【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 氏顯微硬度計(jì)。（6）摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)型號(hào)：M2—2000型，最大負(fù)載：2000牛頓，上試樣軸轉(zhuǎn)速：，摩擦力矩測(cè)量范圍：0—15牛頓米。（7）電光分析天平型號(hào)：TG328A(S),最大稱量：200g,分度值：。（8）沖擊試驗(yàn)機(jī)型號(hào)：JB30A ， 規(guī)格：沖擊能量30/15公斤米。（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。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。本文中通過(guò)攪拌鑄造法來(lái)制備復(fù)合材料。這種方法中，攪拌溫度、攪拌時(shí)間直接影響著復(fù)合材料的氣孔率，需提出有效的具體制備工藝流程；保護(hù)基體金屬液的氧化、除氣，加入除氣劑精煉劑的MnCl2。 制備工藝流程圖純鋁材料：將所需A00鋁錠放入井式電阻爐熔化加熱至860℃，扒渣降溫后澆鑄成形。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。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，%的除氣劑MnCl2粉末，攪拌、降溫、澆注成形。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。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)。（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。（2）硬度測(cè)試：試驗(yàn)中采用HR150布洛維硬度計(jì)測(cè)試材料布氏硬度HBS，,壓頭為直徑5㎜淬火鋼球，保壓30s。（3）沖擊韌性測(cè)試：試驗(yàn)中采用JB30A沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試材料的沖擊韌性，產(chǎn)生的斷口通過(guò)LED1430VP型掃描電鏡(SEM)觀察獲得斷口形貌。（4）滑動(dòng)磨損測(cè)試：將三種試樣在切割機(jī)上加工成8mmⅹ8mmⅹ30mm試驗(yàn)件，在M22000型滑動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行滑動(dòng)磨損試驗(yàn)。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。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。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。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。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)。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)攪拌鑄造法制備的AlMn合金和AlMn基復(fù)合材料。這種制備方法主要通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的攪拌解決增強(qiáng)相與基體的界面問(wèn)題，使增強(qiáng)相能過(guò)比較均勻的分布與基體中。Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁錳基復(fù)合材料是一種新型的復(fù)合材料，只有通過(guò)材料的組織成分觀察研究，才能知道Al2O3增強(qiáng)顆粒的加入對(duì)基體合金的組織影響，為Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁錳基復(fù)合材料各性能的變化有相應(yīng)的理論依據(jù)。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。（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。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(guò)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）。其中的氧為外來(lái)雜質(zhì)，可能是在鑄造或澆鑄過(guò)程中鋁的氧化和表面形成一些氧化物（主要）。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31 AlMn合金的面掃描圖譜表31 按重量百分比顯示的所有結(jié)果譜圖在狀態(tài)OMnAl總的譜圖 1是譜圖 2是譜圖 3是平均（2）Al2O3顆粒增強(qiáng)AlMn復(fù)合材料成分Al2O3顆粒增強(qiáng)AlMn復(fù)合材料是在以鋁錳合金為基體的基礎(chǔ)上加入Al2O3增強(qiáng)顆粒制備出來(lái)的。從表中可以看出其它元素的變化不大，為對(duì)比研究提供了一個(gè)前提；而氧的含量出現(xiàn)比較大的增幅，這是由于加入的Al2O3顆粒所含氧元素的介入。圖表？從圖（34）中可以看出在制備的1試樣中存在MnAl6和MnAl11兩種鋁錳間化合物，這主要是因?yàn)?試樣在凝固的過(guò)程中，錳在a固溶體中的溶解度隨著溫度的下降而降低，從而溶解于Al面心立方中的錳會(huì)隨著溫度的下降從晶界析出，形成少量硬脆的MnAl6和MnAl11化合物，由于原先加入錳量就很少，形成的鋁錳間化合物也很少，并且呈現(xiàn)細(xì)小的枝晶，并形成一定的網(wǎng)格狀，分布于合金組織之中（如圖33）。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。外來(lái)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)?。徊⑶矣绊戜X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。圖35 2試樣（%Mn基復(fù)合材料）的掃描電鏡照片圖36 2試樣（%Mn基復(fù)合材料）X射線衍射圖譜表32 試樣布氏硬度試樣A0012硬度(HBS)由表（32）可以看出2試樣（復(fù)合材料）和1試樣（合金）,。