【正文】 要求不高，而且一般增強顆粒物都能適應(yīng)。一系列的制備工序（制粉、冷壓固結(jié)、燒結(jié)）及比較嚴格的制備條件（溫度、壓力、真空環(huán)境）等的因數(shù)可以影響增強相在鋁基的分布、結(jié)合能，進一步鋁基復(fù)合材料的性能，同時受這些因數(shù)的限制，該方法也不宜制備過大或形狀復(fù)雜的零件，制備周期長、成本偏高。圖12 顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備工藝分類本文僅對上述幾種常見的鋁基基復(fù)合材料（現(xiàn)今研究的較全面）的制備工藝方法及其特點進行評述。在上世紀60年代，自從鋁基復(fù)合材料的出現(xiàn)，其制備工藝也不斷得到改進，主要是為了使鋁基復(fù)合材料中強化相更為均勻的分布于基體組織，從而得到更為優(yōu)秀的力學性能和機械性能。SiC/2024A1復(fù)合材料，抗拉強度達800MPa，屈服強度達690MPa，彈性模量高于150GPa，都大大高于基體合金，且熱膨脹系數(shù)很低，可用來代替Al合金、Ti合金等制造各種飛機結(jié)構(gòu)件，如直升飛機起落架、翼前緣加強筋和大的通用J下弦形梁。(2)在航空航天及軍工領(lǐng)域的應(yīng)用：鋁基復(fù)合材料不會出現(xiàn)高分子復(fù)合材料常見的老化現(xiàn)象和在高真空條件下釋放小分子的特點，克服了樹脂基復(fù)合材料在航宇領(lǐng)域中的使用時存在的缺點，成為各國高新技術(shù)研究開發(fā)的重要領(lǐng)域。汽車工業(yè)的發(fā)展，對材料的要求，這就為鋁基復(fù)合材料的發(fā)展提供了廣闊的應(yīng)用前景[15]。 由于鋁基復(fù)合材料具有良好的綜合性能，在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如在汽車工業(yè)、航空航天、電子等領(lǐng)域。等徑轉(zhuǎn)角擠壓法制備的鋁錳合金隨后經(jīng)適當?shù)臒崽幚砉に囂幚砗螅?顯著地提高鋁錳合金的硬度及強度，并且細化晶粒保持較高的熱穩(wěn)定性，同時等徑轉(zhuǎn)角擠壓方法可用于大規(guī)模的生產(chǎn)過程[14]。鐵、錳可使鈦在鋁中的溶解度減小,鈦過量很容易對合金的性能造成不良影響,%。稀土元素：稀土元素直接影響著合金再結(jié)晶過程，由于稀土元素占據(jù)合金點陣中錳元素的位置，使得更多錳以化合物形式析出，(FeMn)Al6相增多，錳在合金中的固溶含量相對降低,使合金再結(jié)晶溫度降低，同時加速了再結(jié)晶過程，使合金再結(jié)晶過程提前[3]。%以下[11]。主要的研究方面：（1）鋁錳合金中其它元素的影響[10]Fe：Fe能溶解于MnAl6中形成（FeMn）Al6化合物，從而降低Mn在Al中溶解度。合金的再結(jié)晶溫度隨著Mn含量的增加相應(yīng)地提高，由于鋁錳合金具有很大的過冷能力，因此在快速冷卻結(jié)晶時，產(chǎn)生很大的晶內(nèi)偏析，Mn的濃度在枝晶的中心部位低，而在邊緣部位高，當冷加工產(chǎn)品存在明顯的Mn偏析時，在退火后易形成粗大晶粒[9]。（質(zhì)量分數(shù)%）牌號SiFeCuMnMgZn3003~~3004~~3005~~3105~~ 鋁錳二元相圖從Godeeke和Koster給出的鋁錳二元相圖[6]中可以看出：隨著合金中錳含量的降低，合金熔點逐漸下降，基本下降到共晶溫度6580C，%左右的變形性鋁錳合金，在這個Mn含量主要經(jīng)歷的是鋁錳間共晶作用。由于本文的需要，主要研究變形鋁合金內(nèi)容。在我國干旱的地區(qū)使用大量的節(jié)水灌溉部件，每年因摩擦所造成的磨損很大，我們希望在不久的將來由顆粒增強鋁基復(fù)合材料制成的節(jié)水灌溉部件。本論文主要是結(jié)合國家自然基金項目“高礦化度水質(zhì)下三氧化二鋁顆粒增強鋁錳合金復(fù)合材料的沖蝕腐蝕機制研究”，批準號：（50861008），通過對顆粒增強鋁基復(fù)合材料的摩擦磨損性能進行了研究，初步分析了相關(guān)的實驗現(xiàn)象，為進一步的研究工作奠定基礎(chǔ)。在這種背景下，顆粒增強鋁基復(fù)合材料以其具有高比強度、比剛度、低熱膨脹系數(shù)、良好耐磨性能等優(yōu)異性能受到各國科研機構(gòu)及人們的廣泛關(guān)注和研究。至今，在很多實際應(yīng)用中，亦有不俗的表現(xiàn)，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。本文通過研究鋁錳合金以及以它為基體添加Al2O3作為增強體制備的顆粒增強鋁基復(fù)合材料的摩擦磨損性能，了解材料的摩擦磨損行為以及磨損機制，分析影響材料摩擦磨損性能的主要因素，以期尋找提高材料摩擦磨損性能的途徑，擴展材料的使用領(lǐng)域。純鋁的力學性能不高，不適宜制作承受較大載荷的結(jié)構(gòu)零件。變形鋁合金主要通過熔煉注成鑄錠后，再經(jīng)熱擠壓加工形成各種型材、棒材、管材和板材來使用?！