5083鋁合金扭動微動磨損實驗研究

伍　燦，沈火明,鄧莎莎，劉　娟，彭金方

(1 西南交通大學 力學與工程學院，成都 610031；2 西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031)

?

5083鋁合金扭動微動磨損實驗研究

伍燦1，沈火明1,鄧莎莎1，劉娟1，彭金方2

(1 西南交通大學 力學與工程學院，成都 610031；2 西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031)

采用球-平面接觸的模式，對GCr15鋼球與5083鋁合金在角位移幅值0.1°～10°和法向載荷15，50N時的扭動微動磨損進行實驗研究。結果表明：摩擦扭矩-角位移幅值曲線(T-θ曲線)隨著循環次數的增加有規律地發生變化，呈現3種基本類型，即直線狀、橢圓狀和平行四邊形狀。5083鋁合金的扭動微動運行區域分為部分滑移區、混合滑移區、完全滑移區，部分滑移區的摩擦扭矩值持續較低，混合滑移區以及完全滑移區的摩擦扭矩值呈一定規律變化。結合SEM磨斑形貌分析可知部分滑移區損傷輕微，混合滑移區以及完全滑移區損傷較嚴重。通過研究確定了5083鋁合金的運行工況微動圖。

扭動微動；5083鋁合金；微動磨損；磨斑形貌

鋁合金由于質量輕、強度高、耐腐蝕、優良的導電性和導熱性等特性被大量應用于現代工業[1]。5083鋁合金屬于Al-Mg系列合金，因其強度高、耐腐蝕性良好而被廣泛應用于鋼鋁螺栓接觸界面中[2]。目前有關鋁合金扭動微動磨損特性的研究較少，西南交通大學朱旻昊教授課題組進行了Al-Zn系列7075鋁合金在不同濕度、不同法向載荷等條件下的扭動微動特性研究[2-8]，結果表明材料性能的差異是影響扭動微動的另一重要影響因素[3]，但是對于5083鋁合金的扭動微動特性研究還鮮見報道。所以，開展5083鋁合金扭動微動磨損行為的實驗研究對工程應用具有一定的意義。扭動微動是簡化的球-平面接觸模型按不同的相對運動方向定義的4種微動模式中的一種[9-12]，是指在交變載荷作用下緊固配合接觸副間發生的微幅相對扭動[13-15]。實驗中選擇鋁合金與GCr15鋼球的球-平面的接觸模式，一方面是因為在平面上端施加的法向載荷相當于提供了緊固配合的條件，而球體下端按照角位移幅值大小旋轉的實驗條件則相當于交變載荷的作用，另一方面是因為在工程應用中廣泛存在鋼鋁連接界面的扭動微動損傷(例如鋼鋁螺栓界面的扭動)，并且鋼球/鋁合金這種球-平面的接觸模式更有利于凸顯鋁合金材料表面的損傷，便于深入揭示扭動微動磨損的損傷機制。本工作在配置高精度低速往復轉動臺的CETR UMT-2型多功能摩擦磨損試驗機[16]上進行了5083鋁合金/GCr15鋼球的扭動微動磨損實驗，并對5083鋁合金的扭動微動的動力學特性以及損傷特性進行了分析，最后得出了5083鋁合金的運行工況微動圖。

1　實驗材料和方法

實驗材料為具有高抗疲勞強度的防銹鋁—5083鋁合金，其主要成分(質量分數/%)為Mg 4.0～4.9，Si≤0.4，Zn≤0.25，Cu≤0.1，Ti≤0.15，余量為Al。將其加工成尺寸為10mm×10mm×30mm的塊件試樣，經過砂紙研磨之后再進行拋光。不同于其他類型的金屬可以使用金剛石研磨膏進行拋光，5083鋁合金的拋光需要使用氧化鋁飽和溶液，并在高速旋轉的精密研磨拋光機上進行拋光。實驗中，將鋁合金塊件試樣拋光至表面粗糙度Ra=0.4μm。對磨副球采用的是直徑φ=40mm的GCr15鋼球，Ra=0.3μm。實驗前后依次用酒精對試樣進行超聲波清洗。

實驗參數的設定：扭動角速度ω=0.6(°)/s,往復角位移幅值為0.1°，0.2°，0.5°，1°，2.5°，5°，7.5°，10°；法向載荷Fn為15，50N,循環次數為10，100，1000，10000次，實驗環境為大氣。實驗后分別用光學顯微鏡(BX50)、掃描電子顯微鏡(SEM，JOELJSM-6610LV)觀察磨痕形貌；用Nanomap500DLS雙模式輪廓儀對磨痕進行二維輪廓測試。

