【正文】 近于純鋁，而復合材料比較緩和的增加。圖41 M22000型摩擦磨損試驗機示意圖 (41)式中：α—上、下試樣的接觸角，角α=；B—上試樣磨痕寬度（cm）；R—下試樣(對磨環(huán))的外半徑（cm）；T—摩擦力矩（）；L—負荷（N）。試驗都是在室溫下進行，試樣尺寸8mmⅹ8mmⅹ30mm，對磨材料為45鋼，尺寸￠40mmⅹ10mm，表面硬度48～52HRC，磨損時間42min，摩擦副轉(zhuǎn)速200r/min,磨損試驗測試了載荷分別在50、80、110和140N下，材料的磨損性能；試驗結(jié)束后試樣經(jīng)丙酮清洗、干燥。（2）由于高硬度且細小的Al2O3顆粒增強相的加入，能夠為基體材料承受很大的外部應力，相對于合金，復合材料的硬度提高了很多，%。圖38 1（%Mn合金）的斷口形貌 500X圖39 2（%Mn基復合材料）的斷口形貌 500X從圖3311中可以看出，在電鏡下進一步放大觀察1（%Mn合金）試樣和2（%Mn基復合材料）試樣的沖擊斷口形貌，1（%Mn合金）的斷口形貌沒有呈現(xiàn)明顯地由條塊狀的硬質(zhì)脆性相鋁錳化合物MnAlAl11Mn4呈現(xiàn)的溝壑狀，%左右，產(chǎn)生的鋁錳間化合物都是比較細小且均勻分布，兩種材料還是呈現(xiàn)很明顯的塑性變形斷口，同時錳又起到細化晶粒的作用，提高了材料的沖擊韌性，如表33所示。其中1試樣（%Mn合金）的沖擊韌性最高；2試樣（%Mn基復合材料）的沖擊韌性低于1試樣，說明Al2O3顆粒的加入一定程度上影響了材料的韌性，有變脆的傾向，但是下降的不是很大，還表現(xiàn)良好的塑性；相對于A00試樣（純鋁），合金和復合材料的沖擊韌性表現(xiàn)的明顯地高，錳元素和Al2O3顆粒都同時影響著材料塑性的變化。相對于A00試樣，1中存在一些比較硬的MnAl6和Mn4Al11化合物，可以承受部分應力，提高了合金的硬度，1試樣的退火硬度比A00鋁提高了20%；而由于Al2O3顆粒的加入，2（復合材料）試樣的硬度又明顯高于1（合金），比合金又提高了25%。圖33 1試樣（%Mn合金）的掃描電鏡照片圖34 1試樣（%Mn合金）X射線衍射圖譜 從圖（36）中可以看出在制備的2試樣中存在MnAl6和MnAl11兩種鋁錳間化合物，還檢測出δAl2O3顆粒的存在。由于其含量少量，因此不會對材料的性能產(chǎn)生顯著的影響。對于這類材料其各項組織成分及機械性能的研究提供一些數(shù)據(jù)，并為對其實際應用有著重大的理論指導意義。在加入定量的元素材料下，材料制備工藝對于材料的組織結(jié)構(gòu)及性能是主要的影響因數(shù)，對于復合材料而言，影響因數(shù)還有增強相與基體的潤濕性和界面反應。摩擦副材料用45鋼，尺寸為￠40mmⅹ10mm，經(jīng)油淬熱處理，表面硬度為48～52HRC。（1）試驗中采用OXFORD2000型能譜分析儀分析微區(qū)成分；LED1430VP型掃描電鏡(SEM)觀察所獲材料的組織。鋁錳合金：將所需的A00鋁錠放入井式電阻爐熔化加熱至860℃，扒渣后加入金屬錳粉粒，用石墨棒連續(xù)攪拌10分鐘，%的除氣劑六氯乙烷、精煉劑MnCl2粉末，攪拌、降溫、澆注成形。首先按材料中錳含量為1%（質(zhì)量分數(shù)）的比例來稱量相應的材料，準備好所有材料，隨后制備三種材料，即純鋁試樣、鋁錳合金試樣和Al2O3顆粒增強鋁錳基復合材料試樣。米。（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。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(zhì)量分數(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OXFORD2000型能譜分析儀得到圖1和表2。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。 (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(chǎn)生的。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)。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(guān)系大致可分為三個區(qū)域[53]：低磨損區(qū)Hm()Ha。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(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。