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%。Al2O3顆粒硬度很高，均勻分散于較軟的合金基體中使得Al2O3顆粒的增強(qiáng)作用得到充分的發(fā)揮，提高材料的硬度值。：（1）均勻分布于鋁錳合金的增強(qiáng)相Al2O3顆粒由于自身的強(qiáng)度和硬度都很高，可承受一定比例的外應(yīng)力，它的加入提高復(fù)合材料的強(qiáng)度；（2）在凝固過(guò)程中，外質(zhì)Al2O3顆粒引起到了非平衡凝固的作用，一定程度上導(dǎo)致鋁基體晶粒細(xì)化而強(qiáng)化了復(fù)合材料；（3）由于Al2O3顆粒的存在勢(shì)必引起基體晶格的畸變, 而在發(fā)生局部塑性變形時(shí)Al2O3顆粒阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生位錯(cuò)塞積，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和繼續(xù)增殖困難，從而使復(fù)合材料獲得強(qiáng)化[6061]。表33 試樣橫向沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)試樣編號(hào)A0012沖擊韌性(HBS)外質(zhì)顆粒的加入會(huì)制約基體的變形，降低材料的塑性，所以一般的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料通常有變脆的傾向，但從表33中可以看出，2的沖擊韌性分別為544k J/m2和506kJ/m2。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。我通過(guò)下面分析可得造成這種現(xiàn)象的原因。圖339分別為2試樣沖擊斷口的掃描電鏡照片?？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。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。2（%Mn基復(fù)合材料）斷口形貌上分布著一些顆粒，主要就是Al2O3顆粒，由于Al2O3顆粒屬于外質(zhì)材料，拉伸試驗(yàn)過(guò)程中阻礙晶體中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使位錯(cuò)塞積產(chǎn)生應(yīng)力集中，材料難以變形，相對(duì)的降低材料的塑性，當(dāng)達(dá)到臨界應(yīng)力時(shí)，就會(huì)在Al2O3顆粒的界面開始斷裂。所以相對(duì)于合金，復(fù)合材料的沖擊韌性有所下降，不過(guò)還保持著較好的韌性。圖310 1（%Mn合金）的斷口形貌 圖311 2（%Mn基復(fù)合材料）的斷口形貌 通過(guò)預(yù)定的制備工藝制備出來(lái)的材料，再對(duì)材料成分、組織及部分的機(jī)械性能方面進(jìn)行了測(cè)試分析，得到了一下主要結(jié)論：（1）采用攪拌鑄造法制備的Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁錳復(fù)合材料，它的組織成分與相應(yīng)的鋁錳合金相差不多，但是從材料的掃描電鏡圖中，可以知道增強(qiáng)相Al2O3顆粒在一定程度上影響了基體中析出的MnAl6和Mn4Al11化合物的形狀和分布，使材料組織變的致密，Al2O3顆粒和鋁錳間化合物也分布比較均勻。（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，%。（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。%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。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M22000型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖41所示。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。材料在試驗(yàn)的過(guò)程中，1min、3min、5min和以后每隔5分鐘從試驗(yàn)機(jī)上讀取摩擦力矩（T）數(shù)據(jù)，結(jié)果按式(41)計(jì)算轉(zhuǎn)換為摩擦系數(shù)。對(duì)磨材料磨損量采用精度為0．1mg的電子天平分別測(cè)量磨損前后質(zhì)量而得；利用式（42）計(jì)算材料的質(zhì)量磨損率。通過(guò)掃描電鏡觀察材料磨損面，并進(jìn)行EDS分析。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）。 (42)式中：LTP—摩擦距離；ΔG—材料磨損質(zhì)量[62]。 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。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。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(guò)50N后，A00試樣質(zhì)量磨損率的增長(zhǎng)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。在較高的載荷下，復(fù)合材料質(zhì)量磨損率越來(lái)越明顯的好于基體鋁錳合金。這說(shuō)明隨著載荷的增加，在80N以后，合金的磨損機(jī)制發(fā)生了變化使其質(zhì)量磨損率明顯上升；而復(fù)合材料表現(xiàn)優(yōu)異的耐磨性能，Al2O3顆粒的加入，不但降低了復(fù)合材料的磨損率，提高耐磨性，同時(shí)也推遲了高載荷條件下嚴(yán)重磨損的發(fā)生，有效地改善了復(fù)合材料在較高載荷下的耐磨性。 載荷、摩擦?xí)r間對(duì)材料干滑動(dòng)摩擦摩擦系數(shù)影響及研究圖43 AlMn合金（1）及其復(fù)合材料（2）在50N、80N、110N、140N下干磨摩擦系數(shù)與載荷的變化曲線圖43為在載荷分別為50N、80N、110N、140N下材料摩擦系數(shù)隨載荷的變化情況。根據(jù)庫(kù)侖摩擦定律，材料的摩擦系數(shù)與載荷的大小無(wú)關(guān)。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。圖44