【正文】 延技術(shù)不斷的發(fā)展而演變過來的，原位復合法的工藝原理是：增強相是由事先加入的相應元素或組織與元素間發(fā)生反應生成的，且均勻分布于基體中，從而制備出相應的復合材料的一種工藝[36]。這種工藝的優(yōu)點在于簡化了生產(chǎn)工藝，降低成本、污染小、增強相與基體有很好的結(jié)合性。 幾種金屬基復合材料制備方法的優(yōu)點和缺點方法優(yōu)點缺點粉末冶金法基體上不存在界面反應，質(zhì)量穩(wěn)定，增強體體積分數(shù)（Vf）可較高可選用細小顆粒增強體，增強體分布均勻，可實現(xiàn)近似無余量成型；工藝程序多，制備周期長，成本高，降低成本的可能性小攪拌鑄造法工藝簡單，設(shè)備投資少，生產(chǎn)成本低，可規(guī)?；a(chǎn)；Vf有限（一般不超過20%），顆粒一般不可能小于10um，有界面反應的可能性，增強體分布難以達到均勻化，有氣孔，只能制成鑄錠，因此需要二次加工；噴射沉積法成型速度快，工藝周期短工藝設(shè)備復雜、原材料損失大、成本高，需要后續(xù)的加工原位復合法成本反應較低，增強體分布均勻，基體上無界面反應，可以使用傳統(tǒng)的金屬熔融鑄造設(shè)備，工藝周期較短；工藝過程要求嚴格，較難把握，增強相的成分和體積分數(shù)不易控制；據(jù)研究[39]，材料的磨損、腐蝕和斷裂三種主要形式導致了材料失效，其中摩擦磨損主要是由于相互接觸的材料在接觸面上發(fā)生阻礙相對運動，導致表面材料的逐漸消失或轉(zhuǎn)移，所以摩擦磨損就成為在相對運動的機械裝置內(nèi)材料失效的主要原因，各種形式的磨損能引起約70％~80％的設(shè)備損壞及30％~50％的能源消耗。因此，利用鋁基復合材料具有優(yōu)異的耐磨性能代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料可以有效得阻止及減緩摩擦磨損造成危害。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A356基復合材料，在與45鋼對摩擦條件下，該種復合材料顯現(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]。本文所研究的主要是結(jié)合國家自然基金項目“高礦化度水質(zhì)下三氧化二鋁顆粒增強鋁錳合金復合材料的沖蝕腐蝕機制研究”，50861008，開展對Al2O3顆粒增強鋁錳基復合材料在正載荷、磨摩擦時間/距離和干濕環(huán)境等影響因素下的滑動摩擦磨損性能的研究。本文研究的主要內(nèi)容有：（1） 采用攪拌鑄造工藝制備出含錳量為1%左右的鋁錳合金和Al2O3顆粒增強鋁錳基復合材料，通過相關(guān)設(shè)備儀器準確地測試出材料的最終組織成分、結(jié)構(gòu)及硬度、沖擊韌性等機械性能，并進行兩材料間的對比研究。第二章 試驗理論基礎(chǔ) 金屬材料滑動摩擦原理模型 兩金屬材料接觸并摩擦的原理模型，由圖中我們可以看出兩金屬材料的表面都不光滑，都是由具有一定的凸蜂與凹谷相互組成。當兩材料相對的運動時，主要是接觸點發(fā)生相互的摩擦，凸峰慢慢的被磨平，產(chǎn)生的顆粒部分留在摩擦表面中繼續(xù)摩擦，進一步破壞材料表面，導致材料失效。在不同的滑動條件和摩擦環(huán)境下，材料的摩擦磨損性能也不經(jīng)相同，說明材料摩擦磨損性能是與整個系統(tǒng)相關(guān)的特性，很多的因素相互的作用[44]。這里主要介紹了在本實驗中主要考慮的影響因素：正載荷、摩擦時間和干濕摩擦環(huán)境。所以一般復合材料存在臨界載荷，當超越一定的臨界載荷時，復合材料的磨損機制就會發(fā)生改變，而引起材料磨損嚴重，磨損率急劇增加。向?qū)τ趶秃喜牧系幕w而言，復合材料由于硬質(zhì)第二相顆粒的加入提高了基體的高溫強度和熱穩(wěn)定性，提高了發(fā)生嚴重磨損的臨界載荷。翟秋亞，徐錦鋒[47]等人發(fā)現(xiàn)隨著滑動距離增加，Al2O3纖維增強鋁基復合材料摩擦表面相互作用，摩銷前端變形量增大，出現(xiàn)形變坑，同時剝離出來的堅硬Al2O3磨粒并鑲嵌于其中，很容易在摩擦表面產(chǎn)生犁溝，從而加速鋁基復合材料的磨損。如在水環(huán)境下，主要是在摩擦表面吸附著水起到一定的潤滑作用以及水能冷卻摩擦表面的溫度，減少基體的軟化，塑性變形也變少，同時水也有利于磨粒從摩擦表面間流出，減輕了材料的摩擦磨損[48]。 