【正文】 衍射圖譜 部分機(jī)械性能 材料 硬度分析 表 32 試樣布氏硬度 試樣 A00 1 2 硬度 (HBS) 由表 （ 32） 可以看出 2試樣（ 復(fù)合材料 ）和 1試樣（合金 ） 的退火硬度分別為 ,明顯要比 A00試樣的退火硬度 ?？梢?jiàn)， 1試樣 （合金） 和 2試樣 （復(fù)合材料） 的 斷口面上都存在著大量韌窩和撕裂棱，撕裂棱細(xì)密、彎曲且相互纏結(jié)， 微觀形貌有河流花樣、舌狀花樣等， 具有延性斷裂特征。 30 第 五 章 %Mn 復(fù)合材料 在室溫下干滑動(dòng)摩擦磨損性能 試驗(yàn)材料及方法 摩擦磨損試驗(yàn)在 M220xx型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖 41所示。 但在各種載荷條件下， 2試樣（ Al2O3顆粒 增強(qiáng) 鋁錳復(fù)合材料）具有最低的磨 損率。這主要是因?yàn)椋涸诨瑒?dòng)磨損過(guò)程中， 摩擦表面的相互作用 主要是由比較硬質(zhì)的鋁錳間化合物或 Al2O3顆粒 承載著主要的載荷， 80N 載荷不足以破壞全部的硬質(zhì)顆粒，同時(shí)摩擦產(chǎn)生的部分磨粒引起各 自摩面間形成“機(jī)械混合層” 起到滑滾的作用 ，改變了摩擦面接觸形式，降低材料磨損率，隨后趨于穩(wěn)態(tài)。 （ a） A00 試樣 純鋁 （ b） 1試樣（鋁錳合金） 36 （ c） 2試樣（鋁錳復(fù)合材料） 圖 47 干態(tài)下，三種材料 在載荷 80N 時(shí)，磨損 42min 后的磨損面形貌照片 有這樣的結(jié)果主要是由于錳元素和 Al2O3 顆粒起到對(duì)基體材料的強(qiáng)化作用，合金和復(fù)合材料硬度都得到提高，使材料亞表面塑性變形減輕； 同時(shí)合金中由于錳元素的加入，產(chǎn)生了難磨掉的鋁錳間化合物，起到了承受載荷，限制對(duì)磨見(jiàn)與鋁基體直接接觸的作用，保護(hù)了較軟鋁材料；同樣復(fù)合材料是在合金的基體上有加入了細(xì)小的 Al2O3 顆粒，使得摩擦面上的載荷比較平均的被硬質(zhì)的 Al2O3 顆粒和鋁錳間化合物承受，保護(hù)著基體材料，提高材料的耐磨性，從而使磨損率和摩擦系數(shù)保持在低的水平。 （ a） A00 試樣 純鋁 39 （ b） 1試樣 鋁錳合金 （ c） 2試樣 復(fù)合材料 圖 49 干態(tài)下，三種材料 在載荷 140N時(shí)，磨損 42min后的磨損面形貌照片 總的來(lái)說(shuō)，純鋁在 80N載荷下，材料在摩擦副之間發(fā)生大面積轉(zhuǎn)移（主要是純鋁向?qū)δヅ技D(zhuǎn)移），如圖 41（ a） ,此時(shí)粘著磨損起到主要作用。 隨著載荷的增加， 三種材料 的磨損率和摩擦系數(shù)都會(huì)有不同程度的增加，其中 Al2O3 顆粒增強(qiáng) %Mn 復(fù)合 材料的增加幅度最??；隨著時(shí)間的推遲， %Mn 合金在較高載荷下的摩擦系數(shù)變得很不穩(wěn)定，而 Al2O3 顆粒增強(qiáng) %Mn 復(fù)合材料 在各載荷下 的摩擦系數(shù) 都是保持 先是上升再下降慢慢的趨于穩(wěn)定 。 實(shí)驗(yàn)方法 式樣磨蝕實(shí)驗(yàn)在 M220xx 型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行 ， 濕磨蝕 示意圖如圖 51 所示 ： 圖 51 濕磨蝕示意圖 磨蝕液隨著漏斗以一定速度滴下，保證了接觸面充滿磨蝕液，使式樣能在室溫 帶磨粒高礦化水環(huán)境下進(jìn)行磨蝕，試驗(yàn)其它條件及方法參見(jiàn) 。 45 圖 55 AlMn合金（ 1）及其復(fù)合材料（ 2）在 50N下濕磨蝕 磨摩擦系數(shù)與摩擦?xí)r間 的變化曲線 從圖 55 中可以看出： 在載 荷 50N 下， 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)在摩擦的前期基本相同， 隨著摩擦?xí)r間推移，兩種材料都是慢慢的下降到某一 比較 穩(wěn)態(tài) 的 值，以后 變化 的都很少 ，保持 比較的 平穩(wěn)，2試樣（復(fù)合材料）的穩(wěn)定摩擦系數(shù)要低于 2試樣（合金），說(shuō)明了在 50N 載荷下， %Mn 復(fù)合材料 的耐磨損性能對(duì)于在濕磨的情況下要優(yōu)于 %Mn合金，表現(xiàn)良好的耐磨性能。 