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。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(shè)備在長時間的運轉(zhuǎn)下，零件難免由于摩擦磨損而失效。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]。 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。（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。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(chǔ)上產(chǎn)生許多關(guān)于復合材料摩擦、磨損及潤滑的重要理論。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(lǐng)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]。由于強化相是基體內(nèi)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(jié)合能力，是材料具有良好的熱力學性能[37]。 (3)噴射沉積法：噴射沉積技術(shù)(VCM)[33]是一種嶄新較為成熟的鋁基復合材料制備工藝，最初是由20世紀70年代初Swansea大學Singer教授開發(fā)，由 Osprey Metals公司投入生產(chǎn)應用[34]。其原理主要是通過一定速度的攪拌使顆粒增強相與基體金屬液混合均勻, 然后澆鑄成型，從而得到高綜合性能的顆粒增強復合材料的一種制備工藝[30]。在我國由馬宗義、畢敬[28]等人初步的研究了粉末法制備工藝對SiCp/Al復合材料性能的影響，發(fā)現(xiàn)了采用封閉非真空熱壓制備材料可以提高其強度。具體的制備工藝方法如圖12。此外，現(xiàn)己用復合材料制造出了慣性導航系統(tǒng)的精密零件、旋轉(zhuǎn)掃描鏡、紅外觀測鏡、激光鏡、激光陀螺儀、反射鏡、鏡子底座和光學儀器托架等精密儀器和光學儀器[25]。美國ARCO化學公司所屬的先進復合材料分公司ACMC生產(chǎn)的30%35%。由于鋁基復合材料像鋁合金一樣具有良好的耐腐蝕性，我國正利用鋁基復合材料于摩托車剎車箍上,可以減少因腐蝕而減低剎車效率，同時取得了減輕重量的效果。由于鋁合金是傳統(tǒng)的輕質(zhì)材料，相對應的鋁基復合材料也保持輕質(zhì)的特點，同時還具有需要良好發(fā)熱耐磨、抗腐蝕、耐熱和尺寸穩(wěn)定性，所以現(xiàn)在的顆粒增強和短纖維增強的鋁基復合材料被廣泛得用于汽車工業(yè)。縱觀鋁基復合材料的發(fā)展，從增強相看，最先研究的是硬質(zhì)顆粒（SiC顆粒、WC顆粒、A1203顆粒等），再次為晶須和纖維（C纖維、SiC晶須等）；從增強相加入的方式看，最先研究的是強制加入，到后來的原位生成，制造技術(shù)難度也越來越大，材料綜合性能越優(yōu)良[16]。其原理是利用兩個相交的等徑通道組成的擠壓模具，使金屬獲得最大的塑性純剪切應變。一般加入到鋁錳合金中細化劑主要是AlTi合金、AlTiB合金等。但同時也損害了退火材料的表面光澤。若合金中Fe和Si同時存在,則先形成骨骼狀α相(Al12Mn3Si2)或針狀β相(Al9Fe2Si2),破壞了鐵的有利影響。近些年來，隨著進一步的研究，鋁錳合金的性能得到進一步的提高，同時開發(fā)利用取得了深層次的、多方面的發(fā)展。有這一現(xiàn)象的主要原因是：錳元素能阻止鋁合金的再結(jié)晶過程，提高再結(jié)晶溫度，形成MnAl6化合物彌散質(zhì)點對再結(jié)晶晶粒長大起阻止作用，同時也起到細化再結(jié)晶晶粒。 主要的變形鋁合金的成分、特點及型號[4]變形鋁合金不能熱處理強化鋁合金防銹鋁AlMn抗蝕性、壓力加工與焊接性能好、但強度較低3A21AlMg5A05可熱處理強化鋁合金硬鋁AlCuMg力學性能高2A12A12超硬鋁AlCuMgZn室溫強度最高7A07A09鍛鋁AlMnSiCu鍛造性能好耐熱性能好2A12A502A70、2A80AlCuMgFeNi在鋁合金系列中，3XXX系A(chǔ)l合金也就是鋁錳系合金，應用的比較廣泛，錳是合金中唯一的主合金元素，[4]。鋁合金可以分為變形鋁合金和鑄造鋁合金[2]。對于航空航天、先進武器系統(tǒng)、醫(yī)療器械、汽車工業(yè)、電子工業(yè)、精密儀器以及和體育用品等方面，顆粒增強鋁基復合材料亦有不俗的表現(xiàn)，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益[3]。