超細(xì)晶6061Al-Mg-Si鋁合金的力學(xué)性能和摩擦磨損行為.pdf

1、Al-Mg-Si-(Cu)6000系鋁合金因其良好的力學(xué)性能、優(yōu)異的可焊接性、耐腐蝕性和良好的可成型性，在汽車制造、航空航天等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。但該合金系的強(qiáng)度與7000系等鋁合金相比，尚需提高。大塑性變形(SPD)技術(shù)是細(xì)化晶粒的有效方法，可明顯提高金屬材料的強(qiáng)度，其中等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)技術(shù)利用剪切變形能夠獲得塊體超細(xì)晶結(jié)構(gòu)材料，是最具有應(yīng)用前景的 SPD技術(shù)。國內(nèi)外有關(guān)大塑性變形超細(xì)晶6000系鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)韌性

2、研究比較系統(tǒng)，但對其摩擦磨損行為的研究較少。因此，深入研究ECAP超細(xì)晶6061鋁合金的摩擦磨損性能，并且分析其微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能對摩擦磨損行為的影響，具有十分重要的意義。本文以6061Al-Mg-Si鋁合金為研究對象，利用X射線衍射(XRD)、差示掃描量熱法(DSC)、拉伸試驗(yàn)和透射電鏡(TEM)等表征方式，分析并研究了不同溫度動態(tài)時效ECAP對6000系鋁合金微觀組織和力學(xué)性能的影響。特別是，選用強(qiáng)度和塑韌性最佳的ECAP鋁合金試樣

3、與固溶態(tài)、峰時效態(tài)(T6)試樣在不同載荷下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)對比。通過掃描電鏡(SEM)、表面輪廓儀和能譜儀(EDS)對比分析磨損表面、磨痕亞表面和磨屑，探究超細(xì)晶鋁合金的磨損機(jī)制以及微觀結(jié)構(gòu)對超細(xì)晶材料摩擦磨損行為的影響。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴通過分析XRD射線衍射圖，計(jì)算出動態(tài)時效ECAP后的6061鋁合金的平均晶粒尺寸、平均晶格應(yīng)變和位錯密度。ECAP后平均位錯密度在0.25×1014 m–2~1.75×1014 m–2

4、之間，晶粒尺寸在100 nm~173 nm，均已達(dá)到超細(xì)晶級別。⑵DSC和TEM分析均表明，6061鋁合金在不同溫度ECAP變形后，試樣中均已經(jīng)發(fā)生了不同程度的β"和β'相的動態(tài)析出。6061鋁合金經(jīng)過170℃動態(tài)時效ECAP后存在大量β"析出相和位錯，極細(xì)的析出相顆?？赡軐χ車奈诲e起到了釘扎作用，增加了合金強(qiáng)度。⑶ECAP工藝與適當(dāng)?shù)臅r效工藝相結(jié)合可以顯著提高6061鋁合金的力學(xué)性能。與固溶態(tài)的力學(xué)性能相比較，ECAP鋁合金的抗拉強(qiáng)

5、度提高了2~3倍，由151 MPa提高到310~450 MPa；屈服強(qiáng)度提高了4~6倍，由67 MPa提高到272~425 MPa。110℃動態(tài)時效ECAP的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為450MPa和425MPa，均勻伸長率為15％，達(dá)到高強(qiáng)度鋁合金級別。ECAP試樣的高強(qiáng)度歸因于析出相強(qiáng)化、位錯強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的共同作用。⑷載荷為5~25 N時，110℃動態(tài)時效ECAP鋁合金平均摩擦系數(shù)變化范圍為0.4567~0.528。任意載荷下，110

6、℃動態(tài)時效ECAP鋁合金的平均摩擦系數(shù)和磨損率都小于固溶態(tài)和T6態(tài)試樣。時效+ECAP工藝在6061鋁合金的減摩性能上起到了明顯的效果，能夠帶來更優(yōu)異的耐磨性能。⑸超細(xì)晶和粗晶6061鋁合金在常溫下的磨損機(jī)制種類和轉(zhuǎn)化順序?yàn)槟チＤp→氧化磨損+剝層磨損→粘著磨損→表面疲勞磨損。110℃動態(tài)時效ECAP鋁合金試樣在5N、10N和25N時的主導(dǎo)磨損機(jī)制分別為磨粒磨損、氧化磨損+剝層磨損和粘著磨損。⑹經(jīng)過110℃動態(tài)時效ECAP處理后，超細(xì)晶

7、6061鋁合金在5 N和10 N時出現(xiàn)的磨損機(jī)制種類分別與粗晶試樣在10 N和25 N時出現(xiàn)的磨損機(jī)制種類相同，即6061鋁合金經(jīng)過110℃動態(tài)時效ECAP處理后，對磨損機(jī)制的轉(zhuǎn)變起到了一定的推遲作用。⑺大多數(shù)超細(xì)晶材料由于強(qiáng)度增加塑韌性降低，在摩擦過程中導(dǎo)致耐磨性能下降。經(jīng)過110℃動態(tài)時效ECAP處理后得到的超細(xì)晶6061鋁合金，其較高的塑韌性能夠有效地抑制摩擦層和塑性變形區(qū)之間裂紋的生成與擴(kuò)散，從而能夠有效地降低摩擦系數(shù)和磨損率。