【正文】 基體金屬的界面反應和宏觀偏析現(xiàn)象，使材料具有細小的等軸晶組織和優(yōu)良的綜合性能。 (4)原位復合法：它是由高溫自蔓延技術不斷的發(fā)展而演變過來的，原位復合法的工藝原理是：增強相是由事先加入的相應元素或組織與元素間發(fā)生反應生成的，且均勻分布于基體中，從而制備出相應的復合材料的一種工藝[36]。由于強化相是基體內部生成，兩者之間界面無污染，原位匹配比較理想，能夠爭強兩相的結合能力，是材料具有良好的熱力學性能[37]。這種工藝的優(yōu)點在于簡化了生產工藝，降低成本、污染小、增強相與基體有很好的結合性。但是該工藝要求加入強化相的反應元素量要精確，需要嚴格工藝要求使反應生成強化相，這一工藝過程掌握難度大[38]。 幾種金屬基復合材料制備方法的優(yōu)點和缺點方法優(yōu)點缺點粉末冶金法基體上不存在界面反應，質量穩(wěn)定，增強體體積分數(shù)（Vf）可較高可選用細小顆粒增強體，增強體分布均勻，可實現(xiàn)近似無余量成型；工藝程序多，制備周期長，成本高，降低成本的可能性小攪拌鑄造法工藝簡單，設備投資少，生產成本低，可規(guī)模化生產；Vf有限（一般不超過20%），顆粒一般不可能小于10um，有界面反應的可能性，增強體分布難以達到均勻化，有氣孔，只能制成鑄錠，因此需要二次加工；噴射沉積法成型速度快，工藝周期短工藝設備復雜、原材料損失大、成本高，需要后續(xù)的加工原位復合法成本反應較低，增強體分布均勻，基體上無界面反應，可以使用傳統(tǒng)的金屬熔融鑄造設備，工藝周期較短；工藝過程要求嚴格，較難把握，增強相的成分和體積分數(shù)不易控制；據(jù)研究[39]，材料的磨損、腐蝕和斷裂三種主要形式導致了材料失效，其中摩擦磨損主要是由于相互接觸的材料在接觸面上發(fā)生阻礙相對運動，導致表面材料的逐漸消失或轉移，所以摩擦磨損就成為在相對運動的機械裝置內材料失效的主要原因，各種形式的磨損能引起約70％~80％的設備損壞及30％~50％的能源消耗。隨著20世紀60年代科技的發(fā)展，鋁基復合材料開始被研究，發(fā)現(xiàn)了它具有高耐熱性、耐磨損性和抗老化性等優(yōu)異特點，隨著復合方法的優(yōu)化和原理的研究，鋁基復合材料在摩擦學領域方面所表現(xiàn)出的優(yōu)異性能越來越受到人們的重視，人們在試圖利用對各種鋁合金材料與各種增強相進行復合化以改善其摩擦磨損性能的過程中取得可喜的進展[40]。因此，利用鋁基復合材料具有優(yōu)異的耐磨性能代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料可以有效得阻止及減緩摩擦磨損造成危害。對于鋁基復合材料，Si0A120纖維、晶須等增強的鋁基復合材料由于其優(yōu)異的耐磨性能、高強度和低密度被普遍應用于剎車盤、活塞等：如美國Duralcan公司已用SiCp/Al復合材料成功地制造了汽車制動盤、汽車發(fā)動機活塞和齒輪箱等汽車零件[41]；在1982年，豐田公司成功地在活塞的上部第一環(huán)槽連帶頂部邊緣局部應用MMC，%～%的MMC，由于良好的耐磨性能，使活塞的使用壽命大大提高[42]。盧德宏,金燕萍等人采用壓力浸漬法制備了20φ%SiC和12φ%Gr混雜增強A356基復合材料，在與45鋼對摩擦條件下，該種復合材料顯現(xiàn)了優(yōu)異的耐磨性,分別是鋁硅合金基體的68倍和鑄鐵的13倍；對配偶鋼的磨損輕微，分別是是鋁硅合金基體的1/31/39和鑄鐵的1/21/5[43]。