【正文】 基體金屬的界面反應(yīng)和宏觀偏析現(xiàn)象，使材料具有細(xì)小的等軸晶組織和優(yōu)良的綜合性能。 (4)原位復(fù)合法：它是由高溫自蔓延技術(shù)不斷的發(fā)展而演變過(guò)來(lái)的，原位復(fù)合法的工藝原理是：增強(qiáng)相是由事先加入的相應(yīng)元素或組織與元素間發(fā)生反應(yīng)生成的，且均勻分布于基體中，從而制備出相應(yīng)的復(fù)合材料的一種工藝[36]。由于強(qiáng)化相是基體內(nèi)部生成，兩者之間界面無(wú)污染，原位匹配比較理想，能夠爭(zhēng)強(qiáng)兩相的結(jié)合能力，是材料具有良好的熱力學(xué)性能[37]。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，降低成本、污染小、增強(qiáng)相與基體有很好的結(jié)合性。但是該工藝要求加入強(qiáng)化相的反應(yīng)元素量要精確，需要嚴(yán)格工藝要求使反應(yīng)生成強(qiáng)化相，這一工藝過(guò)程掌握難度大[38]。 幾種金屬基復(fù)合材料制備方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)粉末冶金法基體上不存在界面反應(yīng)，質(zhì)量穩(wěn)定，增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)（Vf）可較高可選用細(xì)小顆粒增強(qiáng)體，增強(qiáng)體分布均勻，可實(shí)現(xiàn)近似無(wú)余量成型；工藝程序多，制備周期長(zhǎng)，成本高，降低成本的可能性小攪拌鑄造法工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少，生產(chǎn)成本低，可規(guī)?；a(chǎn)；Vf有限（一般不超過(guò)20%），顆粒一般不可能小于10um，有界面反應(yīng)的可能性，增強(qiáng)體分布難以達(dá)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(shè)備復(fù)雜、原材料損失大、成本高，需要后續(xù)的加工原位復(fù)合法成本反應(yīng)較低，增強(qiáng)體分布均勻，基體上無(wú)界面反應(yīng)，可以使用傳統(tǒng)的金屬熔融鑄造設(shè)備，工藝周期較短；工藝過(guò)程要求嚴(yán)格，較難把握，增強(qiáng)相的成分和體積分?jǐn)?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(dǎo)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(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致表面材料的逐漸消失或轉(zhuǎn)移，所以摩擦磨損就成為在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置內(nèi)材料失效的主要原因，各種形式的磨損能引起約70％~80％的設(shè)備損壞及30％~50％的能源消耗。隨著20世紀(jì)60年代科技的發(fā)展，鋁基復(fù)合材料開(kāi)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(diǎn)，隨著復(fù)合方法的優(yōu)化和原理的研究，鋁基復(fù)合材料在摩擦學(xué)領(lǐng)域方面所表現(xiàn)出的優(yōu)異性能越來(lái)越受到人們的重視，人們?cè)谠噲D利用對(duì)各種鋁合金材料與各種增強(qiáng)相進(jìn)行復(fù)合化以改善其摩擦磨損性能的過(guò)程中取得可喜的進(jìn)展[40]。因此，利用鋁基復(fù)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(duì)于鋁基復(fù)合材料，Si0A120纖維、晶須等增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料由于其優(yōu)異的耐磨性能、高強(qiáng)度和低密度被普遍應(yīng)用于剎車(chē)盤(pán)、活塞等：如美國(guó)Duralcan公司已用SiCp/Al復(fù)合材料成功地制造了汽車(chē)制動(dòng)盤(pán)、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞和齒輪箱等汽車(chē)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(yīng)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(qiáng)A356基復(fù)合材料，在與45鋼對(duì)摩擦條件下，該種復(fù)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(duì)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(duì)金屬基復(fù)合材料優(yōu)異的耐磨性能的研究，許多學(xué)者試圖確定、控制復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的決定性現(xiàn)象，并著手系統(tǒng)化金屬基復(fù)合材料的摩擦學(xué)信息，在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生許多關(guān)于復(fù)合材料摩擦、磨損及潤(rùn)滑的重要理論。本文所研究的主要是結(jié)合國(guó)家自然基金項(xiàng)目“高礦化度水質(zhì)下三氧化二鋁顆粒增強(qiáng)鋁錳合金復(fù)合材料的沖蝕腐蝕機(jī)制研究”，50861008，開(kāi)展對(duì)Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁錳基復(fù)合材料在正載荷、磨摩擦?xí)r間/距離和干濕環(huán)境等影響因素下的滑動(dòng)摩擦磨損性能的研究。并通過(guò)相應(yīng)的滑動(dòng)摩擦磨損率和摩擦系數(shù)的變化曲線，進(jìn)一步分析Al2O3顆粒對(duì)鋁錳合金復(fù)合材料的摩擦磨損性能的影響，以其找到提高鋁基復(fù)合材料滑動(dòng)摩擦磨損性能的實(shí)際可行的方法，為進(jìn)一步深入的研究工作奠定基礎(chǔ)。