等通道转角挤压处理铝青铜合金增强力学性能及摩擦学性能研究

论文摘要

铝青铜合金具有优异的物理、机械性能及耐磨、耐腐蚀性能,是一类综合性能优良的工程材料,广泛应用于高应力下工作的场合。二十世纪八十年代以来,国内外非常重视对铝青铜合金及其摩擦学特性的研究。目前,主要采用改变铝青铜合金中微量元素的成分及含量,以改善合金微观组织的方法提高其摩擦学性能。但是,这种方法对合金摩擦学性能提高程度有限,难以适应更高的要求,因而迫切需要发展新的技术来改善铝青铜合金的微观组织,以进一步提高其摩擦学性能。等通道转角挤压技术（Equal Channel Angular Extrusion,简写为ECAE）是通过材料纯剪切的大塑性变形途径来获得超细晶组织的工艺方法。该工艺可以显著细化合金晶粒,并提高合金的力学性能。本文基于微观组织是影响合金材料综合性能的关键因素,根据铝青铜合金的加工特性,利用先进的等通道转角挤压技术对两相铝青铜合金QAl9-4进行热挤压处理,以有效地细化合金的微观组织,进而提高合金的力学性能和摩擦学性能,取得了原创性的研究成果。第一,采用ECAE热挤压工艺对铝青铜合金进行处理,通过显微组织观察,研究了预热温度、挤压道次、摩擦和退火处理对铝青铜合金显微组织的影响,确定了铝青铜合金的ECAE热挤压工艺,并且探讨了ECAE热挤压细化铝青铜合金组织的作用机理。结果表明:铝青铜合金晶粒尺寸随着ECAE挤压道次增加而逐步减小;对ECAE热挤压合金在500℃进行退火处理后,铝青铜合金发生再结晶,晶粒被进一步细化。第二,系统研究了ECAE挤压后铝青铜合金硬度及力学性能的变化,阐明了ECAE热挤压工艺影响合金力学性能的作用机理。结果表明:由于晶粒细化,铝青铜合金的硬度和屈服强度均随着挤压次数的增加而增加,ECAE热挤压显著提高了合金的力学性能。第三,系统研究了ECAE热挤压对铝青铜合金第二相的影响。结果表明:合金中的两相组织经ECAE热挤压后被显著细化,析出的第二相弥散分布于合金基体中;细小的第二相颗粒在ECAE热挤压过程中对合金软基体起到钉扎作用,有助于细化合金的微观组织,并对合金起到了弥散强化的作用。第四,系统地研究了ECAE挤压处理铝青铜合金在干摩擦和油润滑条件下的摩擦学性能及磨损形式。结果表明:ECAE工艺显著提高了铝青铜合金的摩擦学性能,无论在干摩擦还是油润滑条件下,经过ECAE热挤压处理的铝青铜合金的摩擦学性能均显著优于未经过ECAE挤压处理的铝青铜合金的摩擦学性能。在干摩擦低载荷条件下,未经ECAE热挤压处理与经ECAE热挤压处理铝青铜合金磨损形式均主要为磨粒磨损,但经过ECAE热挤压处理后合金表面犁沟深度与宽度随着挤压道次的增加而逐步减小;在干摩擦高载荷情况下,未经ECAE热挤压处理铝青铜合金磨损形式呈现严重磨粒磨损,而合金经ECAE热挤压处理后,减轻了磨粒磨损。油润滑时,摩擦副表面形成了油膜,将合金与对摩件表面隔开,润滑油带走摩擦热,因而减轻了粘着磨损及表面疲劳磨损,其主要的磨损形式为轻微磨粒磨损。第五,探讨了ECAE热挤压工艺对铝青铜合金摩擦学性能影响的作用机理。ECAE热挤压处理显著细化了铝青铜合金的微观组织,弥散分布的第二相对合金起到强化作用,减少了剥落磨粒的数量,降低了合金的磨损量;ECAE热挤压处理的铝青铜合金组织细小,强度和硬度高,提高了合金抵抗塑性变形能力,减轻了磨粒对合金表面的犁削作用,提高了合金的摩擦磨损性能。本论文根据铝青铜加工特性首次采用ECAE热挤压工艺对铝青铜合金进行处理,研究了ECAE热挤压对铝青铜合金微观组织的影响,获得了ECAE热挤压后合金微观组织与力学性能之间的关系;探讨了干摩擦和油润滑条件下合金组织、性能及试验参数的变化对铝青铜合金摩擦磨损性能的影响;探讨了ECAE热挤压工艺提高铝青铜合金摩擦学性能的作用机理。研究结果扩展了ECAE工艺的应用范围,为制备高性能铝青铜合金以及促进其在工程领域的应用提供了依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.1.1 选题背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 ECAE 工艺研究现状
• 1.2.1 ECAE 工艺特点
• 1.2.2 ECAE 工艺原理
• 1.2.3 ECAE 过程的主要影响因素
• 1.2.4 ECAE 加工后材料的微观组织
• 1.2.5 ECAE 加工后材料的性能
• 1.3 铝青铜合金的研究进展
• 1.3.1 铝青铜合金基本特性的研究
• 1.3.2 热处理对铝青铜合金组织及力学性能的影响
• 1.3.3 铝青铜合金耐磨性能研究
• 1.4 本论文拟解决的关键问题
• 1.5 研究的主要内容
• 第二章 试验材料和研究方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 ECAE 挤压试验
• 2.2.1 铝青铜合金预处理