隨著對金屬基復合材料優(yōu)異的耐磨性能的研究，許多學者試圖確定、控制復合材料摩擦學性能的決定性現(xiàn)象，并著手系統(tǒng)化金屬基復合材料的摩擦學信息，在此基礎上產生許多關于復合材料摩擦、磨損及潤滑的重要理論。本文所研究的主要是結合國家自然基金項目“高礦化度水質下三氧化二鋁顆粒增強鋁錳合金復合材料的沖蝕腐蝕機制研究”，50861008，開展對Al2O3顆粒增強鋁錳基復合材料在正載荷、磨摩擦時間/距離和干濕環(huán)境等影響因素下的滑動摩擦磨損性能的研究。并通過相應的滑動摩擦磨損率和摩擦系數(shù)的變化曲線，進一步分析Al2O3顆粒對鋁錳合金復合材料的摩擦磨損性能的影響，以其找到提高鋁基復合材料滑動摩擦磨損性能的實際可行的方法，為進一步深入的研究工作奠定基礎。本文研究的主要內容有：（1） 采用攪拌鑄造工藝制備出含錳量為1%左右的鋁錳合金和Al2O3顆粒增強鋁錳基復合材料，通過相關設備儀器準確地測試出材料的最終組織成分、結構及硬度、沖擊韌性等機械性能，并進行兩材料間的對比研究。（2） 通過摩擦磨損試驗機分別對“A00”鋁試樣、%%Mn基復合材料試樣進行在正載荷、摩擦環(huán)境等變化因素下進行滑動摩擦磨損試驗，并通過得到大量磨損率和摩擦系數(shù)的試驗數(shù)據(jù)，再根據(jù)數(shù)據(jù)的變化曲線、三種試樣數(shù)據(jù)的對比圖和試樣摩擦磨損形貌電鏡照片，研究載荷、%Mn基復合材料的滑動摩擦性能的影響和摩擦磨損機制的影響。第二章 試驗理論基礎 金屬材料滑動摩擦原理模型 兩金屬材料接觸并摩擦的原理模型，由圖中我們可以看出兩金屬材料的表面都不光滑，都是由具有一定的凸蜂與凹谷相互組成。，隨著相互間的載荷作用下相互的接觸，實際兩金屬材料間不是全部的接觸，只有少數(shù)的凸峰與另一表面相互接觸，所以兩材料表面的粗糙度、材料性能、負荷大小以及是否潔凈等因素直接影響著表面接觸點數(shù)，影響著材料的摩擦磨損。當兩材料相對的運動時，主要是接觸點發(fā)生相互的摩擦，凸峰慢慢的被磨平，產生的顆粒部分留在摩擦表面中繼續(xù)摩擦，進一步破壞材料表面，導致材料失效。 鋁基復合材料摩擦磨損的影響因素滑動摩擦磨損是一種材料滑動過程中的磨損形式，不屬于材料固有特性。在不同的滑動條件和摩擦環(huán)境下，材料的摩擦磨損性能也不經相同，說明材料摩擦磨損性能是與整個系統(tǒng)相關的特性，很多的因素相互的作用[44]?？偟膩碚f，影響磨損過程的因素主要包括外部因素(如載荷、速度、環(huán)境因素等)和內部因素(如基體組織、增強相性質等)，同時對于MMCs本身組織結構的復雜性，使得材料磨損性能在許多時候缺乏統(tǒng)一的認識，因此，需要更進一步的研究。這里主要介紹了在本實驗中主要考慮的影響因素：正載荷、摩擦時間和干濕摩擦環(huán)境。載荷因素對復合材料的摩擦磨損性能有很大的影響，隨著載荷增加，材料間由摩擦而生熱不能及時導出，使材料表面溫度升高，軟化基體，摩擦率增加，嚴重影響材料的摩擦磨損性能[45]。所以一般復合材料存在臨界載荷，當超越一定的臨界載荷時，復合材料的磨損機制就會發(fā)生改變，而引起材料磨損嚴重，磨損率急劇增加。Alpas通過對SiC20vol.%/A356和Al2O320vol.