【導(dǎo)讀】航空航天、汽車工業(yè)、精密儀器等工業(yè)領(lǐng)域。在這種背景下，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合。各國科研機(jī)構(gòu)及人們的廣泛關(guān)注和研究。至今，在很多實際應(yīng)用中，亦有不俗的。表現(xiàn)，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。和剎車輪、活塞等需要搞耐磨性的重要部件。同時隨著國家的大興節(jié)水灌溉工程，命長的新型材料是國家迫切的要求。一步的研究工作奠定基礎(chǔ)。本文通過研究鋁錳合金以及以它為基體添加Al2O3. 摩擦磨損性能的途徑，擴(kuò)展材料的使用領(lǐng)域。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。對于航空航天、先進(jìn)武器系統(tǒng)、醫(yī)療。純鋁的力學(xué)性能不高，不適宜制作承受較大載荷的結(jié)構(gòu)零件。目前主要的變形鋁合金如表，變形鋁合金主要通過熔煉。在℃共晶溫度時，Mn在Al中的最大溶解度為%，隨著錳含量。程，提高再結(jié)晶溫度，形成MnAl6化合物彌散質(zhì)點(diǎn)對再結(jié)晶晶粒長大起阻止作用，若合金中Fe和Si同時存在,則先形成骨。但同時也損害了退火材料的表面光澤。

　　

【正文】 、 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。 （ 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，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。這一過程主要是以磨粒磨損機(jī)制為主。 （ a） A00 試樣 純鋁 37 （ b） 1試樣 鋁錳合金 （ c） 2試樣 復(fù)合材料 圖 48 干態(tài)下，三種材料 在載荷 110N 時，磨損 42min 后的磨損面形貌照片 從圖 3（ a） 中可以看出， A00 試樣在 110N 載荷下經(jīng)歷了 42min 的滑動摩擦后，摩擦表面由于摩擦產(chǎn)生的熱量而使得純鋁塑性流動的跡象更加的明顯， 大面積的塑性變形區(qū)， 主要磨損機(jī)制 還是 以粘著磨損為 主； 從圖 3（ b、 c）中可以看出， 1（鋁錳合金）和 2試樣（復(fù)合材料） 在 110N 載荷下經(jīng)歷了 42min 的滑動摩擦后 ，磨損表面沒有出現(xiàn)像 A00 試樣摩擦表面上的大面積塑性變形區(qū) ， 還是似于 80N 載荷下，存在一些 犁溝 和 凹坑 ， 可是 磨損 表 面上 犁溝 和 凹坑的大小和深度都有一定程度的增加， 同時 2（復(fù)合材料）的摩擦表面比 1（鋁錳合金）要平整光滑，如磨損率和摩擦系數(shù)大小所示。 隨著載荷的增加 ， 合金和復(fù)合材料的 抗 磨性 能 正在逐漸的下 降，這是由于合金和復(fù)合材料中硬質(zhì)相對基體的保護(hù)作 38 用隨著載荷的增加也在下降， 1（鋁錳合金）和 2試樣（復(fù)合材料）主要磨損機(jī)制以磨粒磨損為主。 當(dāng)載荷增加到 140N 時， 圖 4（ a）中 A00 試樣 出現(xiàn)了更大面積的破壞區(qū) ，粘著磨損的更加嚴(yán)重；圖 4（ b、 c）中可以看出 2試樣 （ 復(fù)合材料 ）磨損面隨著載荷增加破損也加劇，出現(xiàn)了較大 面積的破壞面，但是深度都比較淺，相對的還是保持比較的光整，可是 1（ 合金 ） 磨損面出現(xiàn)了表層材料脫落留下的大面積較深凹坑。 這主要是由于： 隨著載荷的增加，合金中鋁錳間化合物承受載 荷也加大，周圍應(yīng)力更加集中，同時摩擦閃熱軟化了鋁基材料，硬質(zhì)鋁錳間化合物容易被剝落，同時其亞表面也容易剝離，并形成 剝層磨損 。說明合金的磨損機(jī)制為嚴(yán)重的剝層磨損機(jī)制。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。 （ 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，磨損 42min后的磨損面形貌照片 總的來說，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） ,此時粘著磨損起到主要作用。由于滑動摩 擦產(chǎn)生的熱量不能及時的走，局部升溫，造成接觸面上的材料表面的軟化， 塑性流動跡象明顯 ； 隨著載荷的提高，摩擦熱更多，純鋁 在對偶件的粘著程度更加，粘著現(xiàn)象更加的嚴(yán)重 ，如圖 3（ a）、 4（ a） 可以看出。 而合金和復(fù)合材料在較低的載荷下，都主要是以磨粒磨損機(jī)制為主。合金在到達(dá)臨界載荷以后， 摩擦熱增加，摩擦表面的溫度升高，基體表面軟化加劇，其亞表面就會容易剝離 ， 磨損機(jī)制變?yōu)閲?yán)重的剝層磨損機(jī)制，磨損率和摩擦系數(shù)都會變的很大，而 %Mn 基復(fù)合材料的臨界載荷要大的多 ，有效的推遲了向 40 嚴(yán)重 磨損機(jī)制 的轉(zhuǎn)變， %Mn 基復(fù)合材料中錳元素和 Al2O3 顆粒的加入在一定程度上降低復(fù)合材料的磨損率，即使是在較高載荷下也表現(xiàn)良好的耐磨性。其原因為：（ 1）硬質(zhì)的鋁錳間化合物起和 Al2O3 顆粒到了強(qiáng)化作用，提高了復(fù)合材料的硬度（如表 33），減緩了材料磨損面由摩擦熱所產(chǎn)生的軟化，減輕了磨損面亞表面的塑性變形。（ 2）硬質(zhì)鋁錳間化合物和 Al2O3 顆粒起到了承受載荷作用，避免了基體與對磨偶件的接觸摩擦，保護(hù)了基體。 , 本章小結(jié) 本章通過對 A00 鋁、 %Mn 合金和 Al2O3 顆粒增強(qiáng) %Mn 復(fù)合材料的室溫下 干滑動磨損率 、摩擦系數(shù)及磨損形貌的對比研究分析 ，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 對復(fù)合材料的滑動摩擦磨損性能提高起到了積極的作用。 （ 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、 時間等試驗因數(shù)有著重要聯(lián)系。 隨著載荷的增加， 三種材料 的磨損率和摩擦系數(shù)都會有不同程度的增加，其中 Al2O3 顆粒增強(qiáng) %Mn 復(fù)合 材料的增加幅度最?。浑S著時間的推遲， %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 。 （ 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 合金和 Al2O3 顆粒增強(qiáng) %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，而 %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。 41 第六 章 %Mn 復(fù)合材料在室溫下帶磨粒高礦化水環(huán)境下磨蝕性能 實驗材料及方法 實驗材料 本實驗中作為磨蝕介質(zhì)的水環(huán)境材料參考 新疆西克爾水庫水體成分，水化學(xué)類型為 SO4 Cl Na Ca Mg 型， pH 值為 ，礦化度一般在 [55]，具體的離子成分如表 1。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?zāi)チ狭６葹?小于 ㎜。上述一系列原料充分的混合制成帶磨粒高礦化水溶液 。 實驗方法 式樣磨蝕實驗在 M220xx 型試驗機(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，試驗其它條件及方法參見 。 42 實驗結(jié)果與分析 載荷對材料濕磨蝕磨損率的影響及 研究 表 51 濕磨下 純鋁、 AlMn 合金（ 1）及其復(fù)合材料（ 2）質(zhì)量磨損率數(shù)據(jù) 圖 52 A00 試樣 、 1試樣 及 2試樣在濕磨摩擦 42min 后的質(zhì)量磨蝕率隨 載荷的變化曲線 相對于材料的干滑動摩擦，濕磨是材料在磨蝕液內(nèi)腐蝕作用和滑動摩擦作用下的雙 重作用，并且磨蝕液中含有顆粒。