鎂合金由于具有比重輕,比強度高,以及優(yōu)異的阻尼減震、可回收性等特點,在工業(yè)中具有十分重要的應用價值和前景。但鎂合金的耐磨性能比較差,大大阻礙了其應用,相關鎂合金摩擦學的研究也很不足。表面機械研磨處理(SMAT)作為一種簡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的納米晶層,有報道稱SMAT處理對銅、鋼、鎳和鋁材料的耐磨性能有提高。但目前國內外關于SMAT處理對于鎂合金的磨損行為研究鮮有報道,而SMAT處理對AZ31鎂合金摩擦磨損行為的研究更是沒有報告。因此,本文以軋制態(tài)AZ31變形鎂合金為對象,研究SMAT處理對AZ31鎂合金干滑動摩擦磨損行為的影響。本文對軋制態(tài)AZ31變形鎂合金進行SMAT處理3 min,采用光學金相顯微鏡觀察了SMAT處理前后AZ31鎂合金的顯微組織,通過XRD研究了SMAT處理前后合金的相組成以及織構變化情況,并檢測了SMAT處理前后合金的顯微硬度與拉伸性能。主要研究了SMAT處理對軋制態(tài)AZ31鎂合金干滑動摩擦磨損性能的影響。對比SMAT處理前后合金在不同速度以及不同載荷下的干滑動摩擦磨損行為,觀察了摩擦系數,計算了磨損率,利用3D輪廓儀、SEM及EDS對磨痕及磨屑的形貌和成分進行了分析,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構變化,表層晶粒得到細化,在表面形成厚度為85μm的超細晶層,從XRD結果分析可知其中最表層為納米晶,晶粒度為42.7 nm,同時表面基體Mg的軋制基面織構明顯弱化,取向變得隨機。SMAT處理前后AZ31鎂合金的硬度測試及拉伸性能實驗表明,SMAT處理能顯著提高合金的硬度和強度。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以內硬度變化不大,與基體硬度相當。同時SMAT處理后合金的抗拉強度和屈服強度,分別提高了16.8%和26.2%,但延伸率降低了47.4%。強度和硬度的提高和塑形降低的主要是因為SMAT處理后晶粒細化,抵抗變形的能力提高,強度和硬度提高,但更多的晶界抑制了錯位的運動,所以塑性降低。SMAT處理前后AZ31鎂合金的干滑動摩擦磨損試驗表明,在低速0.05 m/s時,SMAT處理后合金的耐磨性能在載荷為10~30 N的范圍內有提高,但當載荷超過30 N時,合金的耐磨性能反而下降。這主要是因為SMAT處理后合金表面晶粒細化,硬度和強度提高,承載能力更強,切削和犁削減小,耐磨性能提高;但同時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,更容易產生裂紋而斷裂,隨著載荷增加斷裂的作用機制也增強,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,SMAT處理后合金的摩擦系數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。這主要是因為SMAT處理后AZ31合金表面晶粒細化得到納米晶,晶界體積分數顯著增加,有效擴散系數變大,晶界作為原子擴散通道,更容易吸收更多的外部氧原子與Mg發(fā)生氧化反應,導致氧化反應的增強,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合相比于原始的由氧化屑壓入形成的氧化膜更緊密,保護能力更強,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時的明顯降低,耐磨性能提升,這主要是因為磨損機制的轉變。在低速0.05 m/s時,SMAT處理前后AZ31鎂合金的磨損機制主要均為磨料磨損。當滑動速度增加到高速0.5 m/s時,SMAT處理前后AZ31鎂合金的主要磨損機制均變?yōu)檠趸p。高速時摩擦熱增加,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,起到保護作用,阻礙進一步的氧化,磨損率下降。本研究對鎂合金摩擦磨損研究方面具有重要的理論意義和實際意義,為研究鎂合金材料及其應用奠定了一定的基礎。
【學位授予單位】：南昌大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG174.4

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本文編號：2003499