喷丸强度与覆盖率对AZ31B镁合金表面性能及疲劳寿命的协同影响机制研究

《Surface and Coatings Technology》：The effects of shot peening intensity and coverage on the surface properties and fatigue life of AZ31B magnesium alloy

本文为研究喷丸处理对AZ31B镁合金表面性能及疲劳行为的影响提供了深入见解。研究人员通过系统改变阿尔门强度（Almen intensity）和覆盖率（coverage）参数，探究了其对合金表面粗糙度、润湿性、硬度、残余应力及疲劳寿命的调控规律。结果表明，优化喷丸参数可显著诱导表层晶粒细化与孪生，产生高达-229.3 MPa的残余压应力，并将疲劳寿命提升高达100倍。该研究为镁合金在汽车轻量化关键部件上的抗疲劳制造提供了重要的工艺优化依据。

　　

在当今节能减排的全球背景下，轻量化已成为汽车与航空航天工业发展的核心方向。镁合金，作为最轻的金属结构材料，因其卓越的比强度而备受青睐。然而，镁合金固有的疲劳强度不足问题，严重制约了其在承受循环载荷的关键部件（如转向和悬架系统）上的广泛应用。AZ31B作为最常用的变形镁合金之一，其疲劳性能的提升是推动其工程应用的关键。喷丸处理作为一种经济高效的表面强化技术，能够通过引入残余压应力和应变硬化来改善材料的疲劳性能。但镁合金硬度较低，对喷丸工艺参数极为敏感，过度的喷丸（Overpeening）反而会因表面粗糙度急剧增加或微裂纹的产生而损害其疲劳寿命。因此，精确揭示喷丸强度与覆盖率对AZ31B镁合金表面性能及疲劳寿命的协同作用机制，并寻找最优工艺窗口，对于释放该材料的应用潜力具有至关重要的意义。本研究论文发表于《Surface and Coatings Technology》，旨在系统解答这一问题。

为开展本研究，研究人员采用了精细玻璃珠对AZ31B镁合金试样进行了喷丸处理。实验设计采用了3²全因子设计，系统考察了阿尔门强度（I_A, 0.05, 0.15, 0.25 mm A）和覆盖率（C, 100%, 200%, 300%）两个关键参数。研究团队运用扫描电子显微镜（SEM）分析微观结构演变，利用光学轮廓仪测量表面粗糙度（Sa），通过接触角测量仪评估润湿性，采用显微维氏硬度计和纳米压痕技术分别表征表面硬度和沿深度方向的力学性能梯度，并基于纳米压痕数据估算了残余应力（σ_R）。最终，通过轴向疲劳试验（最大应力200 MPa，应力比R=0）评估了各喷丸工艺下合金的疲劳寿命（N）。

3.1. 微观结构

SEM分析表明，喷丸处理在AZ31B合金表面引发了显著的塑性变形，可见近似球形的弹丸冲击凹坑。显示，喷丸导致了严重的孪生和近表层晶粒细化。孪晶（图中橙色虚线标出）是镁合金在剧烈塑性变形过程中的典型特征。能谱（EDS）分析证实，喷丸处理未改变合金的化学成分，也未引起元素偏聚。

3.2. 表面粗糙度

未经处理的AZ31B合金初始表面粗糙度（Sa）为（0.41 ± 0.11）μm。喷丸处理后，表面粗糙度显著增加，且主要受阿尔门强度影响，强度越高，粗糙度越大。覆盖率对粗糙度的影响则不显著。回归模型表明，表面粗糙度与阿尔门强度呈强相关（调整后R2 > 0.97）。

3.3. 润湿性

喷丸处理使AZ31B合金表面更加亲水，接触角从未处理的76.85°降低。接触角的减小主要与阿尔门强度增加导致的表面粗糙度升高有关，符合Wenzel模型对于亲水材料的描述。覆盖率对接触角的影响甚微。

3.4. 表面硬度

喷丸处理显著提高了合金的表面显微硬度，增幅达50%至150%。纳米压痕测试进一步揭示，高阿尔门强度或高覆盖率处理均能在材料近表面形成一层应变硬化层，其深度随阿尔门强度的增加而增加。例如，在I_A= 0.25 mm A时，硬化层深度可达约100 μm。

3.5. 纳米压痕

纳米压痕结果清晰地展示了硬度和残余应力沿深度的分布。和 表明，所有喷丸处理均在表面引入了残余压应力，且压应力值随阿尔门强度和覆盖率的增加而变得更负。高阿尔门强度处理在表面产生了最大的残余压应力（如-229.3 MPa），并且其影响层更深。

3.6. 疲劳行为

疲劳试验是本研究的核心。所有喷丸处理均在一定程度上延长了AZ31B合金的疲劳寿命。显示，在最优工艺参数下（I_A≤ 0.05 mm A, C = 200–300%），疲劳寿命相较于未处理试样最高可提升100倍。研究人员建立了一个关于疲劳寿命（logN）的显著回归模型，该模型最关键的一项是阿尔门强度与覆盖率的交互项，其系数为负，表明二者需协同优化。断裂表面分析发现，未经处理和轻强度喷丸的试样，疲劳裂纹起源于表面；而采用较高强度或覆盖率的试样，裂纹萌生点则转移至表层以下几微米处的缺陷，这归因于高强度喷丸可能引入的亚表面损伤或过度孪生带来的应力集中。

4. 讨论与5. 结论

本研究通过系统的实验设计和分析，深入揭示了阿尔门强度和覆盖率对AZ31B镁合金表面性能与疲劳寿命的复合影响规律。研究结论指出，存在一个最优的喷丸工艺窗口：即采用较低的阿尔门强度（不高于0.05 mm A）配合中等偏高的覆盖率（200%至300%），可以最大化合金的疲劳寿命。在此条件下，喷丸处理诱导的表层晶粒细化、孪生、高硬度和显著的残余压应力共同作用，有效抑制了疲劳裂纹的萌生和扩展。然而，过高的强度或覆盖率会导致表面粗糙度剧增、产生微裂纹或亚表面损伤，从而引发“过喷”现象，反而对疲劳性能产生不利影响。这项研究不仅为AZ31B镁合金的抗疲劳制造提供了精确的工艺指南，其建立的疲劳寿命预测模型对其它类似材料的喷丸工艺优化也具有重要的参考价值，有力地推动了镁合金在轻量化结构件领域的可靠应用。