%/6061等復合材料體系的系統(tǒng)研究[46]，發(fā)現(xiàn)了載荷作用下復合材料的摩擦磨損呈現(xiàn)“三階段”的規(guī)律：在較低正載荷下時，復合材料首先從磨損接觸面積小，第二相顆粒承擔主要載荷，保護了基體，磨損機制以顯微切削為主，再到載荷產生正壓力足以壓碎第二相顆粒，使其失去作用，基體開始出現(xiàn)大的塑性變形，主要磨損機制為剝落磨損，最后在高載荷下，摩擦過程產生的熱量大幅度增加，使得摩擦副的表面溫度急劇升高，材料軟化嚴重，磨損率急劇增加，主要磨損機制為粘著和剝層磨損。向對于復合材料的基體而言，復合材料由于硬質第二相顆粒的加入提高了基體的高溫強度和熱穩(wěn)定性，提高了發(fā)生嚴重磨損的臨界載荷。隨著摩擦磨損時間/距離推移，復合材料的摩擦磨損率越來越大，主要是由于材料摩擦表面連續(xù)摩擦，接觸點慢慢的磨平且摩擦面增多，摩擦系數(shù)也隨之變大，所以材料設備在長時間的運轉下，零件難免由于摩擦磨損而失效。翟秋亞，徐錦鋒[47]等人發(fā)現(xiàn)隨著滑動距離增加，Al2O3纖維增強鋁基復合材料摩擦表面相互作用，摩銷前端變形量增大，出現(xiàn)形變坑，同時剝離出來的堅硬Al2O3磨粒并鑲嵌于其中，很容易在摩擦表面產生犁溝，從而加速鋁基復合材料的磨損。干濕摩擦環(huán)境因素對材料的摩擦磨損性能有很大的影響，磨損機制也會有不同的改變。如在水環(huán)境下，主要是在摩擦表面吸附著水起到一定的潤滑作用以及水能冷卻摩擦表面的溫度，減少基體的軟化，塑性變形也變少，同時水也有利于磨粒從摩擦表面間流出，減輕了材料的摩擦磨損[48]。賈均紅[49]等人通過對NiSiC石墨系復合材料在水環(huán)境中的摩擦學性能，發(fā)現(xiàn)復合材料在水環(huán)境中的摩擦系數(shù)比干摩擦降低了一半左右,磨損率僅為干摩擦下的1/15,磨損主要表現(xiàn)為機械微切削。 材料間的摩擦必然會導致材料的磨損，并且磨損過程很復雜，不同的外界影響因素都可能出現(xiàn)不同的磨損機制，造成的破壞程度也不同。以基體材料磨損破壞的程度和過程等角度對磨損進行分類，把復合材料的磨損原理劃分為：(1)粘著磨損，(2)磨粒磨損，(3)氧化磨損，(4)剝層磨損。 (1)粘著磨損粘著磨損[50]是鋁基復合材料摩擦表面相對運動過程中，由于載荷作用下表面接觸點會有塑性變形和摩擦產生瞬間高溫，使兩種材料產生粘著，造成一個表面材料逐漸分離出來并轉移到另一個表面的現(xiàn)象。該磨損機制主要以涂抹、膠合等形式出現(xiàn)，以摩擦材料間大量的轉移為特征，與載荷、摩擦速度和摩擦溫度等因素有很大的關系。基于Archard和Rowe等人[5152]對粘著磨損機制與相關因素的關系，最后提出一個比較完善的在材料粘著磨損下的體積磨損量公式： （21）式中：為與材料性質有關的系數(shù)；為常數(shù)；為摩擦系數(shù)；為與表面膜有關的系數(shù)； 為材料的屈服極限；為磨損系數(shù)。(2)磨粒磨損磨粒磨損[52]主要是由于摩擦界面間存在硬質的外界顆?；蜾X基復合材料摩擦面上細微凸起物，起到了對鋁基復合材料表面犁削作用和塑性擠壓變形的磨損現(xiàn)象。在經歷顆粒磨損后鋁基復合材料摩擦表面主要是以顯微切削和犁溝的形態(tài)存在。材料磨粒磨損在很大程度上取決于磨粒硬度Hm和鋁基復合材料硬度Ha之比，再根據(jù)韌塑性鋁基復合材料的磨粒磨損體積V與磨粒硬度的關系大致可分為三個區(qū)域[53]：低磨損區(qū)Hm()Ha。Hm。高磨損區(qū)Hm ?