材料工程  2016, Vol. 44 Issue (4): 71-75   PDF    
http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2016.04.012
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伍灿, 沈火明, 邓莎莎, 刘娟, 彭金方
WU Can, SHEN Huo-ming, DENG Sha-sha, LIU Juan, PENG Jin-fang
5083铝合金扭动微动磨损实验研究
Torsional Fretting Wear of 5083 Aluminum Alloy
材料工程, 2016, 44(4): 71-75
Journal of Materials Engineering, 2016, 44(4): 71-75.
http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2016.04.012

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收稿日期: 2014-06-20
修订日期: 2015-04-02
5083铝合金扭动微动磨损实验研究
伍灿1, 沈火明1 , 邓莎莎1, 刘娟1, 彭金方2    
1. 西南交通大学 力学与工程学院, 成都 610031;
2. 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室, 成都 610031
摘要: 采用球-平面接触的模式,对GCr15钢球与5083铝合金在角位移幅值0.1°~10°和法向载荷15,50N时的扭动微动磨损进行实验研究。结果表明:摩擦扭矩-角位移幅值曲线(T-θ曲线)随着循环次数的增加有规律地发生变化,呈现3种基本类型,即直线状、椭圆状和平行四边形状。5083铝合金的扭动微动运行区域分为部分滑移区、混合滑移区、完全滑移区,部分滑移区的摩擦扭矩值持续较低,混合滑移区以及完全滑移区的摩擦扭矩值呈一定规律变化。结合SEM磨斑形貌分析可知部分滑移区损伤轻微,混合滑移区以及完全滑移区损伤较严重。通过研究确定了5083铝合金的运行工况微动图。
关键词: 扭动微动    5083铝合金    微动磨损    磨斑形貌    
Torsional Fretting Wear of 5083 Aluminum Alloy
WU Can1, SHEN Huo-ming1 , DENG Sha-sha1, LIU Juan1, PENG Jin-fang2    
1. School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;
2. State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China
Abstract: Using a ball-on-flat contact mode, the torsional fretting wear of 5083 aluminum alloy flats against GCr15 steel ball were investigated under normal load(15, 50N) and torsional angular displacement amplitudes(from 0.1°to 10°).The results reveal that the T-θcurves change with the increasing of cycle numbers. It shows three types, i.e. the linear, elliptic and parallelogram loops.The torsional fretting running behaviors of 5083 aluminum alloy can be defined as three fretting regimes(i.e. partial slip regime(PSR), mixed fretting regime(MFR) and slip regime(SR)).The friction torque has a low value in the PSR but changes regularly in the MFR and SR. The wear scars observed by SEM reveal that the damage in the PSR is slight but serious damage wear is observed in the MFR and SR. The running condition fretting maps of 5083 aluminum alloy are set.
Key words: torsional fretting    5083 aluminum alloy    fretting wear    wear scar    

铝合金由于质量轻、强度高、耐腐蚀、优良的导电性和导热性等特性被大量应用于现代工业[1]。5083铝合金属于Al-Mg系列合金,因其强度高、耐腐蚀性良好而被广泛应用于钢铝螺栓接触界面中[2]。目前有关铝合金扭动微动磨损特性的研究较少,西南交通大学朱旻昊教授课题组进行了Al-Zn系列7075铝合金在不同湿度、不同法向载荷等条件下的扭动微动特性研究[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8],结果表明材料性能的差异是影响扭动微动的另一重要影响因素[3],但是对于5083铝合金的扭动微动特性研究还鲜见报道。所以,开展5083铝合金扭动微动磨损行为的实验研究对工程应用具有一定的意义。扭动微动是简化的球-平面接触模型按不同的相对运动方向定义的4种微动模式中的一种[9, 10, 11, 12],是指在交变载荷作用下紧固配合接触副间发生的微幅相对扭动[13, 14, 15]。实验中选择铝合金与GCr15钢球的球-平面的接触模式,一方面是因为在平面上端施加的法向载荷相当于提供了紧固配合的条件,而球体下端按照角位移幅值大小旋转的实验条件则相当于交变载荷的作用,另一方面是因为在工程应用中广泛存在钢铝连接界面的扭动微动损伤(例如钢铝螺栓界面的扭动),并且钢球/铝合金这种球-平面的接触模式更有利于凸显铝合金材料表面的损伤,便于深入揭示扭动微动磨损的损伤机制。本工作在配置高精度低速往复转动台的CETR UMT-2型多功能摩擦磨损试验机[16]上进行了5083铝合金/GCr15钢球的扭动微动磨损实验,并对5083铝合金的扭动微动的动力学特性以及损伤特性进行了分析,最后得出了5083铝合金的运行工况微动图。

