超细晶6061Al-Mg-Si铝合金的力学性能和摩擦磨损行为

发布时间：2017-05-01 23:02

  本文关键词：超细晶6061Al-Mg-Si铝合金的力学性能和摩擦磨损行为，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：Al-Mg-Si-(Cu)6000系铝合金因其良好的力学性能、优异的可焊接性、耐腐蚀性和良好的可成型性,在汽车制造、航空航天等领域中得到了广泛的应用。但该合金系的强度与7000系等铝合金相比,尚需提高。大塑性变形(SPD)技术是细化晶粒的有效方法,可明显提高金属材料的强度,其中等通道转角挤压(ECAP)技术利用剪切变形能够获得块体超细晶结构材料,是最具有应用前景的SPD技术。国内外有关大塑性变形超细晶6000系铝合金的微观结构和强韧性研究比较系统,但对其摩擦磨损行为的研究较少。因此,深入研究ECAP超细晶6061铝合金的摩擦磨损性能,并且分析其微观结构和力学性能对摩擦磨损行为的影响,具有十分重要的意义。本文以6061 Al-Mg-Si铝合金为研究对象,利用X射线衍射(XRD)、差示扫描量热法(DSC)、拉伸试验和透射电镜(TEM)等表征方式,分析并研究了不同温度动态时效ECAP对6000系铝合金微观组织和力学性能的影响。特别是,选用强度和塑韧性最佳的ECAP铝合金试样与固溶态、峰时效态(T6)试样在不同载荷下进行摩擦磨损试验对比。通过扫描电镜(SEM)、表面轮廓仪和能谱仪(EDS)对比分析磨损表面、磨痕亚表面和磨屑,探究超细晶铝合金的磨损机制以及微观结构对超细晶材料摩擦磨损行为的影响。所得结果总结如下:(1)通过分析XRD射线衍射图,计算出动态时效ECAP后的6061铝合金的平均晶粒尺寸、平均晶格应变和位错密度。ECAP后平均位错密度在0.25×1014 m 2~1.75×1014 m 2之间,晶粒尺寸在100 nm~173 nm,均已达到超细晶级别。(2)DSC和TEM分析均表明,6061铝合金在不同温度ECAP变形后,试样中均已经发生了不同程度的β"和β'相的动态析出。6061铝合金经过170°C动态时效ECAP后存在大量β"析出相和位错,极细的析出相颗粒可能对周围的位错起到了钉扎作用,增加了合金强度。(3)ECAP工艺与适当的时效工艺相结合可以显著提高6061铝合金的力学性能。与固溶态的力学性能相比较,ECAP铝合金的抗拉强度提高了2~3倍,由151 MPa提高到310~450 MPa;屈服强度提高了4~6倍,由67 MPa提高到272~425 MPa。110°C动态时效ECAP的抗拉强度和屈服强度分别为450MPa和425MPa,均匀伸长率为15%,达到高强度铝合金级别。ECAP试样的高强度归因于析出相强化、位错强化和细晶强化的共同作用。(4)载荷为5~25 N时,110°C动态时效ECAP铝合金平均摩擦系数变化范围为0.4567~0.528。任意载荷下,110°C动态时效ECAP铝合金的平均摩擦系数和磨损率都小于固溶态和T6态试样。时效+ECAP工艺在6061铝合金的减摩性能上起到了明显的效果,能够带来更优异的耐磨性能。(5)超细晶和粗晶6061铝合金在常温下的磨损机制种类和转化顺序为磨粒磨损→氧化磨损+剥层磨损→粘着磨损→表面疲劳磨损。110°C动态时效ECAP铝合金试样在5 N、10 N和25 N时的主导磨损机制分别为磨粒磨损、氧化磨损+剥层磨损和粘着磨损。(6)经过110°C动态时效ECAP处理后,超细晶6061铝合金在5 N和10 N时出现的磨损机制种类分别与粗晶试样在10 N和25 N时出现的磨损机制种类相同,即6061铝合金经过110°C动态时效ECAP处理后,对磨损机制的转变起到了一定的推迟作用。(7)文献中大多数超细晶材料由于强度增加塑韧性降低,在摩擦过程中导致耐磨性能下降。经过110°C动态时效ECAP处理后得到的超细晶6061铝合金,其较高的塑韧性能够有效地抑制摩擦层和塑性变形区之间裂纹的生成与扩散,从而能够有效地降低摩擦系数和磨损率。(8)超细晶材料的耐磨性是由材料的强度和塑韧性共同决定的。动态时效ECAP制得的6061铝合金,其高密度的纳米尺度β"析出相和位错的交互作用不仅使材料具有很高的强度,同时具备优良的塑韧性,并且达到了强度和加工硬化能力的最佳组合,因此相对于粗晶材料,其耐磨性得到提升。
