搅拌摩擦加工对AZ31镁合金耐磨性及耐蚀性的影响

摘要

在UMT-3型多功能摩擦磨损试验机上，采用球-块式对偶往复滑动摩擦磨损测试法对比性地研究了搅拌摩擦加工镁合金FSP-AZ31及其母材AZ31镁合金的摩擦磨损性能;探索了加载载荷和时间对两者的摩擦系数及磨损量的影响规律;采用盐浴浸泡法对比性地研究了两者的耐腐蚀性能，着重分析了它们的腐蚀速率随浸泡时间的变化规律;借助光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)分析了FSP-AZ31和AZ31的微观组织、磨损面、磨屑、腐蚀表面及对偶摩擦面的形貌特征及化学组成;借助电化学测试仪测定了两者的极化曲线及电化学阻抗谱;基于实验结果及理论分析，探讨了FSP加工对AZ31镁合金摩擦磨损性能及耐腐蚀性能的改善机理。主要研究内容及结果如下:
　　1、探明了加载载荷和时间对FSP-AZ31及AZ31镁合金摩擦系数和磨损量的影响规律。当载荷恒定时，FSP-AZ31及AZ31的瞬时摩擦系数均在起始的0-200s内随着时间的延长逐渐减小，前者起始摩擦系数略小于后者起始摩擦系数。随后，两者的摩擦系数逐渐趋于近稳态和一致;在摩擦时间相同的条件下，FSP-AZ31和AZ31的平均摩擦系数均随载荷的增大而增大，但增大的幅度逐渐降低，且FSP-AZ31的平均摩擦系数小于母材的平均摩擦系数。随着加载载荷的增大或摩擦时间的延长，两者的磨损量均增加，但FSP-AZ31的磨损量始终明显地小于AZ31的磨损量，意味着FSP加工可提高AZ31镁合金表面的摩擦磨损性能。
　　2、对比分析了FSP-AZ31及AZ31镁合金磨损面、磨屑、摩擦对偶的形貌特征和化学组成，探讨了摩擦磨损过程中主要磨损机制的转变。两者的磨损面均出现了犁沟、氧化、裂纹及剥层的形貌特征。随加载载荷的增大和摩擦时间的延长，母材AZ31磨损表面因为发生更为严重的塑性变形及剥层而产生了大量的裂纹和凹坑;二者的磨屑形貌均由颗粒状转变为块状，但母材AZ31镁合金的磨屑体积更大。摩擦对偶的接触面上粘附了大量的磨屑，意味着磨损过程中大量的镁合金材料转移到了摩擦对偶上。FSP-AZ31及AZ31均经历了从磨粒磨损到氧化磨损最后进入严重的粘着磨损和剥层磨损，但FSP-AZ31到达粘着磨损和剥层磨损的进程减缓。
　　3、探明了盐浴腐蚀过程中浸泡时间对FSP-AZ31及AZ31镁合金腐蚀形貌特征和腐蚀速率的影响规律，分析了两者的极化曲线和电化学阻抗谱图的变化规律。在含Cl-的溶液中，两者均发生了点蚀，随浸泡时间的延长，点蚀的程度均有所加深，但FSP-AZ31发生点蚀的速率远小于AZ31，且腐蚀程度也明显轻于AZ31。经过24h的腐蚀后，AZ31表面出现了大量的腐蚀裂纹和剥落坑，而FSP-AZ31表面只是局部形成了腐蚀裂纹。FSP-AZ31的自腐蚀电位Ecorr为-1675mv，比AZ31的-1681.7mv略高，腐蚀电流密度icorr小一个数量级左右，且前者的阻抗也要比后者强很多，由此表明FSP加工改善了AZ31镁合金的耐腐蚀性能。
　　4、研究了FSP对AZ31镁合金微观组织的影响，基于FSP-AZ31镁合金的微观组织演变特征，探讨了FSP加工对AZ31镁合金摩擦磨损性能和耐腐蚀性能的改善机理。母材AZ31的基体晶粒粗大且形状、尺寸不均匀，第二相较多且不连续地分布于晶界和晶内;FSP加工过程中的摩擦热与变形热以及强烈的剪切与挤压等剧变形作用，使得AZ31镁合金板材产生了明显的动态再结晶等行为，以致FSP-AZ31形成了均匀的细晶组织，平均晶粒尺寸约为10μm，并且第二相发生固溶而明显减少，这是其耐腐蚀性能增强的原因;晶粒细小、晶界增多及表面硬度增大是其摩擦磨损性能增强的原因。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 镁合金的概述

1．1．1 镁合金的特性及分类

1．1．2 镁合金的应用及研究简况

1．2 镁合金的摩擦磨损问题

1．2．1 摩擦的影响因素及机理

1．2．2 磨损的影响因素及机理

1．2．3 镁合金摩擦磨损性能的研究现状

1．3 镁合金的腐蚀问题

1．3．1 腐蚀的影响因素及机理

1．3．2 镁合金腐蚀性能的研究现状

1．4 搅拌摩擦加工技术的概述

1．4．1 搅拌摩擦加工技术的原理与特点

1．4．2 搅拌摩擦加工技术的应用及研究现状

1．5 本论文的研究目的、内容及技术路线

1．5．1 研究目的与意义

1．5．2 主要研究内容

1．5．3 技术路线

1．6 本章小结

第二章 试验条件与研究方法

2．1 搅拌摩擦加工样品制备

2．1．1 试验材料

2．1．2 试验设备与参数

2．2 金相显微组织(OM)观察

2．3 显微硬度的测试及分析

2．4 摩擦磨损试验

2．4．1 试验设备

2．4．2 试验材料

2．4．3 摩擦磨损试验方案及过程

2．4．4 摩擦系数与磨损量的分析

2．4．5 磨损面、磨屑、摩擦对偶的形貌观察及成分分析

2．5 盐浴腐蚀试验

2．5．1 试验样品

2．5．2 盐浴腐蚀试验方案及过程

2．5．3 腐蚀形貌的观察及腐蚀产物的分析

2．5．4 腐蚀速率的分析

2．5．5 极化曲线及电化学阻抗谱的测定

2．6 本章小结

第三章 FSP对AZ31镁合金耐磨性的影响

3．1 载荷及时间对摩擦系数的影响

3．1．1 摩擦时间对摩擦系数的影响

3．1．2 加载载荷对摩擦系数的影响

3．2 载荷及时间对磨损量的影响

3．3 不同载荷、时间下磨损面的形貌特征

3．3．1 不同载荷、时间下磨损面的宏观形貌特征

3．3．2 不同载荷、时间下磨损面的SEM形貌特征

3．4 不同载荷、时间下磨屑和摩擦对偶的形貌特征

3．5 摩擦磨损机理的探讨

3．6 本章小结

第四章 FSP对AZ31镁合金耐蚀性的影响

4．1 腐蚀形貌特征

4．1．1 宏观腐蚀形貌特征

4．1．2 SEM腐蚀形貌特征

4．2 腐蚀速率随时间的变化

4．3 极化曲线及电化学阻抗谱的分析

4．4 腐蚀机理的探讨

4．5 本章小结

第五章 FSP-AZ31镁合金组织特征及耐磨耐蚀机理

5．1 搅拌摩擦加工面显微硬度分布

5．2 低倍宏观组织特征

5．3 高倍微观组织特征

5．4 耐磨及耐蚀机理探讨

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表论文

声明

致谢