自然时效、加工硬化对共享单车轮毂微观组织及性能影响研究

李南婷，鲁若鹏，赵宇宏，闫希，崔云波，侯华

自然时效、加工硬化对共享单车轮毂微观组织及性能影响研究

李南婷1，鲁若鹏1，赵宇宏1，闫希1，崔云波2，侯华1

（1. 中北大学 材料科学与工程学院，太原 030051；2. 太原市康镁科技发展有限公司，太原 030400）

以不同工作状态下AM60B镁合金压铸成形的共享单车轮毂为研究对象，探讨镁合金作为自行车轮毂材料的实际应用特性。选取直接压铸的镁合金轮毂A，放置4年的轮毂B以及通过疲劳试验模拟高强度使用后的轮毂C为研究对象，对不同状态下压铸镁合金轮毂的微观组织、力学性能与阻尼性能进行研究。轮毂A抗拉强度为215 MPa，屈服强度为97 MPa，伸长率为17.86%；轮毂B中微观组织几乎无变化，但塑性出现一定下降，其阻尼性能最佳；轮毂C拥有更好的强度及塑性，阻尼性能有所改善。轮毂B塑性的下降与阻尼的提升可能与固溶原子的扩散有关。轮毂C出现了加工硬化的现象，局部存在混晶组织，这是其性能增强的原因所在。

AM60镁合金；显微组织；力学性能；阻尼性能

镁合金以其较低的密度、较高的比强度/刚度、良好的成形性、优良的减震性和易回收性等特性，在汽车、交通运输、3C电子产品和航空航天等领域都有着广泛应用。我国拥有丰富的镁矿资源，也是镁的生产及出口大国，但在镁合金产品的研制开发和应用上却并不足，与世界先进水平存在较大差距。镁合金的压铸产品以每年15%的增长速度广泛地应用于汽车、地铁、自行车等交通工具[1-4]。

我国是自行车生产和消费的头号大国，加上近年共享单车的热潮，越来越多的人选择共享单车作为出行的方式。共享单车的轮毂是由AM系镁合金压铸成形[5]。AM系镁合金中Al含量较低，合金中会析出较少的含Al第二相，使其具有良好的伸长率和韧性[6-8]，广泛应用在汽车工业中，如汽车的仪表盘、方向盘和座椅等。AM系镁合金在自行车上亦有较广的应用，近年来摩拜、青桔和骑呗等共享单车所采用的轮毂均为AM系镁合金压铸成形，相较于传统使用的铝合金轮毂，其质量可减轻到2/3，刚度大，加速性及稳定性良好，其良好的延伸性也可增加构件的抗冲击性能，还可以吸收震动和冲击达到减震的效果，使骑行有更好的体验。

镁合金结构件的主要成形方式为铸造成形，而其中90%以上是通过压铸成形生产的。在民用领域，镁合金主要作为壳体件或者非承重结构件，其中共享单车镁合金车轮是常见的镁合金结构件。中镁科技、太原康镁科技发展有限公司等企业目前致力于研发性能优良的压铸镁合金车轮，研究时间及使用情况对镁合金的微观组织、力学性能的影响，将有利于镁合金的推广与应用，为镁合金的大面积应用提供理论借鉴。

1 实验

1.1 材料

实验采用由太原市康镁科技发展有限公司生产的AM60B镁合金压铸成形的轮毂，如图1所示，分别为原始态轮毂A、放置4年的轮毂B，以及模拟使用态轮毂C，其中轮毂C疲劳试验时径向负载为640 N，以25 km/h（±10%）的表面线速度驱动滚筒，测试时轮胎撞击障碍块150万次。文中将上述3种状态的轮毂进行实验研究，所用的AM60B镁合金的实际成分如表1所示。

图1 3种不同工作状态下的轮毂

表1 AM60B合金的成分（质量分数）

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

1.2 显微组织表征

采用LEICA MC190 HD型光学显微镜对合金的组织进行金相观察，试样用金相砂纸打磨试样表面，再用磨抛机进行抛光，最后用苦味酸5 g+醋酸5 g+蒸馏水10 mL+乙醇100 mL配制而成的浸蚀剂浸蚀5～10 s，再进行观察。采用DX 2500型X射线衍射仪进行物相分析，其中靶材为Cu靶，扫描速率为5 (°)/min，扫描角度为20°～90°。采用ZEISS Evo MA- 15扫描电子显微镜（Scanning Eectron Mcroscope，SEM）及其配套的能谱仪（Energy Dispersive Spectroscopy，EDS）进行显微组织观察与分析。