1 实验材料和方法

实验材料为具有高抗疲劳强度的防锈铝—5083铝合金,其主要成分(质量分数/%)为Mg 4.0~4.9,Si≤0.4,Zn≤0.25,Cu≤0.1,Ti≤0.15,余量为Al。将其加工成尺寸为10mm×10mm×30mm的块件试样,经过砂纸研磨之后再进行抛光。不同于其他类型的金属可以使用金刚石研磨膏进行抛光,5083铝合金的抛光需要使用氧化铝饱和溶液,并在高速旋转的精密研磨抛光机上进行抛光。实验中,将铝合金块件试样抛光至表面粗糙度Ra=0.4μm。对磨副球采用的是直径Φ=40mm的GCr15钢球,Ra=0.3μm。实验前后依次用酒精对试样进行超声波清洗。

实验参数的设定:扭动角速度ω=0.6(°)/s,往复角位移幅值为0.1°,0.2°,0.5°,1°,2.5°,5°,7.5°,10°;法向载荷Fn为15,50N,循环次数为10,100,1000,10000次,实验环境为大气。实验后分别用光学显微镜(BX50)、扫描电子显微镜(SEM,JOELJSM-6610LV)观察磨痕形貌;用Nanomap500DLS双模式轮廓仪对磨痕进行二维轮廓测试。

2 实验结果与分析 2.1 微动运行区域特性

角位移幅值是影响扭动微动的重要参数,T-θ曲线是扭动微动磨损实验装置获得的最基本实验信息,能够准确表征扭动微动的摩擦特性。

图 1为不同角位移幅值下的T-θ曲线。图 1(a)给出了5083铝合金在法向载荷为50N、扭转角度θ为0.1°时,T-θ曲线随循环次数的演变规律。可以看出,在较低角位移幅值下,T-θ曲线在1000次循环内均呈现直线型变化,这表明此时接触界面的变形主要是靠弹性变形来协调。当角位移幅值增加到1°时(图 1(b)),接触界面的相对运动发生了改变,同时,T-θ曲线在前100次循环呈现平行四边型,在100次循环之后转为椭圆型,接触表面的相对运动状态由完全滑移转换为部分滑移,此时接触界面已开始发生一定量的塑性变形,根据微动图理论,可判断其处于扭动微动的混合滑移状态。继续增大角位移幅值到7.5°时(图 1(c)),T-θ曲线在不同的循环周次下均呈平行四边型,扭动微动摩擦界面已进入完全滑移状态,此时接触界面已发生了严重的塑性变形,其变形主要由塑性变形来协调。还可以看出,随着循环次数的增加,曲线所围成的面积越来越大,这主要是因为随着磨损的加剧,接触表面之间的摩擦耗散能逐渐增加。

图1 不同角位移幅值下的T-θ 曲线 (a)θ=0.1°; (b)θ=1°; (c)θ=7.5° Fig.1 T-θ curves under different angular displacement amplitudes (a)θ=0.1°;(b)θ=1°;(c)θ=7.5°

