试述超细晶6061Al-Mg-Si铝合金的力学性能和摩擦磨损行为

试述超细晶6061Al-Mg-Si铝合金的力学性能和摩擦磨损行为

苏薇国

维沃移动通信有限公司 广东东莞 523000

[摘要]铝，属于世界范围内所广泛应用的一类有色金属，更属于最多存储量的一种金属元素。6000系的铝合金，它主要是经热处理有效强化所产生中高强度的合金系列，其以镁、硅为主要元素，加工性能优良。现阶段针对超细晶的摩擦磨损层面研究多局限于涂层、薄膜、经表面部位纳米化纯金属、超硬材料、复合材料当中，对固溶合金及含大量第二相的合金，尤其是针对超细晶的铝合金实际摩擦学行为及其磨损机制层面研究往往鲜少。对此，本文主要探讨超细晶类6061Al-Mg-Si的铝合金基本力学性能及其摩擦磨损相关行为，仅供参考。

[关键词]铝合金；超细晶；6061Al-Mg-Si；摩擦磨损；力学性能；行为；

前言：

6061Al-Mg-Si的铝合金，往往具备优良力学性及耐腐蚀性等，为今后更好地制备及运用此类材料，对超细晶类6061Al-Mg-Si的铝合金基本力学性能及其摩擦磨损相关行为开展综合分析较为必要。

1、试验方法

选定6061 Al-Mg-Si的铝合金作为此次研究对象，借助差示扫描的量热、X射线的衍射、拉伸试验及透射电镜多种表征方式，对超细晶类6061Al-Mg-Si的铝合金基本力学性能及其摩擦磨损相关行为开展试验分析。

2、具体分析

2.1在力学性能

针对T6态、固溶态、不同动态的时效温度条件之下，围绕6061铝合金总体拉伸性能实施测试分析。那么，对比分析4-4、4-3、3-12、3-1、2-1、T6、6061 SST，依托于origin系统软件，将应力应变基本曲线绘制出来。等通道的转角挤压样品均为合金经过固溶处理之后，处于常温环境当中，动态时效的ECAP加工所形成。对比分析6061铝合金的T6态、固溶态、ECAP的时效态相应拉伸性能，可了解其基本特点情况，即固溶态呈低屈服强度（67MPa）及抗拉强度（151 MPa），却呈高伸长率δ（31%）；T6态可达到低屈服强度（186 MPa）及抗拉强度（265 MPa）、21%的伸长率。对比粗晶合金，ECAP工艺之下，促使6061铝合金有着更强力学性能。相比固溶态之下力学性能，ECAP铝合金实际抗拉强度越增加3倍左右，从151 MPa增至295~450 MPa；屈服强度从初期67 MPa增至189~425 MPa。合金力学性能总体上呈先增后降趋势，铝合金处于常温环境动态时效下，经ECAP处理之后，达到最高强度，即抗拉强度（450MPa）、屈服强度（425 MPa），且伸长率为19%，高于T6态自身抗拉强度及屈服强度[1]。这些特点产生，主要因ECAP过程当中晶粒滑移，致使位错缠结产生，变形过程当中晶粒被逐渐拉伸变形及破碎，晶粒内部有极高密度一种位错形成，试样应变较大。当室温条件之下产生冷塑变形，外力做功会呈存储能形式在铝合金当中存在，越大形变量，形变则呈越低温度及越高的存储能。故因存在着存储能，大塑变形之下，铝合金逐渐提高自由能，且处不稳定亚稳状态之中。室温环境当中，原子呈极小活动能力，铝合金长时间处亚稳状态，无明显变化产生，对变形之后合金转化稳定状态趋势产生阻碍。达到限定温度情况下，大塑变形的铝合金从亚稳态变成稳态，晶粒当中部分的晶体缺陷呈消失趋势，合金强度则下降，持续增强塑性。故室温环境当中实施ECAP，较多挤压道次情况下，试样表面部位有较多肉眼可见一些裂纹产生，时效ECAP便不会有此类现象产生。