2　實驗結果與分析

2.1微動運行區域特性

角位移幅值是影響扭動微動的重要參數,T-θ曲線是扭動微動磨損實驗裝置獲得的最基本實驗信息，能夠準確表征扭動微動的摩擦特性。

圖1為不同角位移幅值下的T-θ曲線。圖1(a)給出了5083鋁合金在法向載荷為50N、扭轉角度θ為0.1°時，T-θ曲線隨循環次數的演變規律?？梢钥闯觯谳^低角位移幅值下，T-θ曲線在1000次循環內均呈現直線型變化，這表明此時接觸界面的變形主要是靠彈性變形來協調。當角位移幅值增加到1°時(圖1(b))，接觸界面的相對運動發生了改變，同時，T-θ曲線在前100次循環呈現平行四邊型，在100次循環之后轉為橢圓型，接觸表面的相對運動狀態由完全滑移轉換為部分滑移，此時接觸界面已開始發生一定量的塑性變形，根據微動圖理論，可判斷其處于扭動微動的混合滑移狀態。繼續增大角位移幅值到7.5°時(圖1(c))，T-θ曲線在不同的循環周次下均呈平行四邊型，扭動微動摩擦界面已進入完全滑移狀態，此時接觸界面已發生了嚴重的塑性變形，其變形主要由塑性變形來協調。還可以看出，隨著循環次數的增加，曲線所圍成的面積越來越大，這主要是因為隨著磨損的加劇，接觸表面之間的摩擦耗散能逐漸增加。

圖1　不同角位移幅值下的T-θ 曲線(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°

在扭動微動磨損實驗過程中，摩擦扭矩值是實驗所得的重要參數，是反映接觸界面摩擦行為的一個重要參量。圖2是5083鋁合金在Fn=50N時不同角位移幅值下的摩擦扭矩隨循環次數的變化曲線，即摩擦扭矩時變曲線。可以看出，當角位移幅值較低(θ=0.1°)時，由于其處于部分滑移狀態，接觸區一直處于黏著狀態，接觸界面間的相對位移較小，表面的變形主要是彈性變形來協調，因此，自始至終，摩擦扭矩值一直保持在較低水平。在混合滑移區如θ=0.5°，1°，2.5°，5°條件下，由于微動處于完全滑移向部分滑移，部分滑移向完全滑移的轉換階段，接觸界面的磨損不斷加深，此時摩擦扭矩時變曲線呈現出一種階段性特征，具體表現為3個階段：(1)初始階段，即跑合階段，由于此時接觸副金屬間沒有發生直接接觸，因此界面摩擦扭矩值較低；(2)二體作用階段，此時摩擦扭矩值會從一開始的平緩階段開始上升；(3)二體作用向三體轉換階段，這個階段摩擦扭矩逐漸回落，最后趨于穩定，因此在循環次數達到1000次左右時曲線均趨于平緩。在完全滑移區如θ=10°條件下，從圖2可以看出，此摩擦扭矩時變曲線有著與混合滑移區類似的規律，摩擦扭矩值上升到一定階段后開始下降，最后趨于平緩，并且完全滑移區的扭矩時變曲線比混合滑移區的扭矩時變曲線更早趨于穩定。

圖2　5083鋁合金摩擦扭矩隨循環次數變化曲線Fig.2　Friction torques of 5083 aluminum alloy in different number of cycles

2.2磨斑形貌演變規律

圖3為5083鋁合金在法向載荷為50N、不同角位移幅值以及不同循環周次時光學顯微鏡下的磨斑形貌的演變規律?？梢钥闯觯谳^小角位移幅值(如0.1°)時，在1000，5000次時幾乎看不到磨斑，只有在循環次數為10000次的情況下才能看到在邊緣的微滑區有輕微的損傷。

