鎂合金由于具有比重輕,比強(qiáng)度高,以及優(yōu)異的阻尼減震、可回收性等特點(diǎn),在工業(yè)中具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值和前景。但鎂合金的耐磨性能比較差,大大阻礙了其應(yīng)用,相關(guān)鎂合金摩擦學(xué)的研究也很不足。表面機(jī)械研磨處理(SMAT)作為一種簡(jiǎn)單有效的方式能在金屬材料表面形成一層硬度更高晶粒更細(xì)的納米晶層,有報(bào)道稱(chēng)SMAT處理對(duì)銅、鋼、鎳和鋁材料的耐磨性能有提高。但目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于SMAT處理對(duì)于鎂合金的磨損行為研究鮮有報(bào)道,而SMAT處理對(duì)AZ31鎂合金摩擦磨損行為的研究更是沒(méi)有報(bào)告。因此,本文以軋制態(tài)AZ31變形鎂合金為對(duì)象,研究SMAT處理對(duì)AZ31鎂合金干滑動(dòng)摩擦磨損行為的影響。本文對(duì)軋制態(tài)AZ31變形鎂合金進(jìn)行SMAT處理3 min,采用光學(xué)金相顯微鏡觀察了SMAT處理前后AZ31鎂合金的顯微組織,通過(guò)XRD研究了SMAT處理前后合金的相組成以及織構(gòu)變化情況,并檢測(cè)了SMAT處理前后合金的顯微硬度與拉伸性能。主要研究了SMAT處理對(duì)軋制態(tài)AZ31鎂合金干滑動(dòng)摩擦磨損性能的影響。對(duì)比SMAT處理前后合金在不同速度以及不同載荷下的干滑動(dòng)摩擦磨損行為,觀察了摩擦系數(shù),計(jì)算了磨損率,利用3D輪廓儀、SEM及EDS對(duì)磨痕及磨屑的形貌和成分進(jìn)行了分析,并分析探討SMAT處理前后鎂合金在不同條件下的磨損機(jī)制。SMAT處理前后AZ31鎂合金的顯微組織觀察及XRD分析表明,SMAT處理后合金的顯微組織沿厚度方向形成了梯度結(jié)構(gòu)變化,表層晶粒得到細(xì)化,在表面形成厚度為85μm的超細(xì)晶層,從XRD結(jié)果分析可知其中最表層為納米晶,晶粒度為42.7 nm,同時(shí)表面基體Mg的軋制基面織構(gòu)明顯弱化,取向變得隨機(jī)。SMAT處理前后AZ31鎂合金的硬度測(cè)試及拉伸性能實(shí)驗(yàn)表明,SMAT處理能顯著提高合金的硬度和強(qiáng)度。表層硬度為130.8 Hv,提高了52.6%,硬度沿厚度方向呈梯度變化,隨著距離表面的距離增加,硬度降低,硬度提高影響區(qū)域大概為400μm,在400μm以?xún)?nèi)硬度變化不大,與基體硬度相當(dāng)。同時(shí)SMAT處理后合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度,分別提高了16.8%和26.2%,但延伸率降低了47.4%。強(qiáng)度和硬度的提高和塑形降低的主要是因?yàn)镾MAT處理后晶粒細(xì)化,抵抗變形的能力提高,強(qiáng)度和硬度提高,但更多的晶界抑制了錯(cuò)位的運(yùn)動(dòng),所以塑性降低。SMAT處理前后AZ31鎂合金的干滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)表明,在低速0.05 m/s時(shí),SMAT處理后合金的耐磨性能在載荷為10~30 N的范圍內(nèi)有提高,但當(dāng)載荷超過(guò)30 N時(shí),合金的耐磨性能反而下降。這主要是因?yàn)镾MAT處理后合金表面晶粒細(xì)化,硬度和強(qiáng)度提高,承載能力更強(qiáng),切削和犁削減小,耐磨性能提高;但同時(shí)SMAT處理后合金硬度更高,韌性降低,在承受沖擊載荷而更容易失效,更容易產(chǎn)生裂紋而斷裂,隨著載荷增加斷裂的作用機(jī)制也增強(qiáng),在高載下磨損率上升得更快,耐磨性能下降。而在高速0.5 m/s時(shí),SMAT處理后合金的摩擦系數(shù)和磨損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。這主要是因?yàn)镾MAT處理后AZ31合金表面晶粒細(xì)化得到納米晶,晶界體積分?jǐn)?shù)顯著增加,有效擴(kuò)散系數(shù)變大,晶界作為原子擴(kuò)散通道,更容易吸收更多的外部氧原子與Mg發(fā)生氧化反應(yīng),導(dǎo)致氧化反應(yīng)的增強(qiáng),形成連續(xù)的自生氧化膜層的速度加快,表面自生氧化膜與基體結(jié)合相比于原始的由氧化屑?jí)喝胄纬傻难趸じo密,保護(hù)能力更強(qiáng),耐磨性能更好。在高速0.5 m/s下SMAT處理前后合金的磨損率均比低速0.05 m/s時(shí)的明顯降低,耐磨性能提升,這主要是因?yàn)槟p機(jī)制的轉(zhuǎn)變。在低速0.05 m/s時(shí),SMAT處理前后AZ31鎂合金的磨損機(jī)制主要均為磨料磨損。當(dāng)滑動(dòng)速度增加到高速0.5 m/s時(shí),SMAT處理前后AZ31鎂合金的主要磨損機(jī)制均變?yōu)檠趸p。高速時(shí)摩擦熱增加,在磨痕表面形成氧化膜,而氧化膜具有良好的減摩性能,能有效的阻礙金屬間的直接接觸,起到保護(hù)作用,阻礙進(jìn)一步的氧化,磨損率下降。本研究對(duì)鎂合金摩擦磨損研究方面具有重要的理論意義和實(shí)際意義,為研究鎂合金材料及其應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TG174.4

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本文編號(hào)：2003499