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(西南交通大學1.材料先進技術教育部重點實驗室摩擦學研究所，2.牽引動力國家重點實驗室摩擦學研究所，成都 610031)

0 引 言

微動是指在緊固配合的機械零部件中發(fā)生振幅極小的相對運動(位移幅值一般為微米量級)[1-2]。微動會造成材料的磨損或?qū)е缕诹鸭y的萌生與擴展，從而引起零部件的卡死、振動、磨損或斷裂。微動磨損是造成機械零部件災難性事故的原因之一[3-4]，因此材料的微動磨損機制以及如何提高抗微動磨損性能是摩擦學研究的重點。

隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程的加快和消費結構的持續(xù)升級，我國能源需求呈剛性增長態(tài)勢，并且資源環(huán)境問題依然是制約我國經(jīng)濟社會發(fā)展的瓶頸之一，因此節(jié)能減排成為我國工業(yè)發(fā)展的重點方向之一。鎂及其合金是目前已知的在工程應用中密度最小的結構材料[5]，具有高的比強度、高的阻尼和降噪能力、良好的屏蔽電磁干擾性能，且易于機械加工及回收利用等，被譽為“21世紀的綠色金屬結構材料”[6-8]，廣泛應用于汽車和航空航天領域[9-10]。近年來，有關鎂合金的常規(guī)摩擦磨損性能的研究很多，但微動磨損行為的研究較少，而緊固配合的鎂合金零部件在工作時經(jīng)常會發(fā)生微動磨損[11-13]。因此，作者以目前應用最為廣泛的AZ31B鎂合金為研究對象，研究了不同溫度下的微動磨損行為，探討了其磨損機制和摩擦氧化行為，為鎂合金應用領域的擴展提供指導[14]。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為市售AZ31B鎂合金板，尺寸為150 mm×200 mm×40 mm，主要化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為3.1Al，0.8Zn，0.32Mn，0.003Fe，0.01Cu，0.001Ni，余Mg；其熱處理工藝為300 ℃×1 h退火熱處理，抗拉強度為230 MPa，屈服強度為160 MPa，硬度為76 HV。

采用球/平面接觸方式在自制的試驗設備上進行切向微動磨損試驗，設備裝置如圖1所示。磨球選用GCr15鋼球，直徑為10 mm，表面粗糙度為0.02 μm，硬度為63 HRC；AZ31B鎂合金試樣尺寸為10 mm×20 mm×4 mm，接觸表面經(jīng)粗磨和用直徑為0.25 μm的金剛石顆粒拋光至表面粗糙度約為0.02 μm。試驗溫度為20，100，200，300 ℃，載荷為8 N，位移幅值為45 μm，頻率為2.5 Hz，循環(huán)次數(shù)為10 000周次。試驗前，磨球和鎂合金試樣均經(jīng)酒精超聲波清洗并吹干。試驗結束后，采用Olympus-BX60M型光學顯微鏡(OM)和JSM-6000LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨痕形貌；采用Bruker Contour GT型白光干涉儀(3D)觀察磨痕的形貌并計算磨損體積；采用OXFORD X-MAX50 INCA-250型能譜儀(EDS)測AZ31B鎂合金和GCr15鋼球接觸面的化學成分及其分布。

圖1 切向微動試驗磨損裝置示意Fig.1 Schematic of tangential fretting wear test setup

圖2 不同溫度和不同循環(huán)次數(shù)下AZ31B鎂合金的摩擦力-位移曲線Fig.2 Friction force-displacement curves of AZ31B magnesium alloy at different temperatures with different number of cycles

2 試驗結果與討論

2.1 微動磨損特性

由圖2可知：不同溫度下，AZ31B鎂合金在不同循環(huán)次數(shù)下的摩擦力-位移曲線均呈平行四邊形，這說明AZ31B鎂合金與GCr15鋼球均處于完全滑移的接觸狀態(tài)，微動主要通過滑移來實現(xiàn)，且位移隨著循環(huán)次數(shù)的增加而均略微減?。辉?0，200，300 ℃下，當循環(huán)次數(shù)大于1 000周次時，試驗過程中的最大摩擦力均趨于穩(wěn)定，而在100 ℃下，試驗過程中的最大摩擦力不斷增大；在相同循環(huán)次數(shù)下，20 ℃時的摩擦力均最小。

圖 3 不同溫度下切向微動摩擦因數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig.3 Curves of tangential fretting friction coefficient vs the number of cycles at different temperatures

