5083铝合金扭动微动磨损实验研究.pdf

第４４卷第４期—２０１６年４月第７１７５页材料工程ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶ０１．４４Ｎｏ．４—Ａｐｒ．２０１６ＰＰ．７１７５５０８３铝合金扭动微动磨损实验研究ＴｏｒｓｉｏｎａｌＦｒｅｔｔｉｎｇＷｅａｒｏｆ５０８３ＡｌｕｍｉｎｕｍＡｌｌｏｙ伍灿，沈火明，邓莎莎，刘娟，彭金方，（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）——ＷＵＣａｎ，ＳＨＥＮＨｕｏｍｉｎｇ，ＤＥＮＧＳｈａｓｈａ，—ＬＩＵＪｕａｎ。ＰＥＮＧＪｉｎｆａｎｇ。（１ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００３１，Ｃｈｉｎａ；２ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＴｒａｃｔｉｏｎＰｏｗｅｒ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００３１，Ｃｈｉｎａ）摘要：采用球一平面接触的模式，对ＧＣｒ１５钢球与５０８３铝合金在角位移幅值０．１ｏ～１Ｏ。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：摩擦扭矩一角位移幅值曲线（Ｔ－０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—ｄｏｉ：１０．１１８６８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１４３８１．２０１６．０４．０１２中图分类号：ＴＨ１１７．１文献标识码：Ａ文章编号：１００１－４３８１（２０１６）０４－００７１－０５———Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇａｂａｌｌｏｎｆｌａｔｃｏｎｔａｃｔｍｏｄｅ，ｔｈｅｔｏｒｓｉｏｎａｌｆｒｅｔｔｉｎｇｗｅａｒｏｆ５０８３ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｆｌａｔｓａ—ｇａｉｎｓｔＧＣｒｌ５ｓｔｅｅｌｂａｌｌｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｕｎｄｅｒｎｏｒｍａｌｌｏａｄ（１５，５０Ｎ）ａｎｄｔｏｒｓｉｏｎａｌａｎｇｕｌａｒｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｍｐｌｉｔｕｄｅｓ（ｆｒｏｍ０．１。ｔｏ１０。）．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｒｅｖｅａｌｔｈａｔｔｈｅＴ－０ｃｕｒｖｅｓｃｈａｎｇｅｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆｃｙｃｌｅｎｕｍｂｅｒｓ．Ｉｔｓｈｏｗｓｔｈｒｅｅｔｙｐｅｓ，ｉ．ｅ．ｔｈｅｌｉｎｅａｒ，ｅｌｌｉｐｔｉｃａｎｄｐａｒａｌｌｅｌｏｇｒａｍｌｏｏｐｓ．Ｔｈｅｔｏｒｓｉｏｎａｌ—ｆｒｅｔｔｉｎｇｒｕｎｎｉｎｇｂｅｈａｖｉｏｒｓｏｆ５０８３ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｃａｎｂｅｄｅｆｉｎｅｄａｓｔｈｒｅｅｆｒｅｔｔｉｎｇｒｅｇｉｍｅｓ（．ｅ．ｐａｒｔｉａｌｓｌｉｐｒｅｇｉｍｅ（ＰＳＲ），ｍｉｘｅｄｆｒｅｔｔｉｎｇｒｅｇｉｍｅ（ＭＦＲ）ａｎｄｓｌｉｐｒｅｇｉｍｅ（ＳＲ））．Ｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｔｏｒｑｕｅｈａｓａ—１ｏｗｖａｌｕｅｉｎｔｈｅＰＳＲｂｕｔｃｈａｎｇｅｓｒｅｇｕｌａｒｌｙｉｎｔｈｅＭＦＲａｎｄＳＲ．ＴｈｅｗｅａｒｓｃａｒｓｏｂｓｅｒｖｅｄｂｙＳＥＭｒｅｙｅａ１ｔｈａｔｔｈｅｄａｍａｇｅｉｎｔｈｅＰＳＲｉｓｓｌｉｇｈｔｂｕｔｓｅｒｉｏｕｓｄａｍａｇｅｗｅａｒｉｓｏｂｓｅｒｖｅｄｉｎｔｈｅＭＦＲａｎｄＳＲ．Ｔｈｅｒｕｎｎｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｆｒｅｔｔｉｎｇｍａｐｓｏｆ５０８３ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙａｒｅｓｅｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｏｒｓｉｏｎａｌｆｒｅｔｔｉｎｇ；５０８３ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ；ｆｒｅｔｔｉｎｇｗｅａｒ；ｗｅａｒｓｃａｒ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Ａ１－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，西南交通大学朱曼昊教授课题组进行了Ａ１－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］，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］，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一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［９－１ｚ］，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［１。。