【正文】 （6）不管在干磨還是濕磨蝕下，%Mn復(fù)合材料在室溫下的摩擦磨損過程以磨粒磨損機(jī)制為主，隨著載荷的增加，還伴隨著輕度的剝層磨損，相對(duì)于其他的兩種材料磨損程度，%Mn復(fù)合材料是最輕的磨損破壞，體現(xiàn)了良好的耐磨性能。（2）A00鋁、%Mn合金、%Mn復(fù)合材料在室溫濕磨蝕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。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），說明了在50N載荷下，%%Mn合金，表現(xiàn)良好的耐磨性能。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，%Mn復(fù)合材料的增加幅度最?。浑S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，%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。（a）A00試樣 純鋁（b）1試樣（鋁錳合金）（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。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?？梢?，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。其中的氧為外來雜質(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）。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)。（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：，最高控制溫度：900攝氏度?；诶e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： （22）式中：為磨損粒子形成的總的幾率；為是當(dāng)磨損粒子形成時(shí)磨溝體積的比率；為磨粒的形狀因子；為單位面積上的載荷；為材料表面的硬度。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。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]。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]。采用無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。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。 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。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。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]。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。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。美國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%。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]。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、磨損及潤滑的重要理論。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)備在長時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)下，零件難免由于摩擦磨損而失效。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)。（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。（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。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。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。載荷在20N50N之間的時(shí)候，三種材料的質(zhì)量磨損率相差的不大，而載荷過50N后，A00試樣質(zhì)量磨損率的增長速率明顯的大于其它兩種材料，到達(dá)80N載荷下時(shí)，A00試樣的質(zhì)量磨損率比1和2多增加了30%；2試樣（鋁錳復(fù)合材料）與1試樣（鋁錳合金）在20N80N載荷下的質(zhì)量磨損率相差不大，都是優(yōu)于純鋁；但是隨著載荷繼續(xù)的增加，1試樣（基體合金）的變化曲線顯著的增加，越趨近于純鋁，而復(fù)合材料比較緩和的增加。這一過程主要是以磨粒磨損機(jī)制為主。（3）純鋁在各載荷下的磨損機(jī)制主要是粘著磨損，隨著載荷的增加粘著磨損加??；%%Mn復(fù)合材料在較低載荷下都是以顆粒磨損機(jī)制為主，隨著載荷的增加，%Mn合金磨損機(jī)制變成嚴(yán)重的剝層磨損，%Mn復(fù)合材料只是輕度的剝層磨損，還是為顆粒磨損機(jī)制為主。圖56 AlMn合金（1）及其復(fù)合材料（2）在110N下濕磨蝕磨摩擦系數(shù)與摩擦?xí)r間的變化曲線隨著載荷增加到110N，1試樣（鋁錳合金）在濕磨下的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線的不穩(wěn)定性，同時(shí)2試樣（復(fù)合材料）變化曲線還保持著穩(wěn)定。隨著載荷的增加或時(shí)間的推遲，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，摩擦系數(shù)變得不穩(wěn)定。本文中通過在不同載荷和干濕摩擦環(huán)境下的純鋁、%%Mn復(fù)合材料的質(zhì)量磨損率和摩擦系數(shù)的變化曲線并相互對(duì)比，%Mn復(fù)合材料的滑動(dòng)摩擦磨損性能。在兩種環(huán)境下，%%Mn復(fù)合材料摩擦系數(shù)在較低的載荷下沒有什么區(qū)別，但是隨著載荷的增加，材料濕磨蝕的磨損率明顯的都大于干磨情況下的；復(fù)合材料在濕磨蝕下的摩擦系數(shù)也都大于大于干磨情況下，%Mn復(fù)合材料隨著環(huán)境的變化，磨損率和摩擦系數(shù)變化的最少，還是表現(xiàn)良好的耐磨性能。 本章小結(jié)本章通過對(duì)A00鋁、%%Mn復(fù)合材料的室溫下濕磨蝕滑動(dòng)磨損率、摩擦系數(shù)及磨損形貌的對(duì)比研究分析，同時(shí)相對(duì)于干磨的情況對(duì)比分析，得到以下主要的結(jié)論：（1）%Mn復(fù)合材料在室溫濕磨蝕下的摩擦系數(shù)和磨損率也是三種材料中最低的，表明在室溫濕磨蝕下這種復(fù)合材料還具有良好的耐磨性能和抗腐蝕性能。 載荷、摩擦?xí)r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，%Mn復(fù)合材料在濕磨下也表現(xiàn)良好的耐磨性能。（2）A00鋁、%Mn合金、%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。 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。 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 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。圖339分別為2試樣沖擊斷口的掃描電鏡照片。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，%、%、%（取3個(gè)譜圖的平均值）；%Mn含量與設(shè)計(jì)的1%相差不大，%Mn（1）。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。（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(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。高磨損區(qū)Hm 。Alpas通過對(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。對(duì)于鋁基復(fù)合材料，Si0A120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，%～%的MMC，由于良好的耐磨性能，使活塞的使用壽命大大提高[42]。（2）攪拌鑄造法：它是近年來使用最為廣泛的制備方法之一。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。加細(xì)化劑AlTiB中間合金時(shí),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(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?？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(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]。本文通過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(qiáng)鋁基復(fù)合材料制成的節(jié)水灌溉部件。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。等徑轉(zhuǎn)角擠壓法制備的鋁錳合金隨后經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に囂幚砗螅?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，