1   緒   論  

1.1  前言 
為節(jié)省材料與能源，輕型合金材料的研制與開發(fā)已成為一個重要的研究領域和發(fā)展方向。鎂鋰合金是目前實際應用中最輕的金屬結構材料，具有密度小，比強度和比剛度高，良好的阻尼性、切削加工性、電磁屏蔽性、鑄造性能、生物相容性，廢料易回收、資源豐富等優(yōu)點，并且切削加工性優(yōu)良、零件尺寸穩(wěn)定，被譽為“21 世紀綠色工程材料”，是核工業(yè)、電子、汽車、醫(yī)療器械和軍事等領域理想的輕質(zhì)結構材料[1-3]。 鎂合金的研究領域正不斷擴展，但鎂合金的耐磨性差限制其更廣泛的應用[4]。而摩擦磨損在工程領域損害工程部件的力學性能、降低公差精度、導致過早地更換零部件，造成了大量的材料浪費，是不可忽略的問題。雖然鎂合金目前還未應用在軸承或齒輪等承受眼中磨損的場合，但是在汽車制動裝置、發(fā)動機部件、材料加工、裝配等經(jīng)受滑動運動的場合，摩擦磨損也為影響其應用的重要考慮因素。 但是，當前對鎂合金，尤其是鎂鋰合金的摩擦磨損方面的研究非常少，因此，深入研究鎂合金的摩擦磨損機理研究非常有必要。 
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1.2  鎂鋰合金概述
1910 年德國學者 Masing 在研究鋰、鈉、鉀與鎂互相作用時，意外的發(fā)現(xiàn)了鎂和鋰之間可以發(fā)生有趣的結構轉變，并認為該結構是超結構。該項工作為后來鎂鋰合金的研究提供了可靠的依據(jù)。1954 年，F(xiàn)reeth 等人提出了完整精確的 Mg-Li平衡相圖，50 多年的研究結果給后續(xù)研究奠定了基礎。二十世紀 80 年代末日本的一些大學及產(chǎn)業(yè)充分利用其他國家的研究成果，對 Mg-Li合金，Mg-Li-RE(稀土元素)合金進行詳細的研究。開發(fā)出了延伸率 840%的 Mg-8Li-1Zn合金，還有“夢幻合金”之稱的 Mg-36Li-SZn，Mg-36Li-SAI 合金。具有超塑性的鎂鋰合金被其他國家的學者相繼研制出了，并對其相關機制做了詳細的研究。 目前，美國、日本、德國、俄羅斯等國家都有商業(yè) Mg-Li 系合金，而中國對Mg-Li 合金研究較晚，自 20 世紀 90 年代起，才開始對鎂鋰合金進行研究，沒有相應的合金系。主要的研究院校有上海交通大學、東北大學、中科院、中南大學及山東大學，他們對 Mg-Li 合金的研究集中在對 Mg-Li-Al、Mg-Li-Zn 及 Mg-Li-RE的時效性能及力學性能上。上海交通大學的研究人員[7]在對 Mg-8Li-1A1 及Mg-11Li-3Al 合金時效特性的研究過程中發(fā)現(xiàn)，MgLi2A1 是時效強化相，但過時效并非是因為 AlLi相的生成，而是因為 MgLi2A1 相的晶格常數(shù)變化，造成與基體共格關系的破壞。同時，當他們發(fā)現(xiàn)過時效時，A1Li 相并未出現(xiàn)[8]，其中，上海交通大學對鎂鋰復合材料的研究是比較多，取得了一定的成果[9-10]。2009 年西安的四方航空機電有限公司和西安交通大學材料學院科研合作研制了兩個新型號鎂鋰合金，完全可以替代應用于航空航天領域的 LF6 和 LF12 鋁材及其他鋁合金材料，技術達到了國際先進水平。在 2010 年 10 月 14 日國內(nèi)首條工業(yè)化批量生產(chǎn)的鎂鋰合金生產(chǎn)線在西安閻良國家航空高技術產(chǎn)業(yè)基地投產(chǎn)[11]。 
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2   實驗設計  