实验中选择铝合金与ＧＣｒｌ５钢球的球一平面的接触模式，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／铝合金这种球一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ＣＥＴＲＵＭＴ－２型多功能摩擦磨损试验机Ｅｌｅ３上进行了７２材料工程２０１６年４月５０８３铝合金／ＧＣｒＩ５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Ｍｇ４．０～４．９，≤≤≤≤Ｓｉ０．４，Ｚｎ０．２５，Ｃｕ０．１，Ｔｉ０．１５，余量为Ａｌ。将其加工成尺寸为ｌＯｍｍ×ｌＯｍｍ×３０ｒａｍ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Ｒ一０．４ｍ。对磨副球采用的≠是直径一４０ｒａｍ的ＧＣｒｌ５钢球，Ｒ一０．３ｍ。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：扭动角速度叫一０．６ｏ）／ｓ，往复角位移幅值为０．１。，０．２。，０．５。，１。，２．５。，５。，７．５。，１Ｏ。；法向载荷Ｆ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一６６１０ＬＶ）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＿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－０曲线。图１（ａ）给出了５０８３铝合金在法向载荷为５０Ｎ、扭转角度为０．１Ｏ时，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－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＿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－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。（ａ）１ｃｙｃｌｅ１０ｃｙｃｌｅｓ１００ｃｙｃｌｅｓ１０００ｃｙｃｌｅｓ・／厂／／一／／０．１０．００．１－０．１０．００．１－０．１０．００．１．０．１０．００．１Ａｎｇｕｌａｒｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｍｐｌｉｔｕｔｅ／（。）ＥＺ苫０当ｏＩ－．３０（Ｃ）１ｃｙｃｌｅ１０ｃｙｃｌｅｓ１００ｃｙｃｌｅｓ５００ｃｙｃｌｅｓ—，．１ｎｎ。ｆ，＾－一一Ｉ．／，图１不同角位移幅值下的丁＿口曲线（ａ）一０．ｒ；（ｂ）一１。；（ｃ）口＝７．５。Ｆｉｇ．１丁一ｃｕｒｖｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｎｇｕｌａｒｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｍｐｌｉｔｕｄｅＳ（ａ）口一０．１。；（ｂ）口一１。；（ｃ）口一７．５。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Ｆ一５０Ｎ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（０一ＥＺｏ０３Ｏ卜－Ｎ／ｃｙｃｌｅ图２５０８３铝合金摩擦扭矩随循环次数变化曲线Ｆｉｇ．２Ｆｒｉｃｔｉｏｎｔｏｒｑｕｅｓｏｆ５０８３ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｎｕｍｂｅｒｏｆｃｙｃｌｅｓ第４４卷第４期５０８３铝合金扭动微动磨损实验研究７５“”域不断被压实堆积形成了隆起。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＿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。３结论Ｉｇ（（。））图５扭动微动磨损运行工况微动图Ｆｉｇ．５Ｔｈｅｒｕｎｎｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｆｒｅｔｔｉｎｇｍａｐｓｏｆｔｏｒｔｉｏｎａｌｆｒｅｔｔｉｎｇｗｅａｒ（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：跑合一上升一平稳阶段。（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。参考文献［１］ＶＲＡＴＮＩＣＡＭ，ＰＬＵＶＩＮＡＧＥＧ，ＪＯＤＩＮＰ．Ｎｏｔｃｈｆｒａｃｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈＡ１ａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆Ｄｅｓｉｇｎ，—２０１３，４４：３０３３１０．［２］陈舟．５０８３铝合金搅拌摩擦焊接试验研究［Ｄ］．成都：西南交通大学，２０１３．［３］蔡振兵．扭动微动磨损机理研究［Ｄ］．成都；西南交通大学，２００９．—ｒ４］ｃＡＩＺＢ，ＺＨＵＭＨ，ＬＩＮＸＺ．ＦｒｉｃｔｉｏｎａｎｄｗｅａｒＯｆ７０７５ａｌｕｍｉ—ｎｕｍａｌｌｏｙｉｎｄｕｃｅｄｂｙｔｏｒｓｉｏｎａｌｆｒｅｔｔｉｎｇ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＮｏｎ—ｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓＳｏｃｉｅｔｙｏｆＣｈｉｎａ，２０１０，２０（３）：３７１３７６．［５］ＣＡＩＺＢ，ＺＨＵＭＨ，ＳＨＥＮＨＭ，ｅｔａ１．Ｔｏｒｓｉｏｎａｌｆｒｅｔｔｉｎｇｗｅａｒ—ｂｅｈａｖｉｏｕｒｏｆ７０７５ａｌｕｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙｉｎｖａｒｉｏｕｓｒｅｌａｔｉｖｅｈｕｍｉｄｉｔｙａｎ——ｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓｌ，Ｊ］．