伍　燦，沈火明,鄧莎莎，劉　娟，彭金方

(1 西南交通大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031；2 西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

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5083鋁合金扭動(dòng)微動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)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(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031；2 西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

采用球-平面接觸的模式，對(duì)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(shí)的扭動(dòng)微動(dòng)磨損進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：摩擦扭矩-角位移幅值曲線(T-θ曲線)隨著循環(huán)次數(shù)的增加有規(guī)律地發(fā)生變化，呈現(xiàn)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(dòng)微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域分為部分滑移區(qū)、混合滑移區(qū)、完全滑移區(qū)，部分滑移區(qū)的摩擦扭矩值持續(xù)較低，混合滑移區(qū)以及完全滑移區(qū)的摩擦扭矩值呈一定規(guī)律變化。結(jié)合SEM磨斑形貌分析可知部分滑移區(qū)損傷輕微，混合滑移區(qū)以及完全滑移區(qū)損傷較嚴(yán)重。通過研究確定了5083鋁合金的運(yùn)行工況微動(dòng)圖。

扭動(dòng)微動(dòng)；5083鋁合金；微動(dòng)磨損；磨斑形貌

鋁合金由于質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等特性被大量應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)[1]。5083鋁合金屬于Al-Mg系列合金，因其強(qiáng)度高、耐腐蝕性良好而被廣泛應(yīng)用于鋼鋁螺栓接觸界面中[2]。目前有關(guān)鋁合金扭動(dòng)微動(dòng)磨損特性的研究較少，西南交通大學(xué)朱旻昊教授課題組進(jìn)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(dòng)微動(dòng)特性研究[2-8]，結(jié)果表明材料性能的差異是影響扭動(dòng)微動(dòng)的另一重要影響因素[3]，但是對(duì)于5083鋁合金的扭動(dòng)微動(dòng)特性研究還鮮見報(bào)道。所以，開展5083鋁合金扭動(dòng)微動(dòng)磨損行為的實(shí)驗(yàn)研究對(duì)工程應(yīng)用具有一定的意義。扭動(dòng)微動(dòng)是簡(jiǎn)化的球-平面接觸模型按不同的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向定義的4種微動(dòng)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(fā)生的微幅相對(duì)扭動(dòng)[13-15]。實(shí)驗(yàn)中選擇鋁合金與GCr15鋼球的球-平面的接觸模式，一方面是因?yàn)樵谄矫嫔隙耸┘拥姆ㄏ蜉d荷相當(dāng)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(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)條件則相當(dāng)于交變載荷的作用，另一方面是因?yàn)樵诠こ虘?yīng)用中廣泛存在鋼鋁連接界面的扭動(dòng)微動(dòng)損傷(例如鋼鋁螺栓界面的扭動(dòng))，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(dòng)微動(dòng)磨損的損傷機(jī)制。本工作在配置高精度低速往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)的CETR UMT-2型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)[16]上進(jìn)行了5083鋁合金/GCr15鋼球的扭動(dòng)微動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)，并對(duì)5083鋁合金的扭動(dòng)微動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性以及損傷特性進(jìn)行了分析，最后得出了5083鋁合金的運(yùn)行工況微動(dòng)圖。

1　實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)材料為具有高抗疲勞強(qiáng)度的防銹鋁—5083鋁合金，其主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)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(jīng)過砂紙研磨之后再進(jìn)行拋光。不同于其他類型的金屬可以使用金剛石研磨膏進(jìn)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(zhuǎn)的精密研磨拋光機(jī)上進(jìn)行拋光。實(shí)驗(yàn)中，將鋁合金塊件試樣拋光至表面粗糙度Ra=0.4μm。對(duì)磨副球采用的是直徑φ=40mm的GCr15鋼球，Ra=0.3μm。實(shí)驗(yàn)前后依次用酒精對(duì)試樣進(jìn)行超聲波清洗。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定：扭動(dòng)角速度ω=0.6(°)/s,往復(fù)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(huán)次數(shù)為10，100，1000，10000次，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為大氣。實(shí)驗(yàn)后分別用光學(xué)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(duì)磨痕進(jìn)行二維輪廓測(cè)試。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域特性

