表面机械研磨处理对AZ31变形镁合金摩擦磨损性能的影响

发布时间：2021-04-17 21:11

镁合金由于具有比重轻,比强度高,以及优异的阻尼减震、可回收性等特点,在工业中具有十分重要的应用价值和前景。但镁合金的耐磨性能比较差,大大阻碍了其应用,相关镁合金摩擦学的研究也很不足。表面机械研磨处理(SMAT)作为一种简单有效的方式能在金属材料表面形成一层硬度更高晶粒更细的纳米晶层,有报道称SMAT处理对铜、钢、镍和铝材料的耐磨性能有提高。但目前国内外关于SMAT处理对于镁合金的磨损行为研究鲜有报道,而SMAT处理对AZ31镁合金摩擦磨损行为的研究更是没有报告。因此,本文以轧制态AZ31变形镁合金为对象,研究SMAT处理对AZ31镁合金干滑动摩擦磨损行为的影响。本文对轧制态AZ31变形镁合金进行SMAT处理3 min,采用光学金相显微镜观察了SMAT处理前后AZ31镁合金的显微组织,通过XRD研究了SMAT处理前后合金的相组成以及织构变化情况,并检测了SMAT处理前后合金的显微硬度与拉伸性能。主要研究了SMAT处理对轧制态AZ31镁合金干滑动摩擦磨损性能的影响。对比SMAT处理前后合金在不同速度以及不同载荷下的干滑动摩擦磨损行为,观察了摩擦系数,计算了磨损率,利用3D轮廓仪、SEM及EDS对磨痕及磨屑的形貌和成分进行了分析,并分析探讨SMAT处理前后镁合金在不同条件下的磨损机制。SMAT处理前后AZ31镁合金的显微组织观察及XRD分析表明,SMAT处理后合金的显微组织沿厚度方向形成了梯度结构变化,表层晶粒得到细化,在表面形成厚度为85μm的超细晶层,从XRD结果分析可知其中最表层为纳米晶,晶粒度为42.7 nm,同时表面基体Mg的轧制基面织构明显弱化,取向变得随机。SMAT处理前后AZ31镁合金的硬度测试及拉伸性能实验表明,SMAT处理能显著提高合金的硬度和强度。表层硬度为130.8 Hv,提高了52.6%,硬度沿厚度方向呈梯度变化,随着距离表面的距离增加,硬度降低,硬度提高影响区域大概为400μm,在400μm以内硬度变化不大,与基体硬度相当。同时SMAT处理后合金的抗拉强度和屈服强度,分别提高了16.8%和26.2%,但延伸率降低了47.4%。强度和硬度的提高和塑形降低的主要是因为SMAT处理后晶粒细化,抵抗变形的能力提高,强度和硬度提高,但更多的晶界抑制了错位的运动,所以塑性降低。SMAT处理前后AZ31镁合金的干滑动摩擦磨损试验表明,在低速0.05 m/s时,SMAT处理后合金的耐磨性能在载荷为10~30 N的范围内有提高,但当载荷超过30 N时,合金的耐磨性能反而下降。这主要是因为SMAT处理后合金表面晶粒细化,硬度和强度提高,承载能力更强,切削和犁削减小,耐磨性能提高;但同时SMAT处理后合金硬度更高,韧性降低,在承受冲击载荷而更容易失效,更容易产生裂纹而断裂,随着载荷增加断裂的作用机制也增强,在高载下磨损率上升得更快,耐磨性能下降。而在高速0.5 m/s时,SMAT处理后合金的摩擦系数和磨损均比原始的粗晶合金的更低,且磨痕表面更光滑,耐磨性能提升。这主要是因为SMAT处理后AZ31合金表面晶粒细化得到纳米晶,晶界体积分数显著增加,有效扩散系数变大,晶界作为原子扩散通道,更容易吸收更多的外部氧原子与Mg发生氧化反应,导致氧化反应的增强,形成连续的自生氧化膜层的速度加快,表面自生氧化膜与基体结合相比于原始的由氧化屑压入形成的氧化膜更紧密,保护能力更强,耐磨性能更好。在高速0.5 m/s下SMAT处理前后合金的磨损率均比低速0.05 m/s时的明显降低,耐磨性能提升,这主要是因为磨损机制的转变。在低速0.05 m/s时,SMAT处理前后AZ31镁合金的磨损机制主要均为磨料磨损。当滑动速度增加到高速0.5 m/s时,SMAT处理前后AZ31镁合金的主要磨损机制均变为氧化磨损。高速时摩擦热增加,在磨痕表面形成氧化膜,而氧化膜具有良好的减摩性能,能有效的阻碍金属间的直接接触,起到保护作用,阻碍进一步的氧化,磨损率下降。本研究对镁合金摩擦磨损研究方面具有重要的理论意义和实际意义,为研究镁合金材料及其应用奠定了一定的基础。
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4

文章目录

摘要

abstract

第1章绪论

1.1 镁及镁合金介绍

1.1.1 镁及镁合金特性

1.1.2 国内外镁及镁合金的发展与应用概况

1.1.3 变形镁合金

1.2 摩擦磨损简介

1.2.1 摩擦定义及分类

1.2.2 磨损定义及分类

1.3 表面机械研磨处理简介

1.3.1 表面机械研磨处理的原理

1.3.2 表面机械研磨处理对镁合金的形变机制

1.4 镁合金摩擦磨损的研究进展

1.4.1 镁合金摩擦磨损的国内外研究现状

1.4.2 SMAT处理对镁合金摩擦磨损性能的研究现状

1.5 本课题的研究意义与内容

1.5.1 研究意义

1.5.2 研究内容

第2章实验工艺与研究方法

2.1 工艺路线

2.2 样品的制备

2.2.1 实验材料

2.2.2 SMAT处理工艺

2.3 组织观察

2.3.1 金相显微观察

2.3.2 XRD测试

2.4 力学性能测试

2.4.1 拉伸性能测试

2.4.2 硬度测试

2.5 摩擦磨损

2.5.1 试验设备及方案

2.5.2 磨损试样的制备

2.5.3 实验测试分析

第3章 SMAT对AZ31镁合金组织和力学性能的影响

3.1 显微组织

3.2 XRD分析

3.3 显微硬度

3.4 拉伸性能

3.5 本章小结

第4章 SMAT对AZ31镁合金在低速下干滑动摩擦磨损行为的影响

4.1 载荷对摩擦系数的影响

4.2 载荷对磨损率的影响

4.3 磨痕特征

4.3.1 磨痕 3D轮廓及横截面特征

4.3.2 磨痕形貌及成分分析

4.4 磨屑特征

4.4 磨损机制

4.6 本章小结

第5章 SMAT对AZ31镁合金在高速下干滑动摩擦磨损行为的影响

5.1 载荷对摩擦系数的影响

5.2 载荷对磨损率的影响

5.3 磨痕特征

5.3.1 磨痕横截面特征

5.3.2 磨痕形貌及成分分析

5.4 磨屑特征

5.5 磨损机制

5.6 高低速磨损性能对比

5.7 本章小结

第6章结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果

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