铜锌合金表面纳米化的磨损表层晶粒演变机制研究

Copper-zinc alloys with surface nanocrystallization have an important application potential in the field of bush bearings, transmission synchronizers and other friction parts. A better understanding of grain evolution mechanism in worn layer for nano-crystallized copper-zinc alloys is needed. In order to improve the wear resistance, we produce a gradient nano-grained layer on copper-zinc alloy by laser peening. Surface of copper-zinc alloy will be labeled by radionuclides (Zn65) in order to measure real-time wear of the alloys with nanometer resolution by radionuclide technique, and microstructure evolution of friction surface will be investigated by in-situ AFM. Before and after the experiment, differences of mechanical properties of the nanocrystalline layers will be compared, and chemical composition and morphology of the friction surface of the ball will be analyzed. Dislocation mechanism of gradient nano-grained layer during friction and wear experiments will be investigated, and then interaction of dislocation and twin interface during friction and wear experiments will be discussed. Evolution mechanism of gradient nano-grained on worn surface will be obtained finally. The results of this proposal are expected to expand the application field of laser peening technology, and it will be also expected to improve material experimental methods and theoretical knowledge of tribology.

铜锌合金表面纳米化技术在机械等使用轴承的领域具有重要的应用背景。对铜锌合金进行表面纳米化处理，并深入研究其在摩擦过程中磨损表层的纳米晶粒演变机制具有重要的理论意义和应用价值。本项目拟采用激光喷丸技术制备铜锌合金表面梯度纳米晶强化层，在其表层标记放射性核素Zn65，通过放射性核素技术精确测量强化层在摩擦过程中的实时磨损量，采用原位技术分析并研究强化层在摩擦过程中摩擦表面的微观形貌特性和变化规律；分析强化层摩擦前后的力学性能变化，分析配对钢球磨斑表面的化学成分和微观形貌；研究强化层梯度纳米晶粒在磨损过程中的位错机理，探讨强化层晶粒在磨损过程中位错-孪晶界的交互作用，最终阐明强化层梯度纳米晶粒在摩擦过程中的演变机制。研究结果以期拓展激光喷丸技术的研究应用领域，丰富金属材料摩擦学实验研究方法和理论知识，促进交叉学科发展。

铜锌合金表面纳米化技术在机械等使用轴承的领域具有重要的应用背景。对铜锌合金进行表面纳米化处理，并深入研究其在摩擦过程中磨损表层的纳米晶粒演变机制具有重要的理论意义和应用价值。本项目采用激光喷丸技术在铜锌合金表面制备了梯度纳米晶强化层，在激光喷丸产生的大塑性变形的作用下，铜锌合金表层自表及里分为了顶层、大塑性变形层和小塑性变形层的梯度纳米晶粒结构。铜锌合金表面纳米化的滑动磨损实验结果表明，在相同实验条件下，铜锌合强化层的摩擦磨损性能明显较基体要好，实验的磨合阶段，铜锌合金强化层的摩擦系数降低速度较基体更快，在稳定阶段，较基体的摩擦系数有明显的降低且更加的稳定。基于铜锌合金的摩擦磨损实验，分析摩擦系数、磨痕表面粗糙度和实时磨损率之间的关系，进而建立了关于表面粗糙度的磨损模型，实验结果的拟合优度达到了R2=90.23%。提出了晶粒在摩擦过程中的演变机制，主要是有动态再结晶导致的内部位错的累积与湮灭达到动态平衡。对激光喷丸前后铜锌合金疲劳行为进行了分析研究，结果表明激光喷丸处理的试样晶粒尺寸存在梯度变化，使得在疲劳实验过程中影响层和亚表层产生不同的微观组织变化，从而形成不同的晶粒演变。进而探讨了摩擦层的形成机理，实验早期由于摩擦塑性变形引起的剪切应力在强化层中产生大量位错，随后通过位错运动和原始颗粒的相互作用形成了细晶，摩擦产生的剪切应力的影响不足以细化位于GRL下的晶粒，而应力能够引起该层中晶粒的剪切变形。在上述研究的基础上提出了强化层梯度纳米晶粒在磨损过程中的演变机制，孪晶形变（包括机械孪晶和次生孪晶）是强化层梯度纳米晶粒在磨损过程中的主要变形机制。机械孪晶和二次孪晶的产生增加了晶界，然后将晶粒细化为纳米晶粒，从而显著提高了铜锌合金的耐磨性。