透過所搜集的文獻與相關資料及研究流程，規(guī)劃實驗過程所需的設備、儀器與步驟，，制備 Mg-Li-Zn-  x  Y(x  =0;0.5%;1.0%;1.5%)合金，利用掃描電子顯微鏡（SEM）和 X 射線衍射儀（XRD）分析微觀組織和相組成，分析稀土 Y 的添加對材料顯微組織影響。設置載荷、滑動速度、溫度等參數(shù)在 pin-on-disk 摩擦試驗機上進行摩擦磨損性能測試，并分析其對合金磨損率、摩擦系數(shù)、磨損表面特征及磨屑影響。通過實驗結果及分析討論 Mg-Li-Zn-Y 合金的摩擦磨損機理。試驗流程圖如圖 2.1。 


2.1  實驗設備 
本實驗所使用磨耗試驗機為美國 Falex 公司制造的 Friction  &  Wear  Test Machine 磨耗試驗機（臺灣中央大學購置）。該機臺主要由兩部分組成：①磨耗實驗機臺，②控制面板�？刂泼姘蹇煽刂茖嶒灥娜缦聟�(shù)：時間、主軸運轉周期、主軸運轉速度及溫度變化。本實驗采用 Falex 磨耗試驗機中的 Pin-on-Disk 模組進行實驗，即以此模組作為傳動機構。將 Mg-Li-Zn-Y 所加工成的銷和盤產(chǎn)生相對摩擦運動，再利用力規(guī)獲得銷盤之間的相對運動的扭力，經(jīng)運算后求得摩擦系數(shù)值。該設備的力規(guī)安裝于 Falex磨耗實驗機臺底下位置，為了防止實驗中扭矩過大，造成力規(guī)超過其機臺的負荷極限，特別將上下夾具設計成符合此實驗的夾具。 Falex 磨耗試驗機所施加負載為利用杠桿原理，于杠桿的前端懸掛砝碼，由于重力作用使得防止圓盤的后端向上頂起，施壓于對磨的銷接觸面，而 Falex磨耗機臺提供兩種杠桿比，分別為：1:2 與 1:10，由于實驗所需負載不大，因此實驗選擇1:2 的杠桿比。 
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2.2  實驗方案
首先設計實驗用的上下夾具，分別為銷的上夾具與實驗試片的下夾具（如圖2.9）。將試樣加工切片成實驗所需要的圓盤大小，試片參數(shù)如圖 2.10。本實驗的圓盤與銷均采用 Mg-Li-Zn-Y 材料，在制造過程中，都必須檢查其表面是否有雜質(zhì)，經(jīng)清洗表面才可以進行下一步驟。 對于圓盤試樣，首先以丙酮清洗試片，再以甲醇來沖洗表面上的丙酮，接著利用壓縮空氣將表面水漬清洗干凈，方可清洗較大的微粒子，但較小微粒子則難以去除，可以利用超音波震蕩機來清楚表面微小粒子。 
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3 Mg-8Li-3Zn-xY 合金微觀組織 .... 18 
3.1  合金制備 ........ 18 
3.2  合金組織分析及力學性能分析 .... 20 
4  不同工況下 Mg-8Li-3Zn-xY 摩擦磨損行為 .... 24
4.1  不同工況對摩擦磨損的影響 ........ 25 
4.2  磨損表面形貌及磨屑分析.... 28 
4.3 Mg-8Li-3Zn-xY 合金的磨損機制分析 .... 30 
4.3.1  磨粒磨損和氧化磨損 .... 32 
4.3.2  黏著磨損 ............ 33 
4.3.3  剝層磨損 ............ 35 
5  結   論 ........ 37 