由于 干磨下純鋁的磨損機(jī)制主要是粘著 磨損，而濕磨下，由于磨蝕液里含有的硬質(zhì)顆粒流入到摩擦表面之間，對(duì)基體產(chǎn)生 切削作用， 同時(shí)磨蝕液對(duì)基體的腐蝕作用， 44 隨著載荷增加，造成材料磨損比干磨也變的更加 嚴(yán)重； 從圖 5（ b、 c）中也可以看出： 1試樣（ 合金 ） 和 2試樣（ 復(fù)合材料 ）在 20N80N 較 低的載荷下 時(shí) ，濕磨蝕和干磨的質(zhì)量磨損率基本上相同，說(shuō)明在較低載荷下，腐蝕液及所含的顆粒沒(méi) 有加劇材料的磨損，兩種材料主要的磨損機(jī)制都是顆粒磨損；當(dāng)載荷在 80N以上是 ， 濕磨的變化 曲線明顯變陡，成 更加陡的直線型 增長(zhǎng)，明顯大于干磨的磨損率， 磨蝕液的 腐蝕作用和 所帶顆粒的 滑動(dòng)摩擦 作用 ，提前的破壞了摩擦面之間的 “機(jī)械混合層”，外部顆粒的一直加入，導(dǎo)致材料在濕磨蝕下 嚴(yán)重磨損。加入的磨粒大約為水溶液的 1%，其中 SiO2 占 70%、 Al2O3占 30%（中酸性巖石化學(xué)成分），試驗(yàn)?zāi)チ狭６葹?小于 ㎜。 , 本章小結(jié) 本章通過(guò)對(duì) A00 鋁、 %Mn 合金和 Al2O3 顆粒增強(qiáng) %Mn 復(fù)合材料的室溫下 干滑動(dòng)磨損率 、摩擦系數(shù)及磨損形貌的對(duì)比研究分析 ，得到以下的主要結(jié)論 ： （ 1） Al2O3 顆粒增強(qiáng) %Mn 復(fù)合材料在室溫干磨下的摩擦系數(shù)和磨損率都是三種材料中最低的，表明了 Al2O3 顆粒的加入 對(duì)復(fù)合材料的滑動(dòng)摩擦磨損性能提高起到了積極的作用。說(shuō)明合金的磨損機(jī)制為嚴(yán)重的剝層磨損機(jī)制。 總的來(lái)說(shuō)，在較高的載荷下，復(fù)合材料的耐磨性還是比較的良好，這是由于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。但是從圖中可以看出， 隨著載荷的增加 ，兩種材料的摩擦系數(shù)也有一定程度地 增加， 但是 2試樣（ 復(fù)合材料 ） 摩擦系數(shù) 隨載荷增幅明顯沒(méi)有 1試樣（ AlMn合金 ） 的增幅那么大，同時(shí)復(fù)合材料 在各載 荷下都低于合金摩擦系數(shù)，表現(xiàn)好于合金的耐磨性能 。 31 TPG LGI ?? (42) 式中： LTP—摩擦距離 ； ΔG—材料 磨損質(zhì)量 [62]。 （ 3）由于 外質(zhì) Al2O3顆粒 能 阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)， 導(dǎo)致 應(yīng)力集中，降低材料的塑性 。 我 通過(guò)下面分析可 得造成這種現(xiàn)象的原因。由于 2試樣是以 1試樣為基體的，所以 也 存在一定量硬脆的 MnAl6 和 Mn4Al11 化合物，但是 還 通過(guò)攪拌法 成功的加入了高硬度細(xì)小的 Al2O3 顆粒。 及其 合金 成分及顯微組織 材料 成分 （ 1） AlMn 合金成分 由于制備過(guò)程中材料的損耗問(wèn)題，最后材料的成分需要最后的測(cè)定。在相應(yīng)的磨損條件下，經(jīng)過(guò) 42mim的磨損時(shí)間后在電光分析天平上測(cè)其磨損量。 顆粒增強(qiáng)鋁錳復(fù)合材料：將所需的 00Al 鋁錠放入井式電阻爐熔化加熱至860℃ ，扒渣后加入金屬錳碎片，用石墨棒連續(xù)攪拌 10 分鐘，扒渣后加入 Al2O3顆粒繼續(xù)攪拌 10 分鐘，加入質(zhì)量百分含量為 %的除氣劑 MnCl2 粉末，攪拌、降溫、澆注成形。 （ 8）沖擊試驗(yàn)機(jī) 型號(hào)： JB30A ， 規(guī)格：沖擊能量 30/15 公斤米。 （ 3） Al2O3 顆粒成分 表 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。 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。高磨損區(qū) Hm 。 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，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 。 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。 從圖 下面可以看出， 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 兩 材料 表面的粗糙度、 材料性能、 負(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 。 對(duì)于 鋁 基復(fù)合材料， Si0 A120 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)用于剎車盤、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制動(dòng)盤、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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，采用高壓鑄造法使 Al 液滲入到裝有 A1203SiO2 短纖維的預(yù)制件環(huán)塊的行腔中制成纖維體積含量為 %～ %的 MMC，由于良好的耐磨性能，使活塞的使用壽命大大提高 [42]。