【正文】 近于純鋁，而復(fù)合材料比較緩和的增加。圖41 M22000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)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(duì)磨環(huán))的外半徑（cm）；T—摩擦力矩（）；L—負(fù)荷（N）。試驗(yàn)都是在室溫下進(jìn)行，試樣尺寸8mmⅹ8mmⅹ30mm，對(duì)磨材料為45鋼，尺寸￠40mmⅹ10mm，表面硬度48～52HRC，磨損時(shí)間42min，摩擦副轉(zhuǎn)速200r/min,磨損試驗(yàn)測(cè)試了載荷分別在50、80、110和140N下，材料的磨損性能；試驗(yàn)結(jié)束后試樣經(jīng)丙酮清洗、干燥。（2）由于高硬度且細(xì)小的Al2O3顆粒增強(qiáng)相的加入，能夠?yàn)榛w材料承受很大的外部應(yīng)力，相對(duì)于合金，復(fù)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(fù)合材料）的斷口形貌 500X從圖3311中可以看出，在電鏡下進(jìn)一步放大觀察1（%Mn合金）試樣和2（%Mn基復(fù)合材料）試樣的沖擊斷口形貌，1（%Mn合金）的斷口形貌沒(méi)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(xì)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(shí)錳又起到細(xì)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(fù)合材料）的沖擊韌性低于1試樣，說(shuō)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(duì)于A00試樣（純鋁），合金和復(fù)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(shí)影響著材料塑性的變化。相對(duì)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(yīng)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(fù)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(cè)出δAl2O3顆粒的存在。由于其含量少量，因此不會(huì)對(duì)材料的性能產(chǎn)生顯著的影響。對(duì)于這類材料其各項(xiàng)組織成分及機(jī)械性能的研究提供一些數(shù)據(jù)，并為對(duì)其實(shí)際應(yīng)用有著重大的理論指導(dǎo)意義。在加入定量的元素材料下，材料制備工藝對(duì)于材料的組織結(jié)構(gòu)及性能是主要的影響因數(shù)，對(duì)于復(fù)合材料而言，影響因數(shù)還有增強(qiáng)相與基體的潤(rùn)濕性和界面反應(yīng)。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(yàn)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?jǐn)?shù)）的比例來(lái)稱量相應(yīng)的材料，準(zhǔn)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(qiáng)鋁錳基復(fù)合材料試樣。米。（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。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。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。 (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。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(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。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。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。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。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]。 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。（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。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。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]。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]。 (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(fù)合材料制備工藝，最初是由20世紀(jì)70年代初Swansea大學(xué)Singer教授開(kāi)發(fā)，由 Osprey Metals公司投入生產(chǎn)應(yīng)用[34]。其原理主要是通過(guò)一定速度的攪拌使顆粒增強(qiáng)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(qiáng)復(fù)合材料的一種制備工藝[30]。在我國(guó)由馬宗義、畢敬[28]等人初步的研究了粉末法制備工藝對(duì)SiCp/Al復(fù)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(qiáng)度。具體的制備工藝方法如圖12。此外，現(xiàn)己用復(fù)合材料制造出了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精密零件、旋轉(zhuǎn)掃描鏡、紅外觀測(cè)鏡、激光鏡、激光陀螺儀、反射鏡、鏡子底座和光學(xué)儀器托架等精密儀器和光學(xué)儀器[25]。美國(guó)ARCO化學(xué)公司所屬的先進(jìn)復(fù)合材料分公司ACMC生產(chǎn)的30%35%。由于鋁基復(fù)合材料像鋁合金一樣具有良好的耐腐蝕性，我國(guó)正利用鋁基復(fù)合材料于摩托車(chē)剎車(chē)箍上,可以減少因腐蝕而減低剎車(chē)效率，同時(shí)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(duì)應(yīng)的鋁基復(fù)合材料也保持輕質(zhì)的特點(diǎn)，同時(shí)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(qiáng)和短纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料被廣泛得用于汽車(chē)工業(yè)?？v觀鋁基復(fù)合材料的發(fā)展，從增強(qiáng)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(qiáng)相加入的方式看，最先研究的是強(qiáng)制加入，到后來(lái)的原位生成，制造技術(shù)難度也越來(lái)越大，材料綜合性能越優(yōu)良[16]。其原理是利用兩個(gè)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(yīng)變。一般加入到鋁錳合金中細(xì)化劑主要是AlTi合金、AlTiB合金等。