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表面納米化AZ31鎂合金的摩擦磨損行為

來源：時(shí)間：2024-03-11 13:43:21 瀏覽：2649次

01 論文概述

摩擦磨損是影響材料加工質(zhì)量的重要因素，在材料使用過程中不可避免，尤其是車用結(jié)構(gòu)材料。金屬材料在接觸條件下的使用壽命往往取決于其是否具備良好的摩擦磨損性能。鎂由于比強(qiáng)度高、密度低和易于回收等，被認(rèn)為是新一代的綠色工程結(jié)構(gòu)材料。相比于鋼材和鋁合金，鎂合金的耐磨性能較差，嚴(yán)重影響了其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。通過晶粒細(xì)化可顯著改善鎂合金的耐磨性能。目前常采用劇烈塑性變形（SPD）技術(shù)將晶粒細(xì)化至幾百甚至幾十納米，有效改善了鎂合金的耐磨性能。但是劇烈塑性變形通常會(huì)導(dǎo)致材料塑性降低，使材料在高載荷高轉(zhuǎn)速的情況下容易發(fā)生破裂，耐磨性能反而變差。如何通過劇烈塑性變形技術(shù)提高材料硬度，同時(shí)保證材料在摩擦過程中不發(fā)生破裂，是目前鎂合金耐磨性能研究的關(guān)鍵問題之一。

最近，來自美國普渡大學(xué)的章建躍博士和西安交通大學(xué)的堅(jiān)永鑫副教授等人利用劇烈塑性變形技術(shù)之一的超聲噴丸（USSP）技術(shù)，制備了表面納米梯度化的AZ31鎂合金，研究了表面納米化對(duì)鎂合金耐磨性能的影響。研究結(jié)果表明，通過超聲噴丸技術(shù)制備的表面納米化AZ31鎂合金，表面硬度提高了~1倍；合金表面在摩擦過程中更易形成MgO，降低了摩擦系數(shù)；在苛刻摩擦條件下（高壓力和高轉(zhuǎn)速），納米化后的鎂合金不僅抑制了分層行為的發(fā)生，還防止了表面軟化和融化，耐磨性能提高。

系統(tǒng)研究了超聲噴丸技術(shù)制備AZ31鎂合金表面的微觀結(jié)構(gòu)。超聲噴丸處理之后，在AZ31表面形成了納米梯度：表面的晶粒尺寸從9 μm細(xì)化到37 nm；在距表面20 μm處形成了等軸晶，晶粒尺寸小于200 nm，如圖1（a）所示。同時(shí)，EBSD結(jié)果表明，在表面納米層下，還存在一應(yīng)力層。AZ31鎂合金表面納米化后的硬度如圖1（c）所示，表層硬度從原來的60 HV提高到了145 HV，硬度隨厚度方向遞減，硬化層厚度約為400 μm。

圖1 AZ31鎂合金表面納米化后(a)沿厚度方向的EBSD，（b）距表面20 μm處的組織，（c）硬度在厚度方向上的變化

通過球盤（ball-on-disk）摩擦磨損試驗(yàn)系統(tǒng)研究了AZ31鎂合金表面納米化后摩擦磨損性能的變化，結(jié)果如圖2所示。與未超聲噴丸處理的普通AZ31板材相比，表面納米化后，AZ31在各個(gè)摩擦磨損條件下的摩擦系數(shù)均顯著降低；摩擦系數(shù)在摩擦磨損過程中的波動(dòng)幅度小；摩擦磨損速率顯著降低，耐磨性能更好。

圖2 表面納米化對(duì)AZ31摩擦系數(shù)的影響

重點(diǎn)研究了表面納米化AZ31鎂合金在不同條件下摩擦磨損后形貌的變化情況，如圖3所示。與未超聲噴丸處理的普通AZ31板材相比，納米化后的AZ31板材表面粗糙度明顯降低，摩擦磨損痕跡更小。隨著摩擦速度和載荷的增加，普通AZ31板材出現(xiàn)了明顯的分層行為；而表面納米化的AZ31板材只有在更高的載荷或者摩擦速度下，才發(fā)生分層，表面的納米層起到了一定的抑制作用。當(dāng)摩擦速度增加到0.5 m/s、載荷增加到50 N時(shí)，AZ31的磨損率繼續(xù)增加而表面粗糙度顯著降低，表現(xiàn)出表面受熱軟化和融化的特征。