4   不同工況下 Mg-8Li-3Zn- x Y 摩擦磨損行為

4.1  不同工況對摩擦磨損的影響

對于滑動摩擦的理論，目前有機械嚙合理論（凸凹說）、分子理論（分子說）、機械理論和黏著摩擦理論。機械嚙合理論早在 1699 年即被提出，其認為摩擦表面的凸凹不平造成了當表面相互接觸時，凸凹兩部分相互嚙合，當需要相對滑動時，這種凸凹所產(chǎn)生的相互阻礙的力的總和就是摩擦力�？墒窃摾碚撛诰毜拇嬖谙嗷ブg產(chǎn)生分子粘連的加工表面并不適用。而分子理論則主張接觸面的光滑度越高，其分子之間的作用力便越大，從而阻礙兩接觸面相互滑動的阻力越大，即摩擦力越大。1929 年 G.A.湯姆林遜（Tomlinson）提出了摩擦的分子理論，他利用晶體晶格內(nèi)原子間作用力，推導出摩擦系數(shù)與實際接觸面積成正比，與法相載荷的立方根成反比的關系。機械理論是由蘇聯(lián)的學者蓋爾斯基提出，他認為，材料的相互之間的滑動摩擦應該由分子之間的作用力和由犁溝引起的接觸面的形貌變形兩個因素共同決定。而分子之間的相互作用和機械的相互作用發(fā)生在材料厚度不同的表面層。黏著摩擦理論是有 1942 年 Tabor 和 Bowden 提出的，其認為兩相互摩擦的材料會由于表面粗糙度和分子引力等原因發(fā)生表面黏著，并且最終在剪切力的作用下對材料的摩擦磨損產(chǎn)生影響。修正后的黏著摩擦理論認為，黏結點會在滑動時的應力的作用下增大，從而使接觸面積增大，使摩擦系數(shù)增大；由于摩擦材料多為裸露在空氣或者其他環(huán)境中，所以一般材料表面都會有一層淡淡的膜，當該膜由于不斷的滑動破損時，裸露的新的材料將與摩擦表面相接觸，所以，該理論認為摩擦系數(shù)當由金屬與金屬及金屬與表面膜的實際接觸面積決定；犁溝效應是摩擦力的組成部分，因為黏著點的剪切力非僅有的摩擦力，該理論認為當硬的金屬表面與軟的金屬表面發(fā)生相對滑動時，軟的金屬表面會被劃出犁溝。 

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結   論 

①隨著 Y 含量的增加，Mg-8Li-3Zn合金的晶界組織成分發(fā)生變化。合金的晶界處開始出現(xiàn) I 相和 W 相。并且可以發(fā)現(xiàn)，此兩相彌散分布在合金的晶界處，推測其具有釘扎晶界、強化晶界組織的作用。 
②Mg-8Li-3Zn- x Y（x =0,0.5,1.0,1.5）合金摩擦系數(shù)隨摩擦載荷的增大而減小，并Y 含量的增加而減小。合金的磨損量隨摩擦載荷的增大而增大，并隨 Y 含量的增加而減小。摩擦載荷增加至 100N 前后，合金磨損機理發(fā)展轉變，從輕微摩擦轉變?yōu)閲乐啬Σ痢?nbsp;
③Mg-8Li-3Zn- x Y（x =0,0.5,1.0,1.5）合金隨著滑動速度的增大，摩擦系數(shù)均減小，但是相同的滑動速度下，Y=1.5 的合金的摩擦系數(shù)最小。在磨損方面，隨著滑動速度的增大，磨損量增大。一般理論認為摩擦速度與摩擦系數(shù)沒有關系，但是在一定的工況和環(huán)境下，摩擦速度影響兩個摩擦表面的應力大小，從而影響摩擦系數(shù)和磨損量。 
④Mg-8Li-3Zn- x Y（x =0,0.5,1.0,1.5）合金隨著稀土元素 Y 的增加，晶粒細化、晶界增多，并在晶界處產(chǎn)生強化彌散相起到了釘扎作用，提高了合金的表面硬度；并且稀土的添加，可以使其與空氣中的氧和硫相結合，起到固定氧和硫的作用，從而使其材料的疏松程度降低；Y 還可與其他雜質(zhì)相結合，從而達到凈化晶界的效果，進而提高材料的硬度和強度。
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參考文獻(略) 

本文編號：76000