婀簿囟葧r，%，隨著錳含量的增加，AlMn合金強度不斷增加，同時AlMn合金是非時效硬化合金，即不可熱處理強化[7]?？偟膩碚f，%~%范圍里，這樣錳元素的加入還可以提高鋁合金的力學性能而又不會使鋁合金的耐蝕、導電、導熱性、加工性和抗腐蝕性等下降，所以AlMn合金也被廣泛地應(yīng)用于包裝材料、熱交換材料、感光材料、裝飾材料、焊接材料等各個方面[3]。%%Fe，但Fe+%，可以有效地細化板材退火的晶粒，否則，形成大量的粗大片狀（FeMn）Al6化合物，會顯著降低合金的力學性能和工藝性能。Cu：%%Cu，可以顯著提高其抗拉強度，但含量少量的Cu（%），便能使合金的耐蝕性能降低，%以下。（2） 晶粒細化晶粒細化是對材料的綜合性能提高有積極的作用，為了改善和提高鋁錳合金的性能,開發(fā)了多種晶粒細化的方法。加細化劑AlTiB中間合金時,合金中的金屬間粒子TiAlTiB2和(Al,Ti)B2起異質(zhì)形核中心的作用,最終形成細小的等軸晶,這些粒子的大小及分布對合金的細化能力起著決定性的作用。由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的單一材料,經(jīng)一定的復(fù)合方法所得到多相材料稱作復(fù)合材料[15]，而鋁基復(fù)合材料主要是以鋁合金為基體相中加入增強相。由于理論和技術(shù)的日漸成熟，鋁基復(fù)合材料產(chǎn)品在一些領(lǐng)域已經(jīng)商業(yè)化或正在商業(yè)化開發(fā)。1983年日本豐田公司利用Al2O3∕Al復(fù)合材料制備了發(fā)動機活塞[16]，比傳統(tǒng)鑄鐵發(fā)動機活塞重量減輕了5%10%，熱導性提高了4倍，開啟了鋁基復(fù)合材料進入汽車工業(yè)的大門，開始大力研究鋁基復(fù)合材料的活塞、缸套、連桿和銷釘?shù)炔考?061Al合金/石墨纖維P100板材擴散連接而成的Gr/Al復(fù)合材料Hubble太空望遠鏡的高增益天線懸架。(3)在電子器件、精密儀器和光學儀器中的應(yīng)用：SiC／Al基復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)和密度低，導熱性能良好，因此己用來制造電子器材、散熱片等電子器件。到目前為止，已經(jīng)有很多的工藝方法來制備鋁基復(fù)合材料，相對的還比較完善。 （1）粉末冶金法：它是最早用來制備金屬基復(fù)合材料的方法，該方法的原理是將經(jīng)篩分、混合、冷壓固結(jié)、除氣的增強顆粒物與基體金屬粉末充分混合后再經(jīng)過燒結(jié)、熱擠壓或軋制變形制成零部件的方法[27]。（2）攪拌鑄造法：它是近年來使用最為廣泛的制備方法之一。丁文江[31]等人將SiC顆粒加入到鋁液中在固液兩相區(qū)內(nèi)攪拌，制造成SiC顆粒增強A1基復(fù)合材料，測試結(jié)果表明，該復(fù)合材料具有良好鑄造性能，高力學性能，優(yōu)良耐磨性能等優(yōu)點。由于具有極高的冷卻速度，很大程度上可以避免了增強顆粒與基體金屬的界面反應(yīng)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。但是該工藝要求加入強化相的反應(yīng)元素量要精確，需要嚴格工藝要求使反應(yīng)生成強化相，這一工藝過程掌握難度大[38]。對于鋁基復(fù)合材料，Si0A120纖維、晶須等增強的鋁基復(fù)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(yīng)用于剎車盤、活塞等：如美國Duralcan公司已用SiCp/Al復(fù)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(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]。并通過相應(yīng)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(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(chǔ)。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?？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(nèi)部因素(如基體組織、增強相性質(zhì)等)，同時對于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候缺乏統(tǒng)一的認識，因此，需要更進一步的研究。Alpas通過對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，復(fù)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(chǎn)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(chǎn)生的熱量大幅度增加，使得摩擦副的表面溫度急劇升高，材料軟化嚴重，磨損率急劇增加，主要磨損機制為粘著和剝層磨損。