圖3 摩擦速度為0.5 m/s時(shí)，AZ31板材在不同載荷條件下（10 N-50 N）的磨損形貌

系統(tǒng)分析了AZ31鎂合金納米化前后摩擦磨損機(jī)理的變化，如圖4所示。對(duì)于未超聲噴丸處理的普通AZ31鎂合金，在較低的摩擦速度和載荷下，磨損機(jī)理為氧化+磨損；隨著摩擦速度和載荷增加，出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，最后表現(xiàn)出熱軟化。對(duì)于納米化后的AZ31鎂合金，在低載荷和低摩擦速度下，磨損機(jī)理為表面氧化；隨著摩擦速度和載荷增加，開始出現(xiàn)磨損，最后出現(xiàn)分層現(xiàn)象。研究結(jié)果表明，AZ31表面納米化成功抑制了摩擦磨損過程中分層和熱熔化現(xiàn)象的發(fā)生。

圖4 普通AZ31板材（a）和納米化AZ31板材（b）在不同條件下的摩擦磨損機(jī)理

02 文章發(fā)表

該文章發(fā)表在《Journal of Magnesium and Alloys》2021年第9卷第4期：

[1] Jianyue Zhang*, Yongxin Jian*, Xuzhe Zhao, Dean Meng, Fusheng Pan, Qingyou Han*. The tribological behavior of a surface-nanocrystallized magnesium alloy AZ31 sheet after ultrasonic shot peening treatment[J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2021, 9(4):1187-1200.

03 中文摘要

本文研究了AZ31鎂合金板材在超聲噴丸表面處理后，其摩擦磨損行為在不同摩擦磨損條件下的變化。研究結(jié)果表明，超聲噴丸處理后，AZ31鎂合金表面形成了納米梯度，其表面硬度從60 HV提高到了145 HV。在摩擦磨損過程中，AZ31鎂合金表面的納米化促進(jìn)了氧化鎂的形成，降低了摩擦系數(shù)和磨損率。同時(shí)，納米化后的AZ31抑制了分層行為的發(fā)生。在高摩擦速度（0.5 m/s）和高載荷（50 N）條件下，表面納米化的AZ31抑制了表面的受熱軟化和融化，耐磨性能顯著提高。

04 Abstract

A magnesium alloy AZ31 sheet was processed by ultrasonic shot peening treatment to fabricate a surface nanocrystalline, and a ball-on-disk dry sliding wear test was performed to evaluate the tribological behavior after treatment.The microstructure observation indicated a gradient nanocrystalline structure was formed after USSP treatment. The microhardness at the top surface was improved from 60 HV to 145 HV after treatment. The formed nanocrystalline resulted in an easy formation of MgO patches on the surface and reduced the coefficient of friction. Moreover, the formed nanocrystalline leaded to a retard of delamination with increasing the sliding speed and applied load, which was due to its stronger sub-surface. Under high sliding speed (0.5?m/s) and high applied load (50?N), it was firstly found that the formed nanocrystalline prevented the happening of thermal softening and melting. The possible reasons accounting for the prevention of thermal softening and melting were discussed accordingly.

05 作者簡(jiǎn)介

章建躍（第一作者），男，2019年博士畢業(yè)于美國普渡大學(xué)，先后在普渡大學(xué)和俄亥俄州立大學(xué)從事博士后科研工作，從事鋁合金和鎂合金等輕合金成型和表面處理的研究。

堅(jiān)永鑫（通訊作者），西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授，2018年博士畢業(yè)于西安交通大學(xué)，主要從事先進(jìn)耐磨/蝕合金及激光熔覆涂層材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)方面的研究，以第一/通訊作者在Corros. Sci.、Tribol. Int.、Wear等SCI期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文23篇，申請(qǐng)發(fā)明專利10余項(xiàng)。

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