同時隨著國家的大興節(jié)水灌溉工程，需要大量的配套設(shè)備，包括噴灌機具、管材、灌水器、過濾器和防滲塑膜等，但是由普通鑄鐵、鋁合金、黃銅等傳統(tǒng)材料制備出來的配套設(shè)備都存在沒有很好的穩(wěn)定摩擦性能，使用壽命都比較短等缺點，尤其是在我國條件惡劣的干旱地區(qū)使用時段時間內(nèi)就要更換，大大地增加成本，對于發(fā)展一系列低成本、高性能、壽命長的新型材料是國家迫切的要求。鋁錳合金應用及研究現(xiàn)狀畢業(yè)論文第一章 緒論隨著科學技術(shù)不斷發(fā)展，現(xiàn)代社會對材料綜合性能的要求越來越高，尤其在航空航天、汽車工業(yè)、精密儀器等工業(yè)領(lǐng)域。我們這里主要顆粒增強鋁基復合材料在較高抗腐蝕性和耐磨性上的應用，主要表現(xiàn)在將鋁基復合材料應用在輸送管道和剎車輪、活塞等需要搞耐磨性的重要部件。目前顆粒增強鋁基復合材料在軍用和民用領(lǐng)域正在發(fā)揮著越來越重要的作用。為了提高鋁的力學性能，在純鋁中加入某些合金元素制成鋁合金，鋁合金仍保持純鋁的密度小和抗腐蝕好的特點，而力學性能比純鋁高的多[1]。常用變形鋁合金中合金元素含量比較低，這樣合金中就不會有過多的脆性第二相，影響合金的冷熱加工工藝性能[3]。雖然AlMn合金的強度是隨著Mn含量的增加而提高，%~%的Mn，因為這時不但AlMn合金具有高強度，而且有良好的塑性和工藝性能；%時，采用常用鑄造方法制備的AlMn合金會形成粗大、硬脆的Al6Mn化合物,其力學性能和塑性急劇下降，嚴重得影響合金的機械性能和加工工藝性能[8]；當Mn含量過低則會明顯降低制品的力學性能。 鋁錳合金的研究進展由于鋁錳系合金特點，生產(chǎn)和生活中應用很廣。Si：Si是有害雜質(zhì)，Si與Mn形成復雜三元相三元相T(Al12Mn3Si2),該相也能溶解Fe，形成（Al、Fe、Mn、Si）四元相。Mg：少量的Mg（=%）能顯著地細化鋁錳合金退火后的晶粒，并稍許提高其抗拉強度。至今，主要的晶粒細化方法有：外來形核質(zhì)點法(如添加AlTiB、AlTi、AlRE、AlB等)；內(nèi)生形核法(如快速凝固法、電磁作用、超聲波振動、徑轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)法等)[1213]。在這一些方法中，對于鋁合金,等徑轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)法是優(yōu)于其他方法。這樣可以各相之間相互協(xié)同、取長補短，由高強度、高模量的強化相來提高鋁合金的硬度，耐磨和耐高溫等性能，同時保存原有鋁合金的性能，綜合性地提高材料的物理性能和力學性能。(1)在汽車工業(yè)中的應用：隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對材料的性能的要求越來越高，具有良好的機械性能還保持材料輕量化的特點。利用SiCP/Al或SiC/Al復合材料成功地制造了上述的零件，其結(jié)果表明新型的鋁基復合材料在耐磨性能、降噪性能、散熱性能上均比原用材料有很大改善[1718]。采用無壓滲透法制備的碳化硅顆粒/鋁基復合材料的熱導率可高達180W/(m*K)，從而降低了電子模塊的工作溫度，減少了冷卻的需要，所以被廣泛的應用到歐洲“臺風”戰(zhàn)斗機、EA6B“徘徊者”預警機、ALE50型誘餌吊艙等航空器，以及摩托羅拉銥星、火星“探路者”和“卡西尼”深空探測器等航天器中。美國亞利桑那大學研制了一種超輕空間望遠鏡，采用SiC／A1復合材料制造行架，支架、和副鏡等，使重量大大減輕。主要[26]有：液態(tài)法(攪拌鑄造、擠壓鑄造等)、固態(tài)法(粉末冶金、機械合金化等)、雙相(固/液)法(噴射共沉積、半固態(tài)攪拌鑄造等)。從上世紀70年代，美國DWA復合材料專業(yè)公司就開始研究利用粉末冶金工藝生產(chǎn)SiCp增強鋁基復合材料，現(xiàn)已達到商品化。還可以根據(jù)攪拌時基體金屬的狀態(tài)，可分為全液態(tài)攪拌鑄造、半固態(tài)攪拌鑄造和攪熔鑄造[29]。研究表明[32]：攪拌過程中的溫度、加入增強顆粒大小和數(shù)量、增強相與基體金屬液濕潤性問題都對復合材料的組織結(jié)構(gòu)有很大的影響，使材料在制備的過程中很容易吸氣而形成氣孔等現(xiàn)象，嚴重的影響該方法制備的復合材料的性能。 (4)原位復合法：它是由高溫自蔓延技術(shù)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]。 幾