角位移幅值是影響扭動(dòng)微動(dòng)的重要參數(shù),T-θ曲線是扭動(dòng)微動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)裝置獲得的最基本實(shí)驗(yàn)信息，能夠準(zhǔn)確表征扭動(dòng)微動(dòng)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(zhuǎn)角度θ為0.1°時(shí)，T-θ曲線隨循環(huán)次數(shù)的演變規(guī)律?？梢钥闯?，在較低角位移幅值下，T-θ曲線在1000次循環(huán)內(nèi)均呈現(xiàn)直線型變化，這表明此時(shí)接觸界面的變形主要是靠彈性變形來協(xié)調(diào)。當(dāng)角位移幅值增加到1°時(shí)(圖1(b))，接觸界面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生了改變，同時(shí)，T-θ曲線在前100次循環(huán)呈現(xiàn)平行四邊型，在100次循環(huán)之后轉(zhuǎn)為橢圓型，接觸表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由完全滑移轉(zhuǎn)換為部分滑移，此時(shí)接觸界面已開始發(fā)生一定量的塑性變形，根據(jù)微動(dòng)圖理論，可判斷其處于扭動(dòng)微動(dòng)的混合滑移狀態(tài)。繼續(xù)增大角位移幅值到7.5°時(shí)(圖1(c))，T-θ曲線在不同的循環(huán)周次下均呈平行四邊型，扭動(dòng)微動(dòng)摩擦界面已進(jìn)入完全滑移狀態(tài)，此時(shí)接觸界面已發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形，其變形主要由塑性變形來協(xié)調(diào)。還可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，曲線所圍成的面積越來越大，這主要是因?yàn)殡S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(dòng)微動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)過程中，摩擦扭矩值是實(shí)驗(yàn)所得的重要參數(shù)，是反映接觸界面摩擦行為的一個(gè)重要參量。圖2是5083鋁合金在Fn=50N時(shí)不同角位移幅值下的摩擦扭矩隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線，即摩擦扭矩時(shí)變曲線?？梢钥闯?，當(dāng)角位移幅值較低(θ=0.1°)時(shí)，由于其處于部分滑移狀態(tài)，接觸區(qū)一直處于黏著狀態(tài)，接觸界面間的相對(duì)位移較小，表面的變形主要是彈性變形來協(xié)調(diào)，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(qū)如θ=0.5°，1°，2.5°，5°條件下，由于微動(dòng)處于完全滑移向部分滑移，部分滑移向完全滑移的轉(zhuǎn)換階段，接觸界面的磨損不斷加深，此時(shí)摩擦扭矩時(shí)變曲線呈現(xiàn)出一種階段性特征，具體表現(xiàn)為3個(gè)階段：(1)初始階段，即跑合階段，由于此時(shí)接觸副金屬間沒有發(fā)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(shí)摩擦扭矩值會(huì)從一開始的平緩階段開始上升；(3)二體作用向三體轉(zhuǎn)換階段，這個(gè)階段摩擦扭矩逐漸回落，最后趨于穩(wěn)定，因此在循環(huán)次數(shù)達(dá)到1000次左右時(shí)曲線均趨于平緩。在完全滑移區(qū)如θ=10°條件下，從圖2可以看出，此摩擦扭矩時(shí)變曲線有著與混合滑移區(qū)類似的規(guī)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(qū)的扭矩時(shí)變曲線比混合滑移區(qū)的扭矩時(shí)變曲線更早趨于穩(wěn)定。

圖2　5083鋁合金摩擦扭矩隨循環(huán)次數(shù)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(guī)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(huán)周次時(shí)光學(xué)顯微鏡下的磨斑形貌的演變規(guī)律?？梢钥闯觯谳^小角位移幅值(如0.1°)時(shí)，在1000，5000次時(shí)幾乎看不到磨斑，只有在循環(huán)次數(shù)為10000次的情況下才能看到在邊緣的微滑區(qū)有輕微的損傷。

圖3　5083鋁合金扭動(dòng)微動(dòng)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(qū)域是黏著的，邊緣有輕微的損傷，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，中心的黏著區(qū)幾乎沒有縮小，結(jié)合微動(dòng)圖理論以及磨痕形貌綜合分析，可判斷該條件下的微動(dòng)處于部分滑移區(qū)。當(dāng)角位移幅值為0.3°，0.5°，5°時(shí)，這些磨痕形貌圖具有一個(gè)共性，就是在相同的角位移幅值下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，損傷由外向內(nèi)逐漸擴(kuò)展，中心的黏著區(qū)逐漸縮小，甚至消失，而邊緣的微滑區(qū)則不斷增大，而在相同的循環(huán)次數(shù)下，隨著角位移幅值的增加，微滑區(qū)的損傷越來越嚴(yán)重，磨痕的顏色也越來越深，可判斷該條件下的微動(dòng)處于混合滑移區(qū)。而在角位移幅值為7.5°條件下，在初次循環(huán)時(shí)損傷就覆蓋了整個(gè)表面，并且隨著循環(huán)次數(shù)的增加整個(gè)表面的損傷越來越嚴(yán)重，產(chǎn)生了材料剝落的現(xiàn)象，結(jié)合微動(dòng)圖理論以及磨痕形貌綜合分析，可判斷該條件下的微動(dòng)處于完全滑移區(qū)。

