【正文】 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80N載荷下時，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。 實驗結(jié)果與分析 載荷對材料干滑動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41 M22000型摩擦磨損試驗機示意圖 (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(對磨環(huán))的外半徑（cm）；T—摩擦力矩（）；L—負(fù)荷（N）。對磨材料磨損量采用精度為0．1mg的電子天平分別測量磨損前后質(zhì)量而得；利用式（42）計算材料的質(zhì)量磨損率。試驗都是在室溫下進行，試樣尺寸8mmⅹ8mmⅹ30mm，對磨材料為45鋼，尺寸￠40mmⅹ10mm，表面硬度48～52HRC，磨損時間42min，摩擦副轉(zhuǎn)速200r/min,磨損試驗測試了載荷分別在50、80、110和140N下，材料的磨損性能；試驗結(jié)束后試樣經(jīng)丙酮清洗、干燥。%Mn復(fù)合材料的沖擊韌性相對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。（2）由于高硬度且細小的Al2O3顆粒增強相的加入，能夠為基體材料承受很大的外部應(yīng)力，相對于合金，復(fù)合材料的硬度提高了很多，%。所以相對于合金，復(fù)合材料的沖擊韌性有所下降，不過還保持著較好的韌性。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，同時錳又起到細化晶粒的作用，提高了材料的沖擊韌性，如表33所示。圖339分別為2試樣沖擊斷口的掃描電鏡照片。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顆粒都同時影響著材料塑性的變化。：（1）均勻分布于鋁錳合金的增強相Al2O3顆粒由于自身的強度和硬度都很高，可承受一定比例的外應(yīng)力，它的加入提高復(fù)合材料的強度；（2）在凝固過程中，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)致鋁基體晶粒細化而強化了復(fù)合材料；（3）由于Al2O3顆粒的存在勢必引起基體晶格的畸變, 而在發(fā)生局部塑性變形時Al2O3顆粒阻礙了位錯運動，產(chǎn)生位錯塞積，位錯運動和繼續(xù)增殖困難，從而使復(fù)合材料獲得強化[6061]。相對于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%。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?。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聚現(xiàn)象。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，還檢測出δAl2O3顆粒的存在。從表中可以看出其它元素的變化不大，為對比研究提供了一個前提；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。由于其含量少量，因此不會對材料的性能產(chǎn)生顯著的影響。本文中利用能譜分析儀測定試驗中所制備的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個譜圖的平均值）；%Mn含量與設(shè)計的1%相差不大，%Mn（1）。對于這類材料其各項組織成分及機械性能的研究提供一些數(shù)據(jù)，并為對其實際應(yīng)用有著重大的理論指導(dǎo)意義。這種制備方法主要通過長時間的攪拌解決增強相與基體的界面問題，使增強相能過比較均勻的分布與基體中。在加入定量的元素材料下，材料制備工藝對于材料的組織結(jié)構(gòu)及性能是主要的影響因數(shù)，對于復(fù)合材料而言，影響因數(shù)還有增強相與基體的潤濕性和界面反應(yīng)。第四章 %Mn復(fù)合材料及其合金成分組織及機械性能 在材料的研究試驗中，對材料成分及組織結(jié)構(gòu)的觀察研究是必不可少的部分。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。（3）沖擊韌性測試：試驗中采用JB30A沖擊試驗機測試材料的沖擊韌性，產(chǎn)生的斷口通過LED1430VP型掃描電鏡(SEM)觀察獲得斷口形貌。（1）試驗中采用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。試驗中為了均勻材料的化學(xué)成分及組織，細化晶粒，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，隨爐冷卻的熱處理工藝。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。這種方法中，攪拌溫度、攪拌時間直接影響著復(fù)合材料的氣孔率，需提出有效的具體制備工藝流程；保護基體金屬液的氧化、除氣，加入除氣劑精煉劑的MnCl2。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顆粒增強鋁錳基復(fù)合材料試樣。（8）沖擊試驗機型號：JB30A ， 規(guī)格：沖擊能量30/15公斤米。米。（5）硬度計型號：HR150布洛維硬度計；HX1000B視頻顯示維氏顯微硬度計。（3）XQF2全自動金相圖象分析儀額定電壓：220伏，額定功率：30W，頻率：50赫茲。（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：KSY—12—16，編號：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。以下是幾種主要材料的具體成分：（1）A00鋁成分 試驗用A00鋁的成分牌號化學(xué)成分(%,質(zhì)量分?jǐn)?shù))Al Fe Si Cu Ca Mg 其它 雜質(zhì)總和 ≥ ≤（2）錳粉成分取出一些錳粉試樣，通過OXFORD2000型能譜分析儀得到圖1和表2。