圖4 不同溫度下AZ31B鎂合金磨痕的OM形貌Fig.4 OM morphology of the wear scar of AZ31B magnesium alloy at different temperatures

由圖3可知：切向微動摩擦因數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線可以分為跑合、上升、峰值、下降和穩(wěn)定等5個階段，溫度對上升階段、峰值階段和穩(wěn)定階段摩擦因數(shù)的影響程度較大；在上升階段，隨著試驗溫度的升高，摩擦因數(shù)增大，這主要是由于隨著溫度的升高，AZ31B鎂合金的軟化、黏著作用增強，且試驗溫度升高使表面吸附水膜蒸發(fā)，從而導致摩擦因數(shù)增大[15]；在20 ℃時，約經(jīng)過2 500次循環(huán)后摩擦因數(shù)達到峰值，而在200，300 ℃時，僅需約600次循環(huán)，可見達到摩擦因數(shù)峰值所需的循環(huán)次數(shù)隨試驗溫度的升高呈減小的趨勢，且試驗溫度越高，摩擦因數(shù)峰值越高，這進一步說明溫度對黏著作用的影響較大；在20 ℃時，摩擦因數(shù)達到峰值后呈鋸齒狀下降，這說明此時二體作用向三體作用轉(zhuǎn)變，參與承載的第三體層表面有裂紋萌生，發(fā)生脆裂，磨屑不斷被排出，導致摩擦力下降[4]，摩擦因數(shù)在10 000次循環(huán)時并未進入穩(wěn)定階段，這說明磨屑的產(chǎn)生速率與排出速率未達到動態(tài)平衡；在100 ℃時，摩擦因數(shù)達到峰值后緩慢上升，這說明磨屑排出量減少且主要堆積在磨痕邊緣處；在200，300 ℃時，摩擦因數(shù)達到峰值后的下降階段較短，之后快速進入穩(wěn)定階段，此時磨屑的產(chǎn)生速率與排出速率達到動態(tài)平衡。對于較軟的材料，其微動磨損行為主要取決于磨屑從接觸表面排出的速率[16]。由圖4可知，在20 ℃時，鎂合金磨痕周圍堆積的磨屑較多，在100 ℃時，鎂合金磨痕周圍堆積的磨屑變少，且主要堆積在磨痕邊緣處，而在200，300 ℃時鎂合金磨痕周圍未出現(xiàn)大量磨屑。這可能是由于試驗溫度的升高使接觸表面的化學狀態(tài)發(fā)生改變，磨屑不易排出并快速被氧化堆積于接觸表面，形成第三體層，從而降低了磨屑排出速率，這使得摩擦因數(shù)快速進入穩(wěn)定階段。

2.2 磨痕輪廓和磨損體積

由圖5(a)可知，隨著試驗溫度的升高，AZ31B鎂合金的最大磨痕深度和最大磨痕寬度均先減小后增大，在200 ℃時，最大磨痕深度和最大磨痕寬度均最小。由圖5(b)可知：隨著試驗溫度的升高，AZ31B鎂合金的磨損體積和摩擦副的總磨損體積均先減小后增大，GCr15鋼球的磨損體積則先增大后減小；在20 ℃時，AZ31B鎂合金的磨損體積最大，GCr15鋼球的磨損體積最?。辉?00 ℃時，AZ31B鎂合金的磨損體積最小，GCr15鋼球的磨損體積最大，這可能是由于此時接觸表面形成的氧化膜起到了固體潤滑和減磨的作用[17]；在300 ℃時，AZ31B鎂合金的磨損體積比200 ℃時的大，這是由于鐵的氧化物轉(zhuǎn)移膜被破壞而導致的。綜上可知，在AZ31B鎂合金/GCr15鋼球的切向微動磨損過程中，摩擦氧化和材料力學性能的變化是影響磨損體積的主要因素。

圖5 在不同溫度下AZ31B鎂合金磨痕的二維輪廓及AZ31B鎂合金、GCr15鋼球的磨損體積和摩擦副的總磨損體積Fig.5 Two-dimensional contour plot of wear scar of AZ31B magnesium alloy (a) and wear volume of AZ31B magnesium alloy,GCr15 steel ball and total wear volume of friction pairs (b) at different temperatures