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(dāng)角位移幅值為0.1°時(shí)，磨痕表面的損傷及其輕微，磨損只發(fā)生在接觸邊緣，這主要是由于角位移幅值很小時(shí)，材料表面的運(yùn)動(dòng)主要靠接觸界面的彈性變形來協(xié)調(diào)，即使循環(huán)次數(shù)增大到10000次，其磨痕損傷均較輕微，結(jié)合圖4(d)所示的磨痕輪廓AA′分析顯示，在接觸邊緣兩側(cè)有一定的磨痕深度值，但是兩端的深度值都比較低。當(dāng)角位移幅值為1°時(shí)，1000次扭動(dòng)微動(dòng)循環(huán)后，混合區(qū)的磨痕形貌如圖4(b)所示，黏著區(qū)沒有相對(duì)滑移，損傷輕微，但環(huán)狀的微滑區(qū)則發(fā)生了明顯的磨損，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，微滑區(qū)從外向內(nèi)逐漸擴(kuò)展，再結(jié)合其對(duì)應(yīng)的二維輪廓形貌BB′分析可知，混合區(qū)的磨痕呈現(xiàn)出典型的“W”狀，磨痕中心的黏著區(qū)幾乎沒有材料損失，外側(cè)環(huán)狀區(qū)域則由于磨損深度值較大，最大深度達(dá)到7.2μm，損傷較部分滑移區(qū)嚴(yán)重得多，并且在混合滑移區(qū)二維輪廓深度值出現(xiàn)了正值，這主要是因?yàn)槌霈F(xiàn)了“隆起”[13]。當(dāng)角位移幅值為7.5°時(shí)，循環(huán)次數(shù)為1000次的磨痕形貌如圖4(c)所示，微動(dòng)處于完全滑移區(qū)，自接觸中心到邊緣，整個(gè)接觸區(qū)域磨損嚴(yán)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(zhuǎn)變成“U”型，并且磨痕表面出現(xiàn)了明顯的“隆起”，混合滑移區(qū)以及完全滑移區(qū)的“隆起”特征的發(fā)生，一方面是因?yàn)樵谀p的過程中，接觸區(qū)域受到擠壓應(yīng)力的作用產(chǎn)生了塑性變形，并且塑性不斷累積的同時(shí)發(fā)生了不規(guī)則的流動(dòng)，另一方面是材料在磨損過程中，磨屑發(fā)生了剝落，但是由于磨屑的排出比較困難，在接觸區(qū)域不斷被壓實(shí)堆積形成了“隆起”。

圖4　磨痕形貌及其對(duì)應(yīng)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(dòng)微動(dòng)運(yùn)行工況微動(dòng)圖

在法向載荷一定(50N)時(shí)，分別改變角位移幅值和循環(huán)次數(shù)，并結(jié)合T-θ曲線以及磨痕形貌進(jìn)行分析，可確定5083鋁合金在法向載荷為50N時(shí)的扭動(dòng)微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域。圖5為兩種接觸載荷下的5083鋁合金的扭動(dòng)微動(dòng)運(yùn)行特性，橫坐標(biāo)為角位移幅值，縱坐標(biāo)為法向載荷，橫縱坐標(biāo)圍成區(qū)域隨著角位移幅值的增大依次從部分滑移向完全滑移進(jìn)行轉(zhuǎn)化?？梢钥闯?，扭動(dòng)微動(dòng)磨損與切向微動(dòng)磨損具有同樣的規(guī)律，隨著法向載荷的增加，混合滑移區(qū)的范圍也逐漸擴(kuò)大，如法向載荷為15N時(shí)，混合滑移區(qū)大小約為0.15°～2.5°，而法向載荷為50N時(shí)，混合滑移區(qū)大小約為0.3°～5°，并且隨著法向載荷的增加，扭動(dòng)微動(dòng)表面的相對(duì)滑移更加困難。而當(dāng)法向載荷一定時(shí)，隨著角位移幅值的增加，扭動(dòng)微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域依次運(yùn)行于部分滑移區(qū)、混合滑移區(qū)以及完全滑移區(qū)。

圖5　扭動(dòng)微動(dòng)磨損運(yùn)行工況微動(dòng)圖Fig.5　The running condition fretting maps of tortional fretting wear

3　結(jié)論

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

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

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

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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(xué)基金資助項(xiàng)目(11172250)；四川省青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(2013TD0004)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)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(dòng)微動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬研究，聯(lián)系地址：四川省成都市西南交通大學(xué)九里校區(qū)力學(xué)與工程學(xué)院機(jī)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