第三章 試驗條件與試驗方法 試驗材料本研究采用工業(yè)A00純鋁和金屬錳粉作為基體材料，作為增強體材料的aAl2O3顆粒，粒徑范圍:￠。有研究[59]得出簡單的剝層磨損計算公式： （23）式中：為磨屑厚度；為剪切彈性模量；為材料波桑比；為表面摩擦應(yīng)力；為柏氏矢量。所以，鋁基復(fù)合材料磨損下來的磨料一般呈現(xiàn)大片狀磨屑，并有具有一定金屬光澤。 (4)剝層磨損由N、P、Suh在1973首次提出的剝層磨損理論[57]，該磨損機制主要是通過鋁基復(fù)合材料磨損面亞表層裂紋而產(chǎn)生的。該機制隨著摩擦產(chǎn)生的顆粒使得磨損從二體磨損轉(zhuǎn)向三體磨損。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)。高磨損區(qū)Hm 。材料磨粒磨損在很大程度上取決于磨粒硬度Hm和鋁基復(fù)合材料硬度Ha之比，再根據(jù)韌塑性鋁基復(fù)合材料的磨粒磨損體積V與磨粒硬度的關(guān)系大致可分為三個區(qū)域[53]：低磨損區(qū)Hm()Ha。(2)磨粒磨損磨粒磨損[52]主要是由于摩擦界面間存在硬質(zhì)的外界顆粒或鋁基復(fù)合材料摩擦面上細微凸起物，起到了對鋁基復(fù)合材料表面犁削作用和塑性擠壓變形的磨損現(xiàn)象。該磨損機制主要以涂抹、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。以基體材料磨損破壞的程度和過程等角度對磨損進行分類，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。賈均紅[49]等人通過對NiSiC石墨系復(fù)合材料在水環(huán)境中的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料在水環(huán)境中的摩擦系數(shù)比干摩擦降低了一半左右,磨損率僅為干摩擦下的1/15,磨損主要表現(xiàn)為機械微切削。干濕摩擦環(huán)境因素對材料的摩擦磨損性能有很大的影響，磨損機制也會有不同的改變。隨著摩擦磨損時間/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)備在長時間的運轉(zhuǎn)下，零件難免由于摩擦磨損而失效。Alpas通過對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，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，保護了基體，磨損機制以顯微切削為主，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，主要磨損機制為粘著和剝層磨損。載荷因素對復(fù)合材料的摩擦磨損性能有很大的影響，隨著載荷增加，材料間由摩擦而生熱不能及時導(dǎo)出，使材料表面溫度升高，軟化基體，摩擦率增加，嚴(yán)重影響材料的摩擦磨損性能[45]?？偟膩碚f，影響磨損過程的因素主要包括外部因素(如載荷、速度、環(huán)境因素等)和內(nèi)部因素(如基體組織、增強相性質(zhì)等)，同時對于MMCs本身組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得材料磨損性能在許多時候缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識，因此，需要更進一步的研究。 鋁基復(fù)合材料摩擦磨損的影響因素滑動摩擦磨損是一種材料滑動過程中的磨損形式，不屬于材料固有特性。隨著相互間的載荷作用下相互的接觸，實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數(shù)，影響著材料的摩擦磨損。（2） 通過摩擦磨損試驗機分別對“A00”鋁試樣、%%Mn基復(fù)合材料試樣進行在正載荷、摩擦環(huán)境等變化因素下進行滑動摩擦磨損試驗，并通過得到大量磨損率和摩擦系數(shù)的試驗數(shù)據(jù)，再根據(jù)數(shù)據(jù)的變化曲線、三種試樣數(shù)據(jù)的對比圖和試樣摩擦磨損形貌電鏡照片，研究載荷、%Mn基復(fù)合材料的滑動摩擦性能的影響和摩擦磨損機制的影響。并通過相應(yīng)的滑動摩擦磨損率和摩擦系數(shù)的變化曲線，進一步分析Al2O3顆粒對鋁錳合金復(fù)合材料的摩擦磨損性能的影響，以其找到提高鋁基復(fù)合材料滑動摩擦磨損性能的實際可行的方法，為進一步深入的研究工作奠定基礎(chǔ)。隨著對金屬基復(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。對于鋁基復(fù)合材料，Si0A120纖維、晶須等增強的鋁基復(fù)合材料由于其優(yōu)異的耐磨性能、高強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盤、汽車發(fā)動機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]。隨著20世紀(jì)60年代科技的發(fā)展，鋁基復(fù)合材料開始被研究，發(fā)現(xiàn)了它具有高耐熱性、耐磨損性和抗老化性等優(yōu)異特點，隨著復(fù)合方法的優(yōu)化和原理的研究，鋁基復(fù)合材料在摩擦學(xué)領(lǐng)域方面所表現(xiàn)出的優(yōu)異性能越來越受到人們的重視，人們在試圖利用對各種鋁合金材料與各種增強相進行復(fù)合化以改善其摩擦磨損性能的過程中取得可喜的進展[40]。但是該工藝要求加入強化相的反應(yīng)元素量要精確，需要嚴(yán)格工藝要求使反應(yīng)生成強化相，這一工藝過程掌握難度大[38]。由于強化相是基體內(nèi)部生成，兩者之間界面無污染，原位匹配比較理想，能夠爭強兩相的結(jié)合能力，是材料具有良好的熱力學(xué)性能[37]。由于具有極高的冷卻速度，很大程度上可以避免了增強顆粒與基體金屬的界面反應(yīng)和宏觀偏析現(xiàn)象，使材料具有細小的等軸晶組織和優(yōu)良的綜