【正文】 載荷 、摩擦 時(shí)間 對(duì)材料濕磨蝕摩擦系數(shù)的 影響及研究 圖 54 AlMn合金（ 1）及其復(fù)合材料（ 2）在 50N、 80N、 110N、 140N下濕磨蝕 磨摩擦系數(shù)與載荷 的變化曲線 從圖 54 中可以看出： 1試樣（鋁錳合金）和 2試樣（復(fù)合材料）在濕磨下的摩擦系數(shù)隨著載荷的變化曲線和干磨的情況相差不大 ， 隨著載荷的增加，兩種材料的摩擦系數(shù)都是一定程度的增加，同樣 2試樣（復(fù)合材料）在各載荷下都低于 1試樣， 隨載荷的增幅也沒有 1試樣的增幅那么大， 表明 %Mn 復(fù)合材料在濕磨下也表現(xiàn)良好的耐磨性能。上述一系列原料充分的混合制成帶磨粒高礦化水溶液 。 （ 2） A00 鋁、 %Mn 合金 、 Al2O3 顆粒增強(qiáng) %Mn 復(fù)合材料 在室溫干磨下的摩擦磨損性能與 載荷、 時(shí)間等試驗(yàn)因數(shù)有著重要聯(lián)系。而復(fù)合材料由于還有 Al2O3 顆粒的存在，增加摩擦面上硬質(zhì)增強(qiáng)相的密集度， 再說 Al2O3 顆粒在硬度上遠(yuǎn)好于鋁錳間化合物，并且在組織中也更加細(xì)小，組織間結(jié)合也更好，能夠很大程度 上分享承受的載荷，減緩了應(yīng)力集中，減輕了亞 表層塑性變形程度， 也出現(xiàn)輕度的 剝層磨損 ，但是 磨損機(jī)制還是以磨粒磨損為主， 所以 Al2O3 顆粒的加入 起到了改善復(fù)合材料耐磨性及推遲復(fù)合材料向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變的作用。 35 材料 干磨時(shí) 磨損面形貌及磨損機(jī)理分析 從圖 2（ a）可以看出， A00 試樣在 80N 載荷下 經(jīng)歷了 42min 的滑動(dòng)摩擦以后，磨損面存在較多的犁溝和表層材料脫落留下的大面積凹坑，說明在磨損過程中，純鋁試樣接觸點(diǎn)處于塑性流動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)摩擦產(chǎn)生的閃熱，使純鋁和磨輪材料產(chǎn)生粘著，試驗(yàn)結(jié)束后可以通過肉眼觀 察對(duì)磨偶件表面覆 蓋一層鋁，說明這一過程以粘著磨損為主要磨損機(jī)制； 從圖 2（ b、 c）可以看出， 1試樣（鋁錳合金）和 2試樣（復(fù)合材料） 在 80N 載荷下經(jīng)歷 42min 后的 磨損面也都存在一些犁溝和凹坑 c，但是磨損表面較為光滑，犁溝較淺，凹坑比較少，可以觀察到輕微的塑性變形流動(dòng)跡象，這說明了合金和復(fù)合材料的磨損性能都優(yōu)于純鋁。 33 圖 44 AlMn合金（ 1）及其復(fù)合材料（ 2）在 80N載荷下干磨摩擦系數(shù)與摩擦?xí)r間 的變化曲線 在 80N載 荷下，隨著摩擦?xí)r間推移，兩種材料的摩擦系數(shù)比較接近，而且都是慢慢的下降到某一穩(wěn)態(tài)值，以后 變化 的都很少 ，保持 比較的 平穩(wěn)，此時(shí)說明了在較低的載荷 下，兩種材料進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 載荷 對(duì)材料干 滑動(dòng) 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(hào) 20 50 80 110 140 質(zhì)量磨損率（ g/m） 0 1 2 20 40 60 80 100 120 14001234567質(zhì)量磨損率e5（g/m）載荷 （ N ）A0 012 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 。Al2O3顆粒 增強(qiáng) %Mn復(fù)合材 料 的 沖擊韌性 相對(duì)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。 圖 3 39 分別為 2試樣 沖擊斷口的掃描電鏡照片。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(xì)小；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(tuán)聚現(xiàn)象。本文中利用 能譜分析儀測(cè)定試驗(yàn)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， 并且他們的 重量百分比分別為 %、 %、 %（取 3 個(gè)譜圖的平均值）； %Mn 含量與設(shè)計(jì)的 1%相差不大，本文就定義這種合金為 %Mn（ 1）。 22 第 四 章 %Mn 復(fù)合材料 及其 合金 成分組織及機(jī)械性能 在材料的研究試驗(yàn)中，對(duì) 材料成分及組織結(jié)構(gòu) 的觀察研究是必不可少的部分。 21 試驗(yàn)中為了均勻材料的化學(xué)成分及組織，細(xì)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(shí)，隨爐冷卻的熱處理工藝。 20 （ 9）拋光機(jī)，讀數(shù)顯微鏡，石墨坩 堝，澆鑄模具等其它常用工具。 （ 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： 千瓦，最高控制溫度： 900 攝氏度。 該磨損機(jī)制與載荷、 17 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)。 基于拉賓諾維奇和摩爾等人 [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： 11 2 3V K K K PH ?? （ 22） 式中： 1K 為磨損粒子形成的總的幾率； 2K 為是當(dāng)磨損粒子形成時(shí)磨溝體積的比率； 3K 為磨粒的形狀因子； P 為單位面積上的載荷； H 為材料表面的硬度。 (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并轉(zhuǎn)移到 另一個(gè)表面的現(xiàn)象。