但同時(shí)也損害了退火材料的表面光澤。若合金中Fe和Si同時(shí)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(lái)，隨著進(jìn)一步的研究，鋁錳合金的性能得到進(jìn)一步的提高，同時(shí)開(kāi)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(guò)程，提高再結(jié)晶溫度，形成MnAl6化合物彌散質(zhì)點(diǎn)對(duì)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大起阻止作用，同時(shí)也起到細(xì)化再結(jié)晶晶粒。 主要的變形鋁合金的成分、特點(diǎn)及型號(hào)[4]變形鋁合金不能熱處理強(qiáng)化鋁合金防銹鋁AlMn抗蝕性、壓力加工與焊接性能好、但強(qiáng)度較低3A21AlMg5A05可熱處理強(qiáng)化鋁合金硬鋁AlCuMg力學(xué)性能高2A12A12超硬鋁AlCuMgZn室溫強(qiáng)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(yīng)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(duì)于航空航天、先進(jìn)武器系統(tǒng)、醫(yī)療器械、汽車(chē)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(qiáng)鋁基復(fù)合材料亦有不俗的表現(xiàn)，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[3]。同時(shí)隨著國(guó)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(jī)具、管材、灌水器、過(guò)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(lái)的配套設(shè)備都存在沒(méi)有很好的穩(wěn)定摩擦性能，使用壽命都比較短等缺點(diǎn)，尤其是在我國(guó)條件惡劣的干旱地區(qū)使用時(shí)段時(shí)間內(nèi)就要更換，大大地增加成本，對(duì)于發(fā)展一系列低成本、高性能、壽命長(zhǎng)的新型材料是國(guó)家迫切的要求。鋁錳合金應(yīng)用及研究現(xiàn)狀畢業(yè)論文第一章 緒論隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)材料綜合性能的要求越來(lái)越高，尤其在航空航天、汽車(chē)工業(yè)、精密儀器等工業(yè)領(lǐng)域。我們這里主要顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在較高抗腐蝕性和耐磨性上的應(yīng)用，主要表現(xiàn)在將鋁基復(fù)合材料應(yīng)用在輸送管道和剎車(chē)輪、活塞等需要搞耐磨性的重要部件。目前顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在軍用和民用領(lǐng)域正在發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。為了提高鋁的力學(xué)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(diǎn)，而力學(xué)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(huì)有過(guò)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(qiáng)度是隨著Mn含量的增加而提高，%~%的Mn，因?yàn)檫@時(shí)不但AlMn合金具有高強(qiáng)度，而且有良好的塑性和工藝性能；%時(shí)，采用常用鑄造方法制備的AlMn合金會(huì)形成粗大、硬脆的Al6Mn化合物,其力學(xué)性能和塑性急劇下降，嚴(yán)重得影響合金的機(jī)械性能和加工工藝性能[8]；當(dāng)Mn含量過(guò)低則會(huì)明顯降低制品的力學(xué)性能。 鋁錳合金的研究進(jìn)展由于鋁錳系合金特點(diǎn)，生產(chǎn)和生活中應(yīng)用很廣。Si：Si是有害雜質(zhì)，Si與Mn形成復(fù)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(xì)化鋁錳合金退火后的晶粒，并稍許提高其抗拉強(qiáng)度。至今，主要的晶粒細(xì)化方法有：外來(lái)形核質(zhì)點(diǎn)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(dòng)、徑轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)法等)[1213]。在這一些方法中，對(duì)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(zhǎng)補(bǔ)短，由高強(qiáng)度、高模量的強(qiáng)化相來(lái)提高鋁合金的硬度，耐磨和耐高溫等性能，同時(shí)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(xué)性能。(1)在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用：隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，對(duì)材料的性能的要求越來(lái)越高，具有良好的機(jī)械性能還保持材料輕量化的特點(diǎn)。利用SiCP/Al或SiC/Al復(fù)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(fù)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(wú)壓滲透法制備的碳化硅顆粒/鋁基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率可高達(dá)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(yīng)用到歐洲“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)、EA6B“徘徊者”預(yù)警機(jī)、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(cè)器等航天器中。美國(guó)亞利桑那大學(xué)研制了一種超輕空間望遠(yuǎn)鏡，采用SiC／A1復(fù)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(jī)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(jì)70年代，美國(guó)DWA復(fù)合材料專業(yè)公司就開(kāi)始研究利用粉末冶金工藝生產(chǎn)SiCp增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，現(xiàn)已達(dá)到商品化。還可以根據(jù)攪拌時(shí)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(guò)程中的溫度、加入增強(qiáng)顆粒大小和數(shù)量、增強(qiáng)相與基體金屬液濕潤(rùn)性問(wèn)題都對(duì)復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)有很大的影響，使材料在制備的過(guò)程中很容易吸氣而形成氣孔等現(xiàn)象，嚴(yán)重的影響該方法制備的復(fù)合材料的性能。 (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]。 幾