從表中可以看出，與材料的干摩有相類似 的規(guī)律， A00 試樣的磨蝕率在各載荷下都是大于 1試樣和 2試樣，在載荷20N50N 之間時，隨著載荷的增加 A00 試樣的磨蝕率反而有所下降；但是當(dāng) 載荷 在 50N140N 時 ，隨著載荷的增加， A00 試樣的磨蝕率有直線上升的趨勢； 1試樣和 2試樣的 濕磨蝕 率都是隨著載荷增加而增加。在變化曲線的增幅上， 2試樣（復(fù)合材料）明顯是最小的，各載荷下的磨蝕率也是最低的，其 次是 1試樣（合金）。說明 了 %Mn 鋁錳 合金 和 復(fù)合材 料在濕磨的情況下的 質(zhì)量磨蝕率明顯的好于純鋁，同時在各載荷下， Al2O3 顆粒 增強(qiáng) 復(fù)合材料也 表現(xiàn)在濕磨蝕下最低的磨損率，表現(xiàn)優(yōu)異的耐磨性能。 載荷 (N) 編號 20 50 80 110 140 質(zhì)量磨蝕率（ g/m） 0 1 2 43 干濕環(huán)境對材料磨損率的影響及研究 根據(jù)三種材料干磨和濕磨蝕的質(zhì)量磨損率相對比制成圖： (a)純鋁 （ b）合金 (c)復(fù)合材料 圖 53 在干磨和濕磨蝕下，三種材料的質(zhì)量磨損率隨著載荷的變化曲線 不管是干磨還是濕磨蝕，三種材料的質(zhì)量磨損率都是隨著載荷的增加而增加，從圖 5（ a）中可以 看出：純鋁濕磨磨蝕的質(zhì)量磨損率在各載荷下都大于干磨的質(zhì)量磨損率：在載荷 50N 下， A00 試樣（純鋁）在干磨和濕磨下的質(zhì)量磨損率分別是 (g/m)、 (g/m)，二者間相差的也不是很大，隨載荷增加到 140N 時， A00 試樣（純鋁）在干磨和濕磨下的質(zhì)量磨損率也分別增加到(g/m)、 (g/m)， 濕磨下的質(zhì)量磨損率直接是干磨下的兩倍。 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，對基體產(chǎn)生 切削作用， 同時磨蝕液對基體的腐蝕作用， 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 ，濕磨蝕和干磨的質(zhì)量磨損率基本上相同，說明在較低載荷下，腐蝕液及所含的顆粒沒 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，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。 載荷 、摩擦 時間 對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。 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），說明了在 50N 載荷下， %Mn 復(fù)合材料 的耐磨損性能對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。 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 46 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)隨時間變化曲線的不穩(wěn)定性，同時 2試樣（復(fù)合材料）變化曲線還保持著穩(wěn)定。由于載荷的增加， 1試樣的摩擦表面擠壓變形程度加劇， 犁削和粘著作用加劇， 對材料的破壞更加嚴(yán)重， 在摩擦過程中極其不穩(wěn)定 ； %Mn 復(fù)合材料 的硬度和臨界載荷都高 于 %Mn 合金，載荷增加到 110N，對 2試樣的磨損影響不是很大，摩擦系數(shù)隨摩擦?xí)r間的變化曲線還能保持一定地穩(wěn)定性。 干濕環(huán)境對材料摩擦系數(shù)的影響及研究 根據(jù) 2試樣 （ %Mn 復(fù)合 材料）在 干磨和濕磨蝕 的兩種條件及相同載荷下的摩擦系數(shù)隨著摩擦?xí)r間的變化數(shù)據(jù)，制成變化曲線相對比研究 ： (a) 50N （ b） 80N (b) 110N (d） 140N 圖 57 復(fù)合材料 在相應(yīng)條件下的摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線 47 從上圖中可以看出：在各載荷下，