• 2.2.2 试验模具
• 2.2.3 ECAE 热挤压工艺
• 2.2.4 退火处理
• 2.2.5 微观组织观察
• 2.3 机械性能测试
• 2.3.1 硬度测试
• 2.3.2 拉伸性能试验
• 2.4 摩擦磨损性能试验
• 2.4.1 试样制备
• 2.4.2 试验参数
• 2.4.3 试验方法
• 2.4.4 摩擦磨损测试的主要内容
• 2.4.5 表面磨损形貌分析
• 第三章 ECAE 对合金显微组织变化的影响
• 3.1 引言
• 3.2 ECAE 对合金微观组织的影响
• 3.2.1 ECAE 预热温度的制定
• 3.2.2 ECAE 预热温度的影响
• 3.2.3 挤压道次对微观组织的影响
• 3.3 摩擦对微观组织的影响
• 3.4 退火热处理对合金微观组织的影响
• 3.4.1 退火温度的影响
• 3.4.2 退火时间的影响
• 3.5 组织细化机理
• 3.5.1 剪切机制
• 3.5.2 挤压道次及角度对细化的影响机理
• 3.5.3 变形诱导机制
• 3.6 本章小结
• 第四章 ECAE 对合金力学性能的影响及机理
• 4.1 引言
• 4.2 ECAE 对合金力学性能的影响
• 4.2.1 ECAE 对合金硬度及强度的影响
• 4.2.2 ECAE 对合金塑性的影响
• 4.3 退火热处理对力学性能的影响
• 4.3.1 退火温度对合金硬度及强度的影响
• 4.3.2 退火温度对合金塑性的影响
• 4.3.3 退火时间对合金硬度及屈服强度的影响
• 4.3.4 退火时间对合金塑性的影响
• 4.4 ECAE 对合金力学性能影响机理分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 第二相对合金微观组织及力学性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 第二相对组织的影响
• 5.2.1 ECAE 挤压过程中第二相的变化
• 5.2.2 退火对第二相的影响
• 5.2.3 第二相对微观组织的细化
• 5.3 第二相对力学性能的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 ECAE 对合金摩擦磨损性能影响
• 6.1 引言
• 6.2 挤压道次对合金摩擦磨损性能的影响
• 6.2.1 干摩擦条件下挤压道次对摩擦系数的影响
• 6.2.2 干摩擦条件下挤压道次对磨损量的影响
• 6.2.3 油润滑条件下挤压道次对摩擦系数的影响
• 6.2.4 油润滑条件下挤压道次对磨损量的影响
• 6.3 磨损时间对合金磨损性能的影响
• 6.3.1 干摩擦条件下磨损时间对摩擦系数的影响
• 6.3.2 干摩擦条件下磨损时间对合金磨损量的影响
• 6.3.3 油润滑条件下磨损时间对摩擦磨损性能的影响
• 6.4 载荷对合金摩擦磨损性能的影响
• 6.4.1 干摩擦条件下载荷对合金摩擦磨损的影响
• 6.4.2 油润滑条件下载荷对合金摩擦磨损的影响
• 6.5 滑动速度对合金摩擦磨损性能的影响
• 6.5.1 干摩擦条件下滑动速度对合金摩擦磨损的影响
• 6.5.2 油润滑条件下滑动速度对合金摩擦磨损的影响
• 6.6 退火处理对合金摩擦学性能的影响
• 6.6.1 干摩擦条件下退火温度对合金摩擦学性能的影响
• 6.6.2 油润滑条件下退火温度对合金摩擦学性能的影响
• 6.7 退火时间对合金摩擦学性能的影响
• 6.8 磨损表面形貌分析
• 6.8.1 不同道次ECAE 挤压合金表面磨损形貌
• 6.8.2 不同载荷下合金表面磨损形貌
• 6.8.3 不同速度下合金表面磨损形貌
• 6.8.4 退火处理后合金表面磨损形貌
• 6.9 摩擦对偶件成分及表面形貌分析
• 6.9.1 对偶件表面EDAX 分析
• 6.9.2 对偶件表面磨损形貌分析
• 6.10 本章小结
• 第七章 ECAE 挤压处理铝青铜合金摩擦磨损机理分析
• 7.1 引言
• 7.2 ECAE 挤压后合金的摩擦学性能
• 7.2.1 ECAE 挤压后合金的摩擦系数
• 7.2.2 铝青铜合金的磨损特征
• 7.3 ECAE 挤压对铝青铜合金摩擦学性能影响的作用机理
• 7.3.1 磨粒对合金表面切削作用机理
• 7.3.2 合金力学性能对摩擦学性能影响的作用机理
• 7.4 载荷和滑动速度的作用机理
• 7.5 退火处理对摩擦学性能影响机理
• 7.6 油润滑的作用机理
• 7.7 本章小结
• 第八章 全文总结
• 8.1 论文主要结论
• 8.2 本论文的创新点
• 8.3 对今后工作的建议
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读博士学位期间发表和录用的论文
• 作者攻读博士学位期间申请的发明专利
• 作者攻读博士学位期间获得的奖励及荣誉