2.2在摩擦磨损具体行为层面

2.2.1在摩擦行为层面

606的1T6态、固溶态、常温环境动态时效之下，ECAP铝合金处不同载荷，其平均的摩擦系数。载荷处5 N，各试样平均的摩擦系数均呈较高数值，伴随载荷提高，平均的摩擦系数先降后升，后期趋于平稳状态。载荷处于10N之下，各试样平均的摩擦系数均呈最小值，因低载荷条件之下磨损发生时，表面部位并未形成致密性氧化膜，伴随载荷持续提高，接触面部位摩擦温度则提升，试样表面部位则会有润滑作用相应氧化膜逐渐形成，界面相互作用所致减摩效果得以减轻，摩擦系数则下降[2]。持续提高载荷情况下，摩擦力对于摩擦系数所产生影响，则会超出氧化膜对于摩擦系数所产生影响，故摩擦系数持续增长。经对比分析后可知晓，各试样平均的摩擦系数整个曲线变化趋势较为相似，仅固溶态处于25 N载荷之下，平均的摩擦系数呈异常增加趋势，因固溶态处于高载荷之下严重产生塑性变形及粘着现象，以至于摩擦期间，粘着点加速形成，需更强切向力，将粘着点切断。那么，针对T6态的动态时效之下，ECAP试样处于摩擦磨损整个过程当中，其摩擦系数趋于较为稳定的变化趋势。针对平均的摩擦系数，处于可任意载荷之下，固溶态的试样，其平均的摩擦系数呈最大数值，且变化区间为0.5279~0.5846；针对T6态的试样，其平均的摩擦系数数值则在二者之间，实际变化区间为0.498~0.5497，此差异性存在，是因微观组织当中，第二相所析出颗粒分布及其浓度差异所致；针对常温环境动态时效之下，ECAP铝合金的试样，其平均的摩擦系数均呈最小数值，变化区间为0.4567~0.528。如此便表明了ECAP的动态时效整个过程处于6061铝合金减摩性能层面效果显著，110℃温度动态时效下实施ECAP处理所制备出超细晶类型铝合金的试样，其与T6态、固溶态这两种不同粗晶试样比较起来，耐磨性能较为优异。

2.2.2在磨损行为层面

超细晶及粗晶的6061铝合金，处于常温环境磨损行为机制，以磨粒、疲劳、粘着、剥层、氧化等磨损为主。因载荷增加，其磨损所呈转化顺序，即磨粒、氧化、剥层、粘着、表面部位疲劳等磨损，同等载荷之下，以混合磨损行为机制存在居多。产生磨粒磨损情况下，磨损表面部位会有切削或犁沟产生，结合表面沟槽可了解到，常温动态时效之下，ECAP试样处于磨损过程当中，会有三体磨损产生，磨粒磨损则贯穿至5 N~25 N，但不同的载荷条件之下对于磨损表面会产生程度不同的影响。因载荷持续增加，整个磨损表面部位氧含量会＞1 wt.%，该磨损行为机制则变成氧化及剥层混合磨损行为机制。载荷仍然持续增加情况下，氧含量对于磨损行为机制所产生影响减弱，整个磨损表面处于高载之下，变形严重。经磨屑及EDS能谱等分析，5~25 N的载荷之下，各磨损行为机制作用情况，详见表1。经对比可知晓，固溶态及T6态的试样处于5 N之下磨损行为机制情况，常温动态时效之下，ECAP试样出现于10 N时载荷下，固溶态及T6态的试样处于10 N时所产生磨损行为机制，其等同于常温动态时效该ECAP试样处于25 N时所产生磨损行为机制。故6061铝合金在经110℃时效、ECAP处理之后，对于磨损行为机制转变有着推迟作用产生。

表1 6061铝合金自身磨损行为机制情况

3、结语

综上所述，铝合金处于常温动态时效下，经ECAP处理之后，达到最高强度，抗拉强度、屈服强度均较高；经ECAP处理所制备出超细晶类型铝合金，呈高耐磨性能。此外，6061铝合金在经常温时效、ECAP处理之后，会推迟磨损行为机制转变。

参考文献：

[1]亓海全,秦翔智,孙延焕,等.6061/AlSi12异种材料搅拌摩擦焊接头的组织与力学性能[J].热加工工艺,2020,49(009):411-412.

[2]王贝贝,刘沿东,薛鹏,等.超细晶6061铝合金的搅拌摩擦制备和性能[J].材料研究学报,2021,35(005):915-916.