；诶e諾維奇和摩爾等人[52]對材料磨粒磨損進行一步一步地研究，最后提出了一個比較完善的磨粒磨損模型： （22）式中：為磨損粒子形成的總的幾率；為是當磨損粒子形成時磨溝體積的比率；為磨粒的形狀因子；為單位面積上的載荷；為材料表面的硬度。由上面公式中可知：磨粒磨損的體積磨損量不僅與正載荷成正比，而與材料摩擦表面的硬度成反比，還與磨粒的形狀大小有關。(3)氧化磨損當在較低載荷和滑動速度條件下時，由于摩擦生熱作用下，摩擦表面與周圍氧化物反生氧化反應，造成對鋁基復合材料的磨損就是氧化磨損機制[54]。該機制隨著摩擦產生的顆粒使得磨損從二體磨損轉向三體磨損。有研究發(fā)現(xiàn)[5556]：在一定載荷、摩擦速度、摩擦溫度等條件內，脫落的第二相硬質顆粒被氧化，并在磨面上可以能起到“滾珠”的作用，可以形成轉移層，從而對材料的磨損起到一定的減磨作用。 (4)剝層磨損由N、P、Suh在1973首次提出的剝層磨損理論[57]，該磨損機制主要是通過鋁基復合材料磨損面亞表層裂紋而產生的。在鋁基復合材料磨損過程中，硬表面與軟表面之間的反復載荷作用下，產生剪切變形，且不斷積累，促進鋁基復合材料表面大量的空位形核，空位合并，同時裂紋也從顆粒與基體的界面開始形核，而后裂紋慢慢長大，最后導致長而薄的磨損薄片脫落[58]。所以，鋁基復合材料磨損下來的磨料一般呈現(xiàn)大片狀磨屑，并有具有一定金屬光澤。該磨損機制與載荷、摩擦速度等外界因素和增強相的含量、大小，界面間的結合能力等材料內部因素有關。有研究[59]得出簡單的剝層磨損計算公式： （23）式中：為磨屑厚度；為剪切彈性模量；為材料波桑比；為表面摩擦應力；為柏氏矢量。 （24）式中：為材料磨損體積；為滑移距離；為臨界滑移距離；為片狀磨屑的面積。第三章 試驗條件與試驗方法 試驗材料本研究采用工業(yè)A00純鋁和金屬錳粉作為基體材料，作為增強體材料的aAl2O3顆粒，粒徑范圍:￠。還有作除氣劑精煉劑的MnCl2和后續(xù)工作所需要的用作清洗液的酒精，去油污的丙酮，拋光劑Al2O3溶液，腐蝕劑4%HF溶液。以下是幾種主要材料的具體成分：（1）A00鋁成分 試驗用A00鋁的成分牌號化學成分(%,質量分數(shù))Al Fe Si Cu Ca Mg 其它 雜質總和 ≥ ≤（2）錳粉成分取出一些錳粉試樣，通過OXFORD2000型能譜分析儀得到圖1和表2。 金屬錳能譜面掃描圖譜 按重量百分比顯示的所有結果譜圖在狀態(tài)OSiMnSe總的譜圖 1是標準偏差最大最小其中Se和Si為雜質，氧的存在是因為錳可與空氣中的氧形成氧化物帶入的，%。（3）Al2O3顆粒成分 Al2O3顆粒雜質成分 雜質水中溶解物硫酸鹽氯化物鐵（Pb）重金屬堿金屬（堿土）指標（%）合格（1）箱式電阻爐型號：KSY—12—16，編號：85285，額定電壓：380伏，頻率：50赫茲，相數(shù)：3相，最大輸出電流：30安培，最大控制功率：12千瓦，最高控制溫度：1600攝氏度。（2）井式坩堝電阻爐型號：KSY1216,額定電壓：380伏，頻率：50赫茲，相數(shù)：3相，最大輸出電流：30安培，最大控制功率：，最高控制溫度：900攝氏度。（3）XQF2全自動金相圖象分析儀額定電壓：220伏，額定功率：30W，頻率：50赫茲。（4）電鏡、能譜分析儀型號：LED1430VP型掃描電鏡，OXFORD2000型能譜分析儀，M18XHF22SRA型X射線衍射儀。（5）硬度計型號：HR150布洛維硬度計；HX1000B視頻顯示維