本文研究的主要內(nèi)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(qiáng)鋁錳基復(fù)合材料，通過(guò)相關(guān)設(shè)備儀器準(zhǔn)確地測(cè)試出材料的最終組織成分、結(jié)構(gòu)及硬度、沖擊韌性等機(jī)械性能，并進(jìn)行兩材料間的對(duì)比研究。（2） 通過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)“A00”鋁試樣、%%Mn基復(fù)合材料試樣進(jìn)行在正載荷、摩擦環(huán)境等變化因素下進(jìn)行滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)，并通過(guò)得到大量磨損率和摩擦系數(shù)的試驗(yàn)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(duì)比圖和試樣摩擦磨損形貌電鏡照片，研究載荷、%Mn基復(fù)合材料的滑動(dòng)摩擦性能的影響和摩擦磨損機(jī)制的影響。第二章 試驗(yàn)理論基礎(chǔ) 金屬材料滑動(dòng)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(shí)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?xún)刹牧媳砻娴拇植诙?、材料性能、?fù)荷大小以及是否潔凈等因素直接影響著表面接觸點(diǎn)數(shù)，影響著材料的摩擦磨損。當(dāng)兩材料相對(duì)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，主要是接觸點(diǎn)發(fā)生相互的摩擦，凸峰慢慢的被磨平，產(chǎn)生的顆粒部分留在摩擦表面中繼續(xù)摩擦，進(jìn)一步破壞材料表面，導(dǎo)致材料失效。 鋁基復(fù)合材料摩擦磨損的影響因素滑動(dòng)摩擦磨損是一種材料滑動(dòng)過(guò)程中的磨損形式，不屬于材料固有特性。在不同的滑動(dòng)條件和摩擦環(huán)境下，材料的摩擦磨損性能也不經(jīng)相同，說(shuō)明材料摩擦磨損性能是與整個(gè)系統(tǒng)相關(guān)的特性，很多的因素相互的作用[44]。總的來(lái)說(shuō)，影響磨損過(guò)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(nèi)部因素(如基體組織、增強(qiáng)相性質(zhì)等)，同時(shí)對(duì)于MMCs本身組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得材料磨損性能在許多時(shí)候缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，因此，需要更進(jìn)一步的研究。這里主要介紹了在本實(shí)驗(yàn)中主要考慮的影響因素：正載荷、摩擦?xí)r間和干濕摩擦環(huán)境。載荷因素對(duì)復(fù)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(shí)導(dǎo)出，使材料表面溫度升高，軟化基體，摩擦率增加，嚴(yán)重影響材料的摩擦磨損性能[45]。所以一般復(fù)合材料存在臨界載荷，當(dāng)超越一定的臨界載荷時(shí)，復(fù)合材料的磨損機(jī)制就會(huì)發(fā)生改變，而引起材料磨損嚴(yán)重，磨損率急劇增加。Alpas通過(guò)對(duì)SiC20vol.%/A356和Al2O320vol.%/6061等復(fù)合材料體系的系統(tǒng)研究[46]，發(fā)現(xiàn)了載荷作用下復(fù)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(shí)，復(fù)合材料首先從磨損接觸面積小，第二相顆粒承擔(dān)主要載荷，保護(hù)了基體，磨損機(jī)制以顯微切削為主，再到載荷產(chǎn)生正壓力足以壓碎第二相顆粒，使其失去作用，基體開(kāi)始出現(xiàn)大的塑性變形，主要磨損機(jī)制為剝落磨損，最后在高載荷下，摩擦過(guò)程產(chǎn)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(yán)重，磨損率急劇增加，主要磨損機(jī)制為粘著和剝層磨損。向?qū)τ趶?fù)合材料的基體而言，復(fù)合材料由于硬質(zhì)第二相顆粒的加入提高了基體的高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，提高了發(fā)生嚴(yán)重磨損的臨界載荷。隨著摩擦磨損時(shí)間/距離推移，復(fù)合材料的摩擦磨損率越來(lái)越大，主要是由于材料摩擦表面連續(xù)摩擦，接觸點(diǎn)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(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)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(dòng)距離增加，Al2O3纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料摩擦表面相互作用，摩銷(xiāo)前端變形量增大，出現(xiàn)形變坑，同時(shí)剝離出來(lái)的堅(jiān)硬Al2O3磨粒并鑲嵌于其中，很容易在摩擦表面產(chǎn)生犁溝，從而加速鋁基復(fù)合材料的磨損。干濕摩擦環(huán)境因素對(duì)材料的摩擦磨損性能有很大的影響，磨損機(jī)制也會(huì)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(rùn)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(shí)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(guò)對(duì)NiSiC石墨系復(fù)合材料在水環(huán)境中的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)復(fù)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(jī)械微切削。 