1.3 力学性能测试

采用DNSl00型电子万能试验机对试样进行拉伸试验，测试其力学性能，拉伸试样标距为18 mm，横截面尺寸为4 mm×2.5 mm，试样采用电火花切割机进行加工制备，每种合金测试3个平行试样，测试时拉伸速率为1.5 mm/min。

1.4 阻尼性能测试

采用动态力学分析仪（TA DMA-Q800），于单悬臂振动模式下对试样阻尼性能进行测试。阻尼测试样品是采用电火花切割机制备的尺寸为40 mm×5 mm× 1 mm的样品。分别进行室温下的应变阻尼测试以及400 ℃升温时的温度阻尼测试。

2 结果与讨论

2.1 微观组织观察

图2a和d分别为原始态轮毂A的辐条和轮框上试样的金相组织，可以发现试样组织均匀，晶粒内部相对洁净，晶界处分布少量块状第二相组织。使用Nano measurer1.2计算出的合金平均晶粒尺寸，如图3所示，试样的平均晶粒尺寸约为21 μm。

图2b和e分别为轮毂B的辐条和轮框上试样的金相组织，可以发现试样组织与轮毂A中的组织分布情况基本一致，但晶界处有更多的第二相析出（如图4所示），其平均晶粒尺寸为19 μm。晶粒尺寸的减小可能与车轮生产的批次不同、检测的误差或视野的选取有关，从轮毂B的实物可看出其辐条及轮框边缘更窄，进而导致镁合金非平衡凝固，冷速较快，晶粒更为细小[9-10]。同一轮毂辐条试样上的平均晶粒尺寸均比轮框部位试样的平均晶粒尺寸大约2 μm也是此原因。

图2c和f分别为模拟高强度使用后的轮毂C的辐条和轮框上试样的金相组织，可以发现轮框与辐条上组织有明显的差异。可观察到合金的轮框和辐条组织中都出现明显的混晶现象，即金属基体内晶粒大小混杂，细晶被夹在粗晶粒之间，这是因为车轮形状不同导致其塑性加工程度不一致，或是在高速疲劳测试中导致局部产生晶粒的再结晶现象[11]。

图2 AM60B镁合金光学显微组织

图3 合金的平均晶粒尺寸

图5a为轮毂B轮框上的SEM形貌，图5b—e分别对应图a中、、、点EDS的检测结果，图5f为合金对应的面扫图。根据各点的EDS检测结果和元素的面扫图，可知点为Al和Mn元素富集区，推测亮点应该为Al-Mn相，点为晶界处的富Al区，点为晶粒中心的α-Mg基体，呈灰白色的点为Mg-Al相。可以看出晶界处分布着大量的富Al区，部分Mn元素也聚集在晶界上，剩余Mn元素均匀弥散分布在晶内，晶粒中心为α-Mg基体。

结合AM60B合金的XRD图谱（见图6），可知合金主要是由α-Mg基体和晶界处不连续分布的网状β-Mg17Al12组成。晶界处的部分Al元素与Mg元素在晶界处形成β-Mg17Al12相，还有部分Al元素在Mn元素富集处与其形成Al-Mn相，呈颗粒状或块状分布在晶界上。

图4 AM60B轮毂A、B辐条上的光学显微组织

图5 合金的SEM显微组织

2.2 力学性能

图7为AM60镁合金辐条上的拉伸应力-应变曲线。可以看出，原始态轮毂A的抗拉强度为215 MPa，伸长率为17.9%。经放置4年轮毂B的抗拉强度提升到了234 MPa，但伸长率下降至16.6%。模拟使用态轮毂C的抗拉强度略有提升，为223 MPa，其伸长率有明显提升，达到了19.3%。

轮毂B经4年自然时效后，合金中析出了更多的第二相，使位错增加，阻碍了滑移，易造成应力集中，抗拉强度提升[12-15]，但其协调变形能力变差，导致伸长率下降。

图6 AM60B车轮辐条上的XRD图谱

轮毂C经过人工疲劳测试，在塑性变形过程中，晶粒发生滑移，产生位错的缠结，出现晶粒的拉长和破碎，金属的内部产生残余应力。一般来说，合金的强度和硬度会增加，但其塑性会下降，但因合金C在疲劳测试中局部产生高温，发生了动态再结晶，产生了混晶组织。