Ｗｅａｒ，２００９，２６７（１４）：３３０３３９．［６］蔡振兵，朱曼吴．不同磨损半径下７０７５铝合金的扭动微动磨损试验研究［Ａ］．２００７全国机械工程博士生学术论坛论文集［Ｃ］．上海：中国机械工程学会２００７．—［７］ＺＨＵＭＨ，ＺＨＯＵＺＲ．Ｄｕａｌｍｏｔｉｏｎｆｒｅｔｔｉｎｇｗｅａｒｂｅｈａｖｉｏｒｏｆ——７０７５ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，２００３，２５５（１６）：２６９２７５．Ｅ８］蔡振兵，杨莎，林修洲，等．扭动微动条件下含水气氛对氧化行为—的影响口］．摩擦学学报，２０１０，（６）：５２７５３１．ＣＡＩＺＢ，ＹＡＮＧＳ，ＬＩＮＸＺ，ｅｔａ１．０ｘｉｄａｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｉｎｄｉｆｆｅｒ－ｅｎｔｈｕｍｉｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓｉｎｄｕｃｅｄｂｙｔｏｒｓｉｏｎａｌｆｒｅｔｔｉｎｇｗｅａｒ［Ｊ］．—Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ，２０１０，（６）：５２７５３１．［９］左孔成，蔡振兵，宋川ｉ，等．纤维取向对碳纤维织物复合材料扭动—微动摩擦学性能的影响［Ｊ］．材料工程，２０１４，（４）：７９８４．ＺＵ０ＫＣ，ＣＡＩＺＢ，ＳＯＮＧＣ，ｅｔａ１．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｆｉｂｅｒｓｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ—ｏｎｔｏｒｓｉｏｎａｌｆｒｅｔｔｉｎｇｗｅａｒｂｅｈａｖｉｏｒｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｆａｂｒｉｃｅｏｍｐｏｓ—ｉｔｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１４，（４）：７９８４．［１Ｏ］朱曼吴，蔡振兵，莫继良，等．微动磨损的研究进展（摘要）［Ｊ］．机械工程材料，２００８，２（７）：４６６．—ＺＨＵＭＨ，ＣＡＩＺＢ，Ｍ０ＪＬ，ｅｔａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｆｒｅｔｔｉｎｇｗｅａｒ（ｓｕｍｍａｒｙ）［Ｊ］．ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，２００８，２（７）：４６６．［１１］朱曼吴，周仲荣．关于复合微动的研究ｌ－Ｊ］．摩擦学学报，２００１，２１—（３）：１８２１８６．—ＺＨＵＭＨ，ＺＨＯＵＺＲ．Ａｓｔｕｄｙｏｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｒｅｔｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｔｒｉ—ｂｏｌｏｇｙ，２００１，２１（３）：１８２１８６．［１２］周仲荣，朱曼吴．复合微动磨损［Ｍ］．上海；上海交通大学出版社，２００４．１＇１３１蔡振兵，朱曼吴，俞佳，等．扭动微动的模拟与试验研究ｌ－Ｊ］．摩擦—学学报，２００８，２８（１）：１８２２．ＣＡＩＺＢ，ＺＨＵＭＨ，ＹＵＪ，ｅｔａ１．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ—ｓｔｕｄｙｏｆｔｏｒｓｉｏｎａｌｆｒｅｔｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ，２００８，２８（１）：１８２２．［－１４］ＢＲＩＳＣＯＥＢＪ，ｃＨＡＴＥＡｕＭＩＮ０ＩｓＡ，ＬＩＮＤＬＥＹＴＣ，ｅｔａ１．—Ｃｏｎｔａｃｔｄａｍａｇｅｏｆｐｏｌｙ（ｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）ｄｕｒｉｎｇｃｏｍｐｌｅｘ—ｍｉｃｒｏ－ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｌ，Ｊ］．ｗｅａｒ，２０００，２４０（２０００）：２７３９．—［１５］ＣＡＩＺ，ＺＨＵＭ，ＺＨＯＵＺ．ＡｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｔｏｒｓｉｏｎａｌｆｒｅｔｒｉｎｇｂｅｈａｖｉｏｒｓｏｆＬＺ５０ｓｔｅｅｌ［Ｊ］．ＴｒｉｂｏｌｏｇｙＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２０１０，—４３（１）：３６１３６９．—［１６］ＬＩＮＮＦＣ．Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆａｎｉｍａｌｊｏｉｎｔｓ：Ｉ．ｔｈｅａｒｔｈｒｏｔｒｉｐｓｏｍｅｔｅｒ［Ｊ］．ＴｈｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｏｎｅａｎｄＪｏｉｎｔＳｕｒｇｃｒｙ，１９６７，４９（６）：—】０７９１０９８．基金项目：国家自然科学基金资助项目（１１１７２２５０）；四川Ｉ省青年科技创新团队资助项目（２０１３ＴＤ０００４）；中央高校基本科研业务费专项基金资助（２６８２０１４ＣＸ０３８）————收稿日期：２０１４０６２０；修订日期：２０１５０４０２通讯作者：沈火明（１９６８一），男，博士，教授，研究方向：扭动微动磨损实验以及数值模拟研究，联系地址：四川省成都市西南交通大学九里校区—力学与工程学院机械馆２５０４（６１００３１），Ｅｍａｉｌ：ｈｍｓｈｅｎ＠１２６．ｃｏｒｎ∞Ｚ、ｏ＝ｍＬ．Ｉ．ｃｏＺ