镁科研：Mg97Zn1Y2合金的磨损转变与试验温度和施加载荷之间的关

论文概述

近些年来，人们逐渐发现了关于长周期堆垛有序结构（LPSO）的一些特性，如在500oC具有热稳定性、扭折带变形模式、阻止镁基体中变形孪晶的长大等。Mg97Zn1Y2合金由于具有特殊的LPSO结构，在室温和高温下性能优异，不仅可用来制造室温和高温条件下使用的结构零件，还可用于制造活塞、滑动轴承和轻载齿轮等磨损部件。研究表明，在室温条件下，Mg97Zn1Y2合金显示出较AZ91合金更为优异的磨损性能。镁合金通常表现出两种不同的磨损行为，即轻微磨损和严重磨损，轻微磨损为稳定的磨损状态，为工程应用所接受。目前关于Mg97Zn1Y2合金室温下的磨损性能已经在宽的载荷和速度范围内进行了深入研究，并确定了安全磨损区域。但是，迄今为止，关于镁合金的高温磨损特性研究仍然较少，与轻微-严重磨损转变相关的问题，如轻微-严重磨损转变机制、判定准则以及临界转变载荷或试验温度等都未涉及。因此，为了进一步扩大镁合金的工程应用，开展Mg97Zn1Y2合金在高温下的磨损性能和磨损转变研究极为必要。

最近，吉林大学材料科学与工程学院安健教授等人在系统研究Mg97Zn1Y2合金室温下轻微-严重磨损转变的基础上，在20-200oC范围内，研究了Mg97Zn1Y2合金的高温磨损性能，通过对比研究轻微-严重磨损转变前后亚表层组织和性能变化，揭示了轻微-严重磨损转变机制为亚表层动态再结晶转变诱发的软化，磨损转变服从临界表面动态再结晶温度准则，临界转变载荷可通过该准则予以评估。

通过测量Mg97Zn1Y2合金在不同实验温度下、试验速率为0.5 m/s时的磨损率-载荷变化曲线（图1），系统研究了载荷和温度对磨损率的影响，结果发现：（1）磨损率随着载荷增加而升高；（2）在20-100oC范围内，温度的影响不是简单的正相关，而在150-200oC范围内，磨损率随着温度升高而增加；（3）在每个试验温度下，磨损率-载荷曲线均可分为两个区域，两区域之间的转折点实质上对应于轻微-严重磨损转变。通过SEM和EDS技术手段，分析了磨损表面形貌特征和化学成分变化，确定了轻微磨损过程中的主要磨损机制有氧化、磨粒、剥层、轻微塑性变形，严重磨损过程中的主要磨损机制为严重塑性变形、氧化层剥落和表面熔化。在此基础上绘制了磨损率图和磨损机制转变图，如图2所示。

图1 磨损率与载荷关系：(a) 20-100oC，(b) 150-200oC

图2 磨损率图(a)和磨损机制转变图(b)

对比分析了轻微-严重磨损转变前后磨损亚表层组织变化，如图3所示。发现在轻微磨损阶段，亚表层发生塑性变形，随着载荷增加变形区深度增加。而在严重磨损阶段，当载荷超过转变载荷后，摩擦影响区包括两个亚区，位于上部的动态再结晶细晶粒亚区和下部的塑性变形亚区。当进一步增加载荷，出现表面熔化磨损机制后，摩擦影响区包括由上至下的三个亚区组成：凝固亚区、动态再结晶细晶粒亚区和塑性变形亚区。对比分析了轻微-严重磨损转变前后磨损亚表层硬度变化，如图4所示。磨损亚表层的硬度梯度变化表明，在轻微磨损阶段，硬度随着深度增加呈现单调下降趋势，此时载荷越大，硬度总体水平越高，表明发生了应变强化。而在严重磨损阶段，在近表层区域，出现硬度低谷，说明发生了软化，证明了表层动态再结晶组织转变。上述结果表明，在轻微磨损阶段应变强化支配亚表层性能变化，而在严重磨损阶段动态再结晶软化起到主导作用。轻微-严重磨损转变前后的组织转变如图5所示。

图3 磨损亚表层在100oC不同载荷下的组织照片：(a) 40 N，(b) 80 N，(c) 140 N，(d)和(e) 200 N，(f) 230 N

图4 亚表层硬度在100oC不同载荷下的变化曲线：(a) 40，80，140和160 N，(b)160，200和230 N

图5 组织转变示意图：(a)轻微-严重磨损转变前，(b)轻微-严重磨损转变后

图6 不同试验温度下的轻微-严重磨损转变载荷

轻微-严重磨损转变载荷与试验温度之间呈现出近似的线性关系，如图6所示。随着温度增加，转变载荷线性下降。表明轻微-严重磨损转变受到表面临界温度支配，该温度为302.9oC。运用根据临界表面动态再结晶温度准则建立的转变载荷模型进行估算，计算值与测量值符合较好。