图7 辐条上的拉伸应力-应变曲线

混晶结构有利于塑性变形过程中的位错积累和储存，又避免了细晶材料在塑性变形过程中容易发生应变局部集中而过早断裂的现象，显著提高了材料的加工硬化和塑性变形能力。吉林大学Zhang等[16]研究了混晶结构AZ91合金在高温拉伸过程中的变形行为，结果表明混晶结构中粗晶的连续动态再结晶（Continuous Dynamic recrystallization，CDRX）和细晶的晶界转动（Grain Boundary Sliding，GBS）的协同作用促进了超塑性。在混晶结构中，不同尺度晶粒在变形过程中存在变形不协调的现象[17]，为了缓解变形不协调造成的影响，在晶界周围会形成几何必要位错（Geometrically Necessary Dislocations，GND），GND的形成增强了加工硬化，促进了交滑移的开启，有利于材料强度和塑性的提高，粗细晶的不均匀变形通过促进更多变形机制的启动来增强材料的加工硬化[18]，进而提高材料的力学性能，哈尔滨工业大学Xu等[19]研究也表明，混晶组织中粗晶在变形过程中会抑制局部的应力集中，提高合金的塑性。近几年的研究[20-24]也表明含混晶结构的镁合金在提高合金力学性能方面有很大的潜力。

2.3 阻尼性能

2.3.1 应变阻尼

图8a和b分别为合金辐条和轮框上的应变-阻尼谱。可以看出，当测试应变较小时，合金的阻尼值均变化缓慢且基本一致，在应变值增大到一定值时发生脱钉，随后其阻尼值随应变的增长迅速变快。这符合GRANATO和LÜCKE提出的位错钉扎理论模型，也被称作G-L位错钉扎理论模型[25-26]。

式中：为位错密度；c和N分别为弱钉扎点和强钉扎点间位错段的平均长度；b为位错和溶质原子之间的钉扎力；为位错的柏氏矢量；为非松弛模量；为应变振幅。根据式（3）可知，镁合金的阻尼性能与固溶原子的钉扎作用、位错密度等因素密切相关[27-29]。

轮毂B由于经过4年时效，合金内部残余应力消解，空位浓度减小，对位错钉扎作用减弱，导致其脱钉较早，在应变为2×10−5时即发生脱钉，随后阻尼值随应变显著增长，其阻尼性能明显提高。

合金C（轮毂C上取样的合金）阻尼值略高于合金A，这是由于轮毂C经疲劳测试后，产生加工硬化及混晶组织，位错增多且进一步增加了位错的可动性，使合金C的阻尼能力优于合金A。

2.3.2 温度阻尼

图9a—c分别为AM60B镁合金轮毂A、B、C的温度阻尼谱，可知试样合金阻尼分为2个阶段：第1阶段约为250 ℃，随着温度的增长，阻尼性能缓慢增长；第2阶段为250～400 ℃，随着温度的增长，阻尼性能迅速增长。频率越大，阻尼值越小。由图9d可看出，几种不同工作状态下合金的温度阻尼谱变化不大。在升温过程中并没有出现阻尼峰（位错阻尼峰和晶界阻尼峰）。据研究，当Al元素质量分数超过1%时，Al原子的钉扎作用会阻碍位错运动，抑制了阻尼峰的出现。

图8 AM60B轮毂的应变阻尼谱

图9 合金的温度阻尼谱

3 结论

研究不同状态的压铸镁合金轮框及辐条的组织和力学性能及阻尼性能，得到了以下的主要结论。

1）在压铸车轮中，由于轮框区域壁厚较窄，冷速较快，晶粒更为细小，比辐条上晶粒小2 μm。在4年自然时效后，合金晶界处析出更多第二相；经过模拟高强度使用后，车轮中局部出现加工硬化，并出现混晶组织。

2）对不同状态车轮力学检测分析发现，压铸车轮的抗拉强度为215 MPa，屈服强度为97 MPa，伸长率为17.86%；经过4年时效的试样，其抗拉强度增加，伸长率下降，这与时效析出相有关；在模拟高强度使用后，车轮抗拉强度略有增加，伸长率有所提升。

3）对不同状态的车轮阻尼性能检测分析发现，车轮B因自然时效后，试样的阻尼性能大幅增加，这是由于其内部残余应力减少，并对位错的钉扎作用减弱，提升了合金的位错阻尼。模拟使用后的车轮C由于加工硬化产生更多位错，在一定程度上增加了阻尼性能。升温过程中，由于合金中Al原子的阻碍作用，并未出现任何阻尼峰。

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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

国家自然科学基金（51801189）；山西省科技重大专项（20191102008）；山西省青年科技研究基金（201801D221152）；中北大学青年学术带头人资助（11045505）；中央引导地方科技发展专项资金（YDZX20191400002796）

李南婷（1997—），女，硕士生，主要研究方向为高模量及高阻尼镁合金

鲁若鹏（1988—），男，博士，副教授，主要研究方向为高强及高阻尼镁合金