圖3　5083鋁合金扭動微動磨痕形貌　(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°

該階段磨痕始終保持中心區域是黏著的，邊緣有輕微的損傷，且隨著循環次數的增加，中心的黏著區幾乎沒有縮小，結合微動圖理論以及磨痕形貌綜合分析，可判斷該條件下的微動處于部分滑移區。當角位移幅值為0.3°，0.5°，5°時，這些磨痕形貌圖具有一個共性，就是在相同的角位移幅值下，隨著循環次數的增加，損傷由外向內逐漸擴展，中心的黏著區逐漸縮小，甚至消失，而邊緣的微滑區則不斷增大，而在相同的循環次數下，隨著角位移幅值的增加，微滑區的損傷越來越嚴重，磨痕的顏色也越來越深，可判斷該條件下的微動處于混合滑移區。而在角位移幅值為7.5°條件下，在初次循環時損傷就覆蓋了整個表面，并且隨著循環次數的增加整個表面的損傷越來越嚴重，產生了材料剝落的現象，結合微動圖理論以及磨痕形貌綜合分析，可判斷該條件下的微動處于完全滑移區。

2.3磨痕SEM表面形貌以及輪廓分析

圖4為不同角位移幅值下磨痕的SEM形貌和二維輪廓圖。當角位移幅值為0.1°時，磨痕表面的損傷及其輕微，磨損只發生在接觸邊緣，這主要是由于角位移幅值很小時，材料表面的運動主要靠接觸界面的彈性變形來協調，即使循環次數增大到10000次，其磨痕損傷均較輕微，結合圖4(d)所示的磨痕輪廓AA′分析顯示，在接觸邊緣兩側有一定的磨痕深度值，但是兩端的深度值都比較低。當角位移幅值為1°時，1000次扭動微動循環后，混合區的磨痕形貌如圖4(b)所示，黏著區沒有相對滑移，損傷輕微，但環狀的微滑區則發生了明顯的磨損，且隨著循環次數的增加，微滑區從外向內逐漸擴展，再結合其對應的二維輪廓形貌BB′分析可知，混合區的磨痕呈現出典型的“W”狀，磨痕中心的黏著區幾乎沒有材料損失，外側環狀區域則由于磨損深度值較大，最大深度達到7.2μm，損傷較部分滑移區嚴重得多，并且在混合滑移區二維輪廓深度值出現了正值，這主要是因為出現了“隆起”[13]。當角位移幅值為7.5°時，循環次數為1000次的磨痕形貌如圖4(c)所示，微動處于完全滑移區，自接觸中心到邊緣，整個接觸區域磨損嚴重，磨痕表面完全被磨屑所覆蓋，從磨痕的二維輪廓CC′可以看出，磨痕接觸面由“W”型轉變成“U”型，并且磨痕表面出現了明顯的“隆起”，混合滑移區以及完全滑移區的“隆起”特征的發生，一方面是因為在磨損的過程中，接觸區域受到擠壓應力的作用產生了塑性變形，并且塑性不斷累積的同時發生了不規則的流動，另一方面是材料在磨損過程中，磨屑發生了剝落，但是由于磨屑的排出比較困難，在接觸區域不斷被壓實堆積形成了“隆起”。

圖4　磨痕形貌及其對應的二維輪廓圖(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)輪廓圖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扭動微動運行工況微動圖

在法向載荷一定(50N)時，分別改變角位移幅值和循環次數，并結合T-θ曲線以及磨痕形貌進行分析，可確定5083鋁合金在法向載荷為50N時的扭動微動運行區域。圖5為兩種接觸載荷下的5083鋁合金的扭動微動運行特性，橫坐標為角位移幅值，縱坐標為法向載荷，橫縱坐標圍成區域隨著角位移幅值的增大依次從部分滑移向完全滑移進行轉化?？梢钥闯?，扭動微動磨損與切向微動磨損具有同樣的規律，隨著法向載荷的增加，混合滑移區的范圍也逐漸擴大，如法向載荷為15N時，混合滑移區大小約為0.15°～2.5°，而法向載荷為50N時，混合滑移區大小約為0.3°～5°，并且隨著法向載荷的增加，扭動微動表面的相對滑移更加困難。而當法向載荷一定時，隨著角位移幅值的增加，扭動微動運行區域依次運行于部分滑移區、混合滑移區以及完全滑移區。

圖5　扭動微動磨損運行工況微動圖Fig.5　The running condition fretting maps of tortional fretting wear

3　結論

(1)法向載荷一定時，5083鋁合金的扭動微動運行區域有與其他微動運行區域類似的特性，都可以劃分為部分滑移區、混合滑移區、完全滑移區。部分滑移區磨損輕微，混合滑移區磨痕形貌呈“W”型，完全滑移區磨痕形貌呈“U”型凹坑狀，此兩區域均損傷嚴重。

(2)在部分滑移區摩擦扭矩值很小，而混合滑移區以及完全滑移區的扭矩值的變化趨勢類似，均呈現三種階段性的特征：跑合—上升—平穩階段。

(3)建立了5083鋁合金的微動運行工況圖，從而可以判斷法向載荷、角位移幅值的變化對5083鋁合金扭動微動運行區域的影響。

[1]VRATNICA M, PLUVINAGE G, JODIN P. Notch fracture toughness of high-strength Al alloys[J]. Materials & Design, 2013,44:303-310.