材料間的摩擦必然會(huì)導(dǎo)致材料的磨損，并且磨損過(guò)程很復(fù)雜，不同的外界影響因素都可能出現(xiàn)不同的磨損機(jī)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(guò)程等角度對(duì)磨損進(jìn)行分類(lèi)，把復(fù)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(fù)合材料摩擦表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于載荷作用下表面接觸點(diǎn)會(huì)有塑性變形和摩擦產(chǎn)生瞬間高溫，使兩種材料產(chǎn)生粘著，造成一個(gè)表面材料逐漸分離出來(lái)并轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面的現(xiàn)象。該磨損機(jī)制主要以涂抹、膠合等形式出現(xiàn)，以摩擦材料間大量的轉(zhuǎn)移為特征，與載荷、摩擦速度和摩擦溫度等因素有很大的關(guān)系?；贏rchard和Rowe等人[5152]對(duì)粘著磨損機(jī)制與相關(guān)因素的關(guān)系，最后提出一個(gè)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(zhì)有關(guān)的系數(shù)；為常數(shù)；為摩擦系數(shù)；為與表面膜有關(guān)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(zhì)的外界顆?；蜾X基復(fù)合材料摩擦面上細(xì)微凸起物，起到了對(duì)鋁基復(fù)合材料表面犁削作用和塑性擠壓變形的磨損現(xiàn)象。在經(jīng)歷顆粒磨損后鋁基復(fù)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(fù)合材料硬度Ha之比，再根據(jù)韌塑性鋁基復(fù)合材料的磨粒磨損體積V與磨粒硬度的關(guān)系大致可分為三個(gè)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(duì)材料磨粒磨損進(jìn)行一步一步地研究，最后提出了一個(gè)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(dāng)磨損粒子形成時(shí)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(guān)。(3)氧化磨損當(dāng)在較低載荷和滑動(dòng)速度條件下時(shí)，由于摩擦生熱作用下，摩擦表面與周?chē)趸锓瓷趸磻?yīng)，造成對(duì)鋁基復(fù)合材料的磨損就是氧化磨損機(jī)制[54]。該機(jī)制隨著摩擦產(chǎn)生的顆粒使得磨損從二體磨損轉(zhuǎn)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(nèi)，脫落的第二相硬質(zhì)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(zhuǎn)移層，從而對(duì)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(jī)制主要是通過(guò)鋁基復(fù)合材料磨損面亞表層裂紋而產(chǎn)生的。在鋁基復(fù)合材料磨損過(guò)程中，硬表面與軟表面之間的反復(fù)載荷作用下，產(chǎn)生剪切變形，且不斷積累，促進(jìn)鋁基復(fù)合材料表面大量的空位形核，空位合并，同時(shí)裂紋也從顆粒與基體的界面開(kāi)始形核，而后裂紋慢慢長(zhǎng)大，最后導(dǎo)致長(zhǎng)而薄的磨損薄片脫落[58]。所以，鋁基復(fù)合材料磨損下來(lái)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(jī)制與載荷、摩擦速度等外界因素和增強(qiáng)相的含量、大小，界面間的結(jié)合能力等材料內(nèi)部因素有關(guān)。有研究[59]得出簡(jiǎn)單的剝層磨損計(jì)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(yīng)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(yàn)條件與試驗(yàn)方法 試驗(yàn)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(qiáng)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(yàn)用A00鋁的成分牌號(hào)化學(xué)成分(%,質(zhì)量分?jǐn)?shù))Al Fe Si Cu Ca Mg 其它 雜質(zhì)總和 ≥ ≤（2）錳粉成分取出一些錳粉試樣，通過(guò)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(jié)果譜圖在狀態(tài)OSiMnSe總的譜圖 1是標(biāo)準(zhǔn)偏差最大最小其中Se和Si為雜質(zhì)，氧的存在是因?yàn)殄i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(zhì)成分 雜質(zhì)水中溶解物硫酸鹽氯化物鐵（Pb）重金屬堿金屬（堿土）指標(biāo)（%）合格（1）箱式電阻爐型號(hào)：KSY—12—16，編號(hào)：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(hào)：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(dòng)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(hào)：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(jì)型號(hào)：HR150布洛維硬度計(jì)；HX1000B視頻顯示維