5.143,3.463,當(dāng)給定顯著性水平為0.1時(shí),超聲滾壓靜壓力參數(shù)對(duì)硬化層深度有顯著影響,其他參數(shù)均方均小于誤差均方,對(duì)結(jié)果無(wú)顯著影響。對(duì)于沖擊吸收功,F0.15（2,6）和F0.10（2,6）分別為2.646,3.463,當(dāng)給定顯著性水平為0.15時(shí),滾壓道次對(duì)沖擊吸收功有顯著影響,其他參數(shù)無(wú)顯著影響。 

2.3   殘余應(yīng)力及顯微硬度沿層深分布

由圖2（a）可見：不同參數(shù)超聲滾壓后試樣的最大殘余壓應(yīng)力均出現(xiàn)在表面,且隨深度增加而減小,殘余壓應(yīng)力有效深度在600~800 μm。 

圖  2  不同工藝參數(shù)超聲滾壓后試樣的殘余應(yīng)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(shù)超聲滾壓后試樣的顯微硬度沿層深的變化趨勢(shì)基本相同,均先增大后減?。蛔畲箫@微硬度出現(xiàn)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(shí)超聲滾壓后試樣的最大顯微硬度出現(xiàn)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(shí)的最小,約30 μm,其余試樣均在50~70 μm范圍內(nèi)。通過(guò)對(duì)比顯微硬度和殘余應(yīng)力沿層深分布特征可知,硬化層深度小于殘余壓應(yīng)力影響深度,這是因?yàn)闅堄鄩簯?yīng)力雖在一定程度提高了顯微硬度,但應(yīng)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(shù)超聲滾壓后試樣表層區(qū)域均產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形,晶粒呈細(xì)條流線狀。這種流線狀晶粒區(qū)域距表面距離在30~90 μm（標(biāo)于圖左上角）,與最大硬度出現(xiàn)深度相對(duì)應(yīng)。由上可知,試樣最大顯微硬度不出現(xiàn)在近表面區(qū)域,可能是因?yàn)槌暆L壓過(guò)程中產(chǎn)生了大量的熱,使得表面部分發(fā)生軟化并產(chǎn)生了再結(jié)晶[18-19]。 

圖  3  不同工藝參數(shù)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(biāo)優(yōu)化

考慮各因素對(duì)殘余應(yīng)力、沖擊吸收功、表面粗糙度的影響,以獲得綜合性能優(yōu)異的試樣,采用灰色關(guān)聯(lián)田口法對(duì)正交參數(shù)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化[20]：將正交試驗(yàn)結(jié)果歸一化后計(jì)算灰色相關(guān)系數(shù)、主成分分析法計(jì)算權(quán)重、計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度、獲得最優(yōu)參數(shù)組合。獲得的線性組合系數(shù)及權(quán)重結(jié)果見表4,灰色關(guān)聯(lián)度響應(yīng)圖見圖4,灰色關(guān)聯(lián)度越高,代表與預(yù)期目標(biāo)越接近,可由此獲得最佳參數(shù)組合。可知,最佳超聲滾壓工藝參數(shù)為靜壓力400 N,振幅7 μm,滾壓道次3,此時(shí)試樣灰色關(guān)聯(lián)度最大,即表面完整性和沖擊性能較好。 

圖  4  灰色關(guān)聯(lián)度響應(yīng)圖

Figure  4.  Grey correlation response diagram

3.   結(jié)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(yīng)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(duì)表面粗糙度、表面殘余應(yīng)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(shù)為靜壓力400 N,振幅7 μm,滾壓3次,此時(shí)試樣灰色關(guān)聯(lián)度最大,表面完整性和沖擊性能較好。 

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