由圖6可知：在20 ℃時，摩擦副間材料的轉(zhuǎn)移并不明顯，這是由于該溫度下AZ31B鎂合金表面微凸體黏著點的結合強度低于摩擦副間的剪切強度，因此AZ31B鎂合金僅發(fā)生輕微黏著磨損；在200 ℃時，摩擦副間材料的轉(zhuǎn)移較顯著，黏著磨損加劇，這是由于隨著溫度的升高，AZ31B鎂合金出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，即剪切強度降低，從而促使鎂合金轉(zhuǎn)移至GCr15鋼球接觸表面；在200 ℃時，AZ31B鎂合金的損傷最輕微，而GCr15鋼球表面出現(xiàn)明顯劃痕，其損傷較嚴重，由此推測此時鎂合金磨痕表面所形成的第三體層起到了固體潤滑作用，從而減輕了AZ31B鎂合金的磨損程度；在300 ℃時，AZ31B鎂合金的軟化現(xiàn)象最為嚴重，因此GCr15鋼球表面附著大量轉(zhuǎn)移材料。

2.3 摩擦氧化作用

由圖7和表1可知：在20 ℃時，AZ31B鎂合金未磨損的基體表面中氧元素的質(zhì)量分數(shù)為1.22%，而磨痕表面中氧元素質(zhì)量分數(shù)可達60.18%，這說明在切向微動磨損過程中磨痕表面發(fā)生了氧化反應；隨著試驗溫度的升高，磨痕表面的氧元素含量下降，這說明磨痕表面的氧化程度減弱。磨痕表面的氧化主要為摩擦氧化和一般熱氧化，溫度升高促進一般熱氧化的發(fā)生，但是摩擦氧化與環(huán)境的濕度有關；隨著溫度的升高，濕度降低，摩擦氧化程度減弱[18]：因此，在切向微動磨損過程中，摩擦氧化起主導作用。隨著試驗溫度的升高，磨痕表面中鐵元素含量先增大后減小，在300 ℃時，鐵元素質(zhì)量分數(shù)僅為0.58%。由氧元素和鐵元素的含量變化可見：當試驗溫度低于200 ℃時，AZ31B鎂合金磨痕表面形成了鐵的氧化物轉(zhuǎn)移膜，該轉(zhuǎn)移膜起到固體潤滑作用，從而導致磨損體積隨著試驗溫度的升高而減??；但在300 ℃時，鐵的氧化物轉(zhuǎn)移膜被破壞，導致磨損體積增大。

圖 7 不同溫度下AZ31B鎂合金磨痕的SEM形貌Fig.7 SEM morphology of wear scar of AZ31B magnesium alloy at different temperatures

表1 AZ31B鎂合金表面不同位置(如圖7所示)的EDS分析結果(質(zhì)量分數(shù))

由圖8可知：在200 ℃時，氧元素、鐵元素均勻分布于磨痕表面，說明在AZ31B鎂合金磨痕表面形成了均勻的鐵的氧化物轉(zhuǎn)移膜；在300 ℃時，磨痕表面主要含有氧元素和鎂元素，鐵元素僅分布于磨痕邊緣區(qū)域，說明此時AZ31B鎂合金磨痕表面主要存在鎂的氧化物，此時磨痕表面鐵的氧化物的排出和材料塑性的增強是造成磨損體積增大的原因。

3 結 論

(1) 在20，100, 200，300 ℃時，AZ31B鎂合金的微動主要通過滑移來實現(xiàn)；切向微動摩擦因數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線可以分為跑合、上升、峰值、下降和穩(wěn)定等5個階段，隨著試驗溫度的升高，上升階段時的摩擦因數(shù)增大，摩擦因數(shù)到達峰值和穩(wěn)定階段所需的循環(huán)次數(shù)減小。

圖8 200，300 ℃時AZ31B鎂合金磨痕表面的元素分布Fig.8 Element distribution of wear scar surface of AZ31B magnesium alloy at 200, 300 ℃

(2) 隨著試驗溫度的升高，AZ31B鎂合金的磨損體積和摩擦副的總磨損體積均先減小后增大，200 ℃時，AZ31B鎂合金的磨損體積最小。

(3) 在切向微動磨損過程中，AZ31B鎂合金表面的摩擦氧化起主導作用，隨著試驗溫度的升高，磨痕表面的氧化程度減弱；當試驗溫度低于200 ℃時，AZ31B鎂合金磨痕表面形成了鐵的氧化物轉(zhuǎn)移膜，該轉(zhuǎn)移膜起到固體潤滑作用，導致磨損體積隨著試驗溫度的升高而減小，但在300 ℃時，鐵的氧化物轉(zhuǎn)移膜被破壞，磨損體積增大。