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。 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。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]。 10 (4)原位復(fù)合法： 它是由高溫自蔓延技術(shù)不斷的發(fā)展而演變過來的， 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]。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]。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 )。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 。 (1)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用： 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對(duì)材料的性能的要求越來越高，具有良好的機(jī)械性能還保持材料輕量化的特點(diǎn)。 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。 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。 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。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)有過多的脆性第二相，影響合金的冷熱加工工藝性能 [3]。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)揮著越來越重要的作用。 1 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。對(duì)于航空航天、先進(jìn)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(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]。 表 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 3A21 AlMg 5A05 可熱處理強(qiáng)化鋁合金 硬鋁 AlCuMg 力學(xué)性能高 2A1 2A12 超硬鋁 AlCuMgZn 室溫強(qiáng)度最高 7A0 7A09 鍛鋁 AlMnSiCu 鍛造性能好 耐熱性能好 2A1 2A50 2A70、 2A80 AlCuMgFeNi 在鋁 合金 系列 中， 3XXX系 Al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 ， 常見的 3XXX系 Al合金 的牌號(hào)和化學(xué)成分 如表 所示 [4]。 近些年來 ， 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) 開發(fā)利用取得了深層次的、多方面 的發(fā)展。但同時(shí)也損害了退火材料的表面光澤。 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。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 用于汽車工業(yè) 。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%。具體的制備 工藝方法如圖 12。其原理主要是通過 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]。 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]。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。 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)過程中的磨損形式，不屬于材料固有特性。 /距離 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。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。 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)。 有研究 [59]得出簡(jiǎn)單的剝層磨損計(jì)算公式： 4 (1 ) bGbh ? ? ?? ? （ 23） 式中： h 為磨屑厚度； G 為剪切彈性模量； ? 為材料波桑比； b? 為表面摩擦應(yīng)力； b 為柏氏矢量。 （ 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。 復(fù)合材料 及其鋁錳合金 的 試樣 制備 首先按材料中錳含 量為 1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 的比例來稱量相應(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。隨后按照實(shí)驗(yàn)所需將三種材料切割成一定尺寸外形的小式樣以備下一步試驗(yàn)。由于材料 成分和組織結(jié)構(gòu) 直接影響著材料的各種性能，同時(shí)材料性能的變化就有相應(yīng)的組織成分的變化，從而可以得到相關(guān)的機(jī)理。 其中的氧為外來雜 23 質(zhì)，可能是在鑄造 或 澆鑄過程中 鋁的氧化和表面形成一些氧化物（主要） 。 25 圖 35 2試樣（ %Mn 基復(fù)合材料）的掃描電鏡照片30 40 50 60 70 80?mmmmmmMMMMM ??AAAA ?? /( ? )Intensity/CPSA: Al? ??? ? ? Al2O3M :M n Al6m :Al11Mn4 圖 36 2試樣（ %Mn 基復(fù)合材料） X 射線