在扭动微动磨损实验过程中,摩擦扭矩值是实验所得的重要参数,是反映接触界面摩擦行为的一个重要参量。图 2是5083铝合金在Fn=50N时不同角位移幅值下的摩擦扭矩随循环次数的变化曲线,即摩擦扭矩时变曲线。可以看出,当角位移幅值较低(θ=0.1°)时,由于其处于部分滑移状态,接触区一直处于黏着状态,接触界面间的相对位移较小,表面的变形主要是弹性变形来协调,因此,自始至终,摩擦扭矩值一直保持在较低水平。在混合滑移区如θ=0.5°,1°,2.5°,5°条件下,由于微动处于完全滑移向部分滑移,部分滑移向完全滑移的转换阶段,接触界面的磨损不断加深,此时摩擦扭矩时变曲线呈现出一种阶段性特征,具体表现为3个阶段:(1)初始阶段,即跑合阶段,由于此时接触副金属间没有发生直接接触,因此界面摩擦扭矩值较低;(2)二体作用阶段,此时摩擦扭矩值会从一开始的平缓阶段开始上升;(3)二体作用向三体转换阶段,这个阶段摩擦扭矩逐渐回落,最后趋于稳定,因此在循环次数达到1000次左右时曲线均趋于平缓。在完全滑移区如θ=10°条件下,从图 2可以看出,此摩擦扭矩时变曲线有着与混合滑移区类似的规律,摩擦扭矩值上升到一定阶段后开始下降,最后趋于平缓,并且完全滑移区的扭矩时变曲线比混合滑移区的扭矩时变曲线更早趋于稳定。

图2 5083铝合金摩擦扭矩随循环次数变化曲线 Fig.2 Friction torques of 5083 aluminum alloy in different number of cycles
2.2 磨斑形貌演变规律

图 3为5083铝合金在法向载荷为50N、不同角位移幅值以及不同循环周次时光学显微镜下的磨斑形貌的演变规律。可以看出,在较小角位移幅值(如0.1°)时,在1000,5000次时几乎看不到磨斑,只有在循环次数为10000次的情况下才能看到在边缘的微滑区有轻微的损伤。

图3 5083铝合金扭动微动磨痕形貌 (a)θ=0.1°; (b)θ=0.3°; (c)θ=0.5°; (d)θ=5°; (e)θ=7.5° Fig.3 Torsional fretting wear scars of 5083 aluminum alloy (a)θ=0.1°;(b)θ=0.3°;(c)θ=0.5°;(d)θ=5°;(e)θ=7.5°

该阶段磨痕始终保持中心区域是黏着的,边缘有轻微的损伤,且随着循环次数的增加,中心的黏着区几乎没有缩小,结合微动图理论以及磨痕形貌综合分析,可判断该条件下的微动处于部分滑移区。当角位移幅值为0.3°,0.5°,5°时,这些磨痕形貌图具有一个共性,就是在相同的角位移幅值下,随着循环次数的增加,损伤由外向内逐渐扩展,中心的黏着区逐渐缩小,甚至消失,而边缘的微滑区则不断增大,而在相同的循环次数下,随着角位移幅值的增加,微滑区的损伤越来越严重,磨痕的颜色也越来越深,可判断该条件下的微动处于混合滑移区。而在角位移幅值为7.5°条件下,在初次循环时损伤就覆盖了整个表面,并且随着循环次数的增加整个表面的损伤越来越严重,产生了材料剥落的现象,结合微动图理论以及磨痕形貌综合分析,可判断该条件下的微动处于完全滑移区。