由于具有極高的冷卻速度， 很大程度上 可以 避免了增強(qiáng)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(xì)小的等軸晶組織和優(yōu)良的綜合性能。 （ 2）攪拌鑄造法： 它是近年來(lái)使用最為廣泛的制備方法之一。到 目前 為止，已經(jīng)有很多的工藝方法來(lái)制備鋁 基復(fù)合材料， 相對(duì)的還比較完善。 7 6061Al 合金 /石墨纖維 P100 板材擴(kuò)散連接而成的 Gr/Al 復(fù)合材料 Hubble 太空望遠(yuǎn)鏡的高增益天線懸架。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(kāi)發(fā)。加細(xì)化劑 AlTiB中間合金時(shí) ,合 金中的金屬間粒子 TiAl TiB2和 (Al,Ti)B2起異質(zhì)形核中心的作用 ,最終形成細(xì)小的等軸晶 ,這些粒子的大小及分布對(duì)合金的細(xì)化能力起著決定性的作用。 Cu：合金中含有 %%Cu，可以顯著提高其抗拉強(qiáng)度， 但含量少量的Cu（ %）， 便能使合金的耐蝕性能降低，故合金中 Cu含量應(yīng)控制在 %以下。 總的來(lái)說(shuō)，只要把錳的含量控制在 %~%范圍里，這樣 錳 元素的加入 還可以提高 鋁 合金的力學(xué)性能而又不會(huì)使 鋁 合金的耐蝕、導(dǎo)電、導(dǎo)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(gè)方面 [3]。目前主要的變形鋁合金如表 ，變形鋁合金 主要通過(guò) 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(lái)使用 。本文通過(guò)研究鋁錳合金以及以它為基體添加 Al2O3作為增強(qiáng)體制備的顆粒增強(qiáng)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(jī)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(kuò)展材料的使用領(lǐng)域。在這種背景下，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料以其具有高比強(qiáng)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(guó)科研機(jī)構(gòu)及人們的廣泛關(guān)注和研究。在我國(guó)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 2 的將來(lái)由顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制成的節(jié)水灌溉部件 。 表 AlMn合金的牌號(hào)和化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) %） 牌號(hào) Si Fe Cu Mn Mg Zn 3003 ~ ~ 3004 ~ ~ 3005 ~ ~ 3105 ~ ~ 3 圖 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(diǎn)逐漸下降，基本下降到 共晶溫度 6580C， 由于我論文中只要研究的錳含量在 %左右的變形性鋁錳合金，在這個(gè) Mn含量主要經(jīng)歷的是鋁錳間共晶作用。 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。 稀土元素： 稀土元素 直接影響 著合金 再結(jié)晶過(guò)程 ，由于稀土元素占據(jù)合金點(diǎn)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 5 金中的 固溶含量相對(duì)降低 ,使合金再結(jié)晶溫度降低 ，同時(shí) 加速了再結(jié)晶過(guò)程 ， 使合金 再結(jié)晶過(guò)程提前 [3]。 等徑轉(zhuǎn)角擠壓 法 制備的鋁錳合金隨后經(jīng) 適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?處理后，就 可以將 鋁錳 合金的晶粒細(xì)化到 ,顯著 地提高 鋁錳 合金的硬度及強(qiáng)度 ，并且細(xì)化晶粒保持較高的 熱穩(wěn)定性 ， 同時(shí)等徑轉(zhuǎn)角擠壓 方法可用于大規(guī)模的生產(chǎn)過(guò)程[