超聲振動處理對黃銅合金組織、拉伸性能、硬度和磨損行為的影響
前言：
黃銅是一種廣泛應用的重要金屬合金，其具有良好的機械性能和耐腐蝕性能，是以在各種領域得到了廣泛應用。
為了進一步提高黃銅的性能，近年來，研究人員開始探索利用超聲振動處理技術對黃銅合金進行改性。超聲振動處理作為一種機械表面處理技術，通過在液體媒體中引入高頻聲波振動，可以引起材料微觀結構的變化，進而影響材料的性能。
今天我就帶大家一起研究超聲振動處理對黃銅合金的組織結構、拉伸性能、硬度和磨損行為的影響。
一、機械性能
一般來說，工程合金的力學性能随着微觀結構的細化而提高，合金的抗拉強度和硬度與晶粒尺寸有關。晶粒的細化導緻晶界數量的增加，這些晶界作為阻礙位錯運動的障礙。這些位錯堆積在晶界處，強化了金屬合金。是以，合金的硬度和抗拉強度随着晶粒尺寸的減小而提高。
鑄造黃銅合金在不同應用載荷下未經和經 USV 處理的重量損失。可以發現超聲處理合金的重量損失小于未處理合金的重量損失。
然而，由于磨損表面上的剪切應力增加，重量損失會随着施加載荷的增加而增加。超聲處理黃銅合金耐磨性的這種改善可歸因于微觀結構細化和通過 USV 處理獲得的所研究黃銅合金的高硬度的影響。
根據 Archard 方程，多晶材料的耐磨性随着其硬度的增加而增加。是以，與未經處理的合金相比，經超聲處理的黃銅合金耐磨性的提高與其硬度的增加有關。
二、硬度和磨損測試
使用相同的顯微組織樣品對所研究的鑄件進行布氏硬度測試。布氏硬度測試儀（型号 INSTRON WOLPERT，TESTOR 971/3000）用于測定布氏硬度值。球壓頭的直徑和施加的載荷分别為 5 mm 和 250 Kgf。考慮五次成功測量的平均值以獲得硬度值。
幹滑動磨損試驗根據 ASTM G99-05 标準在室溫下使用銷環試驗機進行。具有直徑為 7 毫米和高度為 12 毫米的圓柱形磨損試樣是從所研究的鑄件中加工出來的，這些鑄件在同一位置沒有和有 USV 處理。
配合面環材料為硬度為 63 HRC 且外徑尺寸為 73 mm 的硬化滾珠軸承鋼環。在磨損測試之前，對所研究的樣本和配對環的表面進行研磨和抛光，然後在丙酮浴中超聲清洗 15 分鐘并風幹。
在環境大氣中以 10 m/s 的恒定滑動速度施加不同的施加載荷（10、20、30、40、50 N），測試時間為 20 分鐘。磨損試驗的每種條件使用三個試樣并取平均值。在磨損試驗前後，使用精度為 0.1 mg 的精密天平測定所研究樣品的重量。
根據重量損失考慮磨損率的演變。SEM 還用于檢查磨損表面，以評估相應的磨損機制。XRD 結果表明，在未經 USV 處理和經 USV 處理的黃銅合金中存在相同的α和β相以及 Pb 元素。
未經 USV 處理，微觀結構呈現拉長的平均長度為 165 µm 的樹枝狀α相和粗大的枝晶間β相，此外，這種微觀結構的形态可以通過經典的 Widmanstäetten 結構來識别。
在應用 USV 處理的情況下，當交變壓力達到空化門檻值以上時，熔體中會産生許多微小氣泡。這些氣泡開始生長，然後在連續膨脹/壓縮狀态下脈動，然後坍塌。
由于在凝固過程中應用 USV 處理，兩種晶粒細化機制并存：空化增強異質成核，然後是空化誘導的枝晶碎裂。
對于研究的黃銅合金，在大約 940 °C 的澆注溫度和大約 910 °C 的液相線溫度之間的凝固過程的第一階段，空化增強的異質成核是主導機制，由于尚未開始凝固，是以在此溫度下不可能發生枝晶破碎。
通過空化産生的氣泡内部的氣體膨脹，這導緻氣泡/液體界面處的液體過冷并是以導緻氣泡表面處的成核。第二種機制與壓力脈沖-熔點 (T) 機制有關，
由于氣泡破裂導緻壓力脈沖增加導緻凝固點 Tm發生變化。是以，随着T m的增加，過冷度會增加，進而提高成核率。
氣泡破裂産生的壓力脈沖在熔體中産生大量能量，進而導緻不溶性非金屬夾雜物可以被熔體潤濕。是以，這些基闆在凝固過程中形成活性核，進而在低過冷度下增強異質形核。第一種機制僅在氣泡膨脹階段發生，而其他機制則需要氣泡破裂。
在液相線溫度以下，主要的細化機制是空化引起的枝晶碎裂。該機制假設氣泡破裂産生沖擊波導緻枝晶碎裂，它們在聲流期間重新分布。
空化增強的異質成核和空化誘導的枝晶破碎兩種機制都可以在熔體中産生大量核。是以，所研究的黃銅合金的顯微組織顯着細化，并且可以實作α和β相的更均勻化。
總結：
這些研究成果揭示了超聲振動處理在黃銅合金改性方面的潛力，并為黃銅合金的工藝改進和性能優化提供了重要的參考和指導。
超聲振動處理技術的應用為黃銅合金的性能提升和廣泛應用領域的需求提供了新的途徑。未來的研究可以進一步探索超聲振動處理對黃銅合金的微觀機制，并優化處理參數以獲得更優異的性能。