2.3 磨痕SEM表面形貌以及轮廓分析

图 4为不同角位移幅值下磨痕的SEM形貌和二维轮廓图。当角位移幅值为0.1°时,磨痕表面的损伤及其轻微,磨损只发生在接触边缘,这主要是由于角位移幅值很小时,材料表面的运动主要靠接触界面的弹性变形来协调,即使循环次数增大到10000次,其磨痕损伤均较轻微,结合图 4(d)所示的磨痕轮廓AA′分析显示,在接触边缘两侧有一定的磨痕深度值,但是两端的深度值都比较低。当角位移幅值为1°时,1000次扭动微动循环后,混合区的磨痕形貌如图 4(b)所示,黏着区没有相对滑移,损伤轻微,但环状的微滑区则发生了明显的磨损,且随着循环次数的增加,微滑区从外向内逐渐扩展,再结合其对应的二维轮廓形貌BB′分析可知,混合区的磨痕呈现出典型的“W”状,磨痕中心的黏着区几乎没有材料损失,外侧环状区域则由于磨损深度值较大,最大深度达到7.2μm,损伤较部分滑移区严重得多,并且在混合滑移区二维轮廓深度值出现了正值,这主要是因为出现了“隆起”[13]。当角位移幅值为7.5°时,循环次数为1000次的磨痕形貌如图 4(c)所示,微动处于完全滑移区,自接触中心到边缘,整个接触区域磨损严重,磨痕表面完全被磨屑所覆盖,从磨痕的二维轮廓CC′可以看出,磨痕接触面由“W”型转变成“U”型,并且磨痕表面出现了明显的“隆起”,混合滑移区以及完全滑移区的“隆起”特征的发生,一方面是因为在磨损的过程中,接触区域受到挤压应力的作用产生了塑性变形,并且塑性不断累积的同时发生了不规则的流动,另一方面是材料在磨损过程中,磨屑发生了剥落,但是由于磨屑的排出比较困难,在接触区域不断被压实堆积形成了“隆起”。

图4 磨痕形貌及其对应的二维轮廓图 (a)Fn=50N,θ=0.1°,N=10000次; (b)Fn=50N,θ=1°,N=1000次; (c)Fn=50N,θ=7.5°,N=1000次; (d)轮廓图 Fig.4 Wear scars and two-dimensional contour plot (a)Fn=50N,θ=0.1°,N=10000 cycles;(b)Fn=50N,θ=1°,N=1000 cycles;(c)Fn=50N,θ=7.5°,N=1000 cycles;(d)contour plot
2.4 扭动微动运行工况微动图

在法向载荷一定(50N)时,分别改变角位移幅值和循环次数,并结合T-θ曲线以及磨痕形貌进行分析,可确定5083铝合金在法向载荷为50N时的扭动微动运行区域。图 5为两种接触载荷下的5083铝合金的扭动微动运行特性,横坐标为角位移幅值,纵坐标为法向载荷,横纵坐标围成区域随着角位移幅值的增大依次从部分滑移向完全滑移进行转化。可以看出,扭动微动磨损与切向微动磨损具有同样的规律,随着法向载荷的增加,混合滑移区的范围也逐渐扩大,如法向载荷为15N时,混合滑移区大小约为0.15°~2.5°,而法向载荷为50N时,混合滑移区大小约为0.3°~5°,并且随着法向载荷的增加,扭动微动表面的相对滑移更加困难。而当法向载荷一定时,随着角位移幅值的增加,扭动微动运行区域依次运行于部分滑移区、混合滑移区以及完全滑移区。

图5 扭动微动磨损运行工况微动图 Fig.5 The running condition fretting maps of tortional fretting wear
3 结论

(1)法向载荷一定时,5083铝合金的扭动微动运行区域有与其他微动运行区域类似的特性,都可以划分为部分滑移区、混合滑移区、完全滑移区。部分滑移区磨损轻微,混合滑移区磨痕形貌呈“W”型,完全滑移区磨痕形貌呈“U”型凹坑状,此两区域均损伤严重。

(2)在部分滑移区摩擦扭矩值很小,而混合滑移区以及完全滑移区的扭矩值的变化趋势类似,均呈现三种阶段性的特征:跑合—上升—平稳阶段。

(3)建立了5083铝合金的微动运行工况图,从而可以判断法向载荷、角位移幅值的变化对5083铝合金扭动微动运行区域的影响。

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