【关键词】：6061铝合金 等通道转角挤压 微观结构 力学性能 强韧化 磨损行为
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.21
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-29
• 1.1 6000系铝合金的研究意义12
• 1.2 大塑性变形技术12-17
• 1.2.1 高压扭转 (HPT) 工艺13-14
• 1.2.2 累积轧合 (ARB) 工艺14-15
• 1.2.3 循环挤压压缩 (CEC) 工艺15
• 1.2.4 多向锻造 (MDF) 工艺15-16
• 1.2.5 扭挤 (TE)16-17
• 1.3 等通道转角挤压17-20
• 1.3.1 等通道转角挤压的工艺原理及特点17-18
• 1.3.2 等通道转角挤压的影响因素18-20
• 1.4 摩擦学基本知识20-27
• 1.4.1 摩擦理论21-23
• 1.4.2 磨损理论23-24
• 1.4.3 影响超细晶金属摩擦性能的因素24-27
• 1.5 课题的研究目的和内容27-29
• 第二章 实验过程及分析测试方法29-36
• 2.1 实验材料及工艺流程29
• 2.1.1 原材料及成分29
• 2.1.2 试验工艺流程图29
• 2.2 样品制备29-32
• 2.2.1 ECAP样品的制备29-31
• 2.2.2 样品的切割31-32
• 2.2.3 固溶时效处理32
• 2.3 磨损试验32-33
• 2.4 性能与表征33-36
• 2.4.1 拉伸实验33
• 2.4.2 XRD分析33-34
• 2.4.3 差示扫描量热法34
• 2.4.4 显微组织分析34
• 2.4.5 能谱分析(EDS)34-35
• 2.4.6 表面轮廓测试35-36
• 第三章 6061铝合金的强化韧化机制36-53
• 3.1 XRD分析36-39
• 3.2 DSC热分析39-42
• 3.3 微观结构42-45
• 3.4 力学性能45-47
• 3.5 讨论47-52
• 3.5.1 强化机制47-49
• 3.5.2 大塑性变形6000系铝合金的强韧性49-52
• 3.6 结论52-53
• 第四章 6061铝合金的摩擦磨损性能53-79
• 4.1 不同载荷下的摩擦特性53-57
• 4.1.1 摩擦系数53-54
• 4.1.2 平均摩擦系数54-56
• 4.1.3 磨损率的比较56-57
• 4.2 三维形貌分析57-61
• 4.2.1 载荷 10N时形貌分析57-59
• 4.2.2 载荷 25N时形貌分析59-61
• 4.3 磨损表面分析61-67
• 4.3.1 载荷 5N时磨损表面形貌61-62
• 4.3.2 载荷 10N时磨损表面形貌62-64
• 4.3.3 载荷 25N时磨损表面形貌64-65
• 4.3.4 能谱分析65-67
• 4.4 剖面分析67-69
• 4.5 磨屑分析69-72
• 4.6 磨损机制72-73
• 4.7 讨论73-77
• 4.8 本章小结77-79
• 第五章 结论与展望79-82
• 5.1 结论79-81
• 5.2 创新与展望81-82
• 参考文献82-88
• 致谢88-89
• 攻读学位期间发表的论文89

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