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。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(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。(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)合材料摩擦面上細微凸起物，起到了對鋁基復(fù)合材料表面犁削作用和塑性擠壓變形的磨損現(xiàn)象。高磨損區(qū)Hm 。該機制隨著摩擦產(chǎn)生的顆粒使得磨損從二體磨損轉(zhuǎn)向三體磨損。所以，鋁基復(fù)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。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:￠。（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（%）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。（5）硬度計型號：HR150布洛維硬度計；HX1000B視頻顯示維氏顯微硬度計。（8）沖擊試驗機型號：JB30A ， 規(guī)格：沖擊能量30/15公斤米。這種方法中，攪拌溫度、攪拌時間直接影響著復(fù)合材料的氣孔率，需提出有效的具體制備工藝流程；保護基體金屬液的氧化、除氣，加入除氣劑精煉劑的MnCl2。試驗中為了均勻材料的化學成分及組織，細化晶粒，消除內(nèi)應(yīng)力，從而獲得近于平衡狀態(tài)的組織，特采用300℃退火保溫1小時，隨爐冷卻的熱處理工藝。（3）沖擊韌性測試：試驗中采用JB30A沖擊試驗機測試材料的沖擊韌性，產(chǎn)生的斷口通過LED1430VP型掃描電鏡(SEM)觀察獲得斷口形貌。第四章 %Mn復(fù)合材料及其合金成分組織及機械性能 在材料的研究試驗中，對材料成分及組織結(jié)構(gòu)的觀察研究是必不可少的部分。這種制備方法主要通過長時間的攪拌解決增強相與基體的界面問題，使增強相能過比較均勻的分布與基體中。本文中利用能譜分析儀測定試驗中所制備的AlMn合金，可以通過圖31面掃描圖譜圖及表31，能知道合金中主要有Al 、Mn、O三種元素，%、%、%（取3個譜圖的平均值）；%Mn含量與設(shè)計的1%相差不大，%Mn（1）。從表中可以看出其它元素的變化不大，為對比研究提供了一個前提；而氧的含量出現(xiàn)比較大的增幅，這是由于加入的Al2O3顆粒所含氧元素的介入。外來的Al2O3顆粒使基體合金在凝固中異質(zhì)形核，晶體更加的細??；并且影響鋁錳間化合物析出和基體中分布，使其形成比較均勻分布，而不是呈現(xiàn)網(wǎng)格狀（如圖35）；Al2O3顆粒分布均勻，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的孔洞和顆粒團聚現(xiàn)象。：（1）均勻分布于鋁錳合金的增強相Al2O3顆粒由于自身的強度和硬度都很高，可承受一定比例的外應(yīng)力，它的加入提高復(fù)合材料的強度；（2）在凝固過程中，外質(zhì)Al2O3顆粒引起到了非平衡凝固的作用，一定程度上導致鋁基體晶粒細化而強化了復(fù)合材料；（3）由于Al2O3顆粒的存在勢必引起基體晶格的畸變, 而在發(fā)生局部塑性變形時Al2O3顆粒阻礙了位錯運動，產(chǎn)生位錯塞積，位錯運動和繼續(xù)增殖困難，從而使復(fù)合材料獲得強化[6061]。圖339分別為2試樣沖擊斷口的掃描電鏡照片。所以相對于合金，復(fù)合材料的沖擊韌性有所下降，不過還保持著較好的韌性。%Mn復(fù)合材料的沖擊韌性相對于合金有所下降但是不大，還保持著良好的塑性，也可以中斷口形貌看出。對磨材料磨損量采用精度為0．1mg的電子天平分別測量磨損前后質(zhì)量而得；利用式（42）計算材料的質(zhì)量磨損率。 實驗結(jié)果與分析 載荷對材料干滑動摩擦磨損率影響及研究表41 A00試樣、1試樣及2試樣在各載荷下干磨摩擦42min后的質(zhì)量磨損率數(shù)據(jù)載荷 N 編號20 50 80 110 140質(zhì)量磨損率（g/m）0 1 2 圖42 A00試樣、1試樣及2試樣在干磨摩擦42min后的質(zhì)量磨損率隨載荷的變化曲線從質(zhì)量磨損率（表41）和變化曲線（圖42）都可以看出，在載荷為20N140N的范圍內(nèi)，隨載荷的增加，三種材料的質(zhì)量磨損率都有不同程度的增加。這說明隨著載荷的增加，在80N以后，合金的磨損機制發(fā)生了變化使其質(zhì)量磨損率明顯上升；而復(fù)合材料表現(xiàn)優(yōu)異的耐磨性能，Al2O3顆粒的加入，不但降低了復(fù)合材料的磨損率，提高耐磨性，同時也推遲了高載荷條件下嚴重磨損的發(fā)生，有效地改善了復(fù)合材料在較高載荷下的耐磨性。圖44 AlMn合金（1）及其