[2]陳舟.5083鋁合金攪拌摩擦焊接試驗研究[D].成都：西南交通大學，2013.

[3]蔡振兵.扭動微動磨損機理研究[D]. 成都：西南交通大學，2009.

[4]CAI Z B, ZHU M H, LIN X Z. Friction and wear of 7075 aluminum alloy induced by torsional fretting[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2010,20(3):371-376.

[5]CAI Z B, ZHU M H, SHEN H M, et al. Torsional fretting wear behaviour of 7075 aluminium alloy in various relative humidity environments[J]. Wear,2009,267(1-4):330-339.

[6]蔡振兵,朱旻昊.不同磨損半徑下7075鋁合金的扭動微動磨損試驗研究[A].2007全國機械工程博士生學術論壇論文集[C].上海:中國機械工程學會2007.

[7]ZHU M H, ZHOU Z R. Dual-motion fretting wear behavior of 7075 aluminum alloy[J]. Wear,2003,255(1-6):269-275.

[8]蔡振兵,楊莎,林修洲,等.扭動微動條件下含水氣氛對氧化行為的影響[J].摩擦學學報,2010,(6):527-531.

CAI Z B,YANG S, LIN X Z,et al. Oxidation behavior in different humid environments induced by torsional fretting wear[J].Tribology,2010,(6):527-531.

[9]左孔成，蔡振兵，宋川，等.纖維取向對碳纖維織物復合材料扭動微動摩擦學性能的影響[J].材料工程,2014,(4):79-84.

ZUO K C, CAI Z B, SONG C,et al. Effect of fibers orientation on torsional fretting wear behaviors of carbon fiber fabric composites[J].Journal of Materials Engineering,2014,(4):79-84.

[10]朱旻昊，蔡振兵，莫繼良，等.微動磨損的研究進展(摘要)[J].機械工程材料,2008,2(7):466.

ZHU M H, CAI Z B, MO J L, et al. Research progress of fretting wear (summary)[J]. Mechanical Engineering Materials,2008, 2(7):466.

[11]朱旻昊,周仲榮.關于復合微動的研究[J].摩擦學學報,2001,21(3):182-186.

ZHU M H,ZHOU Z R. A study on composite fretting[J]. Tribology,2001,21(3):182-186.

[12]周仲榮,朱旻昊.復合微動磨損[M].上海:上海交通大學出版社,2004.

[13]蔡振兵，朱旻昊，俞佳，等. 扭動微動的模擬與試驗研究[J].摩擦學學報,2008,28(1):18-22.

CAI Z B, ZHU M H, YU J, et al. Simulation and experimental study of torsional fretting[J].Tribology,2008,28(1):18-22.

[14]BRISCOE B J,CHATEAUMINOIS A,LINDLEY T C,et al. Contact damage of poly(methylmetha-crylate) during complex micro-displacements[J].Wear,2000,240(2000):27-39.

[15]CAI Z,ZHU M,ZHOU Z.An experimental study torsional fretting behaviors of LZ50 steel[J]. Tribology International,2010,43(1):361-369.

[16]LINN F C. Lubrication of animal joints: I. the arthrotripsometer [J]. The Journal of Bone and Joint Surgery,1967,49(6):1079-1098.

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)

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 theT-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.

torsional fretting;5083 aluminum alloy;fretting wear;wear scar

國家自然科學基金資助項目(11172250)；四川省青年科技創新團隊資助項目(2013TD0004)；中央高?；究蒲袠I務費專項基金資助(2682014CX038)

2014-06-20;

2015-04-02

沈火明(1968-)，男，博士，教授，研究方向：扭動微動磨損實驗以及數值模擬研究，聯系地址：四川省成都市西南交通大學九里校區力學與工程學院機械館2504(610031)，E-mail:hmshen@126.com

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.04.012

TH117.1

A

1001-4381(2016)04-0071-05