材料間的摩擦必然會導致材料的磨損，并且磨損過程很復雜，不同的外界影響因素都可能出現(xiàn)不同的磨損機制，造成的破壞程度也不同。 (1)粘著磨損粘著磨損[50]是鋁基復合材料摩擦表面相對運動過程中，由于載荷作用下表面接觸點會有塑性變形和摩擦產(chǎn)生瞬間高溫，使兩種材料產(chǎn)生粘著，造成一個表面材料逐漸分離出來并轉(zhuǎn)移到另一個表面的現(xiàn)象?；贏rchard和Rowe等人[5152]對粘著磨損機制與相關(guān)因素的關(guān)系，最后提出一個比較完善的在材料粘著磨損下的體積磨損量公式： （21）式中：為與材料性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)；為常數(shù)；為摩擦系數(shù)；為與表面膜有關(guān)的系數(shù)； 為材料的屈服極限；為磨損系數(shù)。在經(jīng)歷顆粒磨損后鋁基復合材料摩擦表面主要是以顯微切削和犁溝的形態(tài)存在。Hm。基于拉賓諾維奇和摩爾等人[52]對材料磨粒磨損進行一步一步地研究，最后提出了一個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；為是當磨損粒子形成時磨溝體積的比率；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。(3)氧化磨損當在較低載荷和滑動速度條件下時，由于摩擦生熱作用下，摩擦表面與周圍氧化物反生氧化反應，造成對鋁基復合材料的磨損就是氧化磨損機制[54]。有研究發(fā)現(xiàn)[5556]：在一定載荷、摩擦速度、摩擦溫度等條件內(nèi)，脫落的第二相硬質(zhì)顆粒被氧化，并在磨面上可以能起到“滾珠”的作用，可以形成轉(zhuǎn)移層，從而對材料的磨損起到一定的減磨作用。在鋁基復合材料磨損過程中，硬表面與軟表面之間的反復載荷作用下，產(chǎn)生剪切變形，且不斷積累，促進鋁基復合材料表面大量的空位形核，空位合并，同時裂紋也從顆粒與基體的界面開始形核，而后裂紋慢慢長大，最后導致長而薄的磨損薄片脫落[58]。該磨損機制與載荷、摩擦速度等外界因素和增強相的含量、大小，界面間的結(jié)合能力等材料內(nèi)部因素有關(guān)。 （24）式中：為材料磨損體積；為滑移距離；為臨界滑移距離；為片狀磨屑的面積。還有作除氣劑精煉劑的MnCl2和后續(xù)工作所需要的用作清洗液的酒精，去油污的丙酮，拋光劑Al2O3溶液，腐蝕劑4%HF溶液。 金屬錳能譜面掃描圖譜 按重量百分比顯示的所有結(jié)果譜圖在狀態(tài)OSiMnSe總的譜圖 1是標準偏差最大最小其中Se和Si為雜質(zhì)，氧的存在是因為錳可與空氣中的氧形成氧化物帶入的，%。（2）井式坩堝電阻爐型號：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。（4）電鏡、能譜分析儀型號：LED1430VP型掃描電鏡，OXFORD2000型能譜分析儀，M18XHF22SRA型X射線衍射儀。（6）摩擦磨損試驗機型號：M2—2000型，最大負載：2000牛頓，上試樣軸轉(zhuǎn)速：，摩擦力矩測量范圍：0—15牛頓（7）電光分析天平型號：TG328A(S),最大稱量：200g,分度值：。（9）拋光機，讀數(shù)顯微鏡，石墨坩堝，澆鑄模具等其它常用工具。本文中通過攪拌鑄造法來制備復合材料。 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。顆粒增強鋁錳復合材料：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。隨后按照實驗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。（2）硬度測試：試驗中采用HR150布洛維硬度計測試材料布氏硬度HBS，,壓頭為直徑5㎜淬火鋼球，保壓30s。（4）滑動磨損測試：將三種試樣在切割機上加工成8mmⅹ8mmⅹ30mm試驗件，在M22000型滑動磨損試驗機上進行滑動磨損試驗。在相應的磨損條件下，經(jīng)過42mim的磨損時間后在電光分析天平上測其磨損量。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，同時材料性能的變化就有相應的組織成分的變化，從而可以得到相關(guān)的機理。本實驗通過攪拌鑄造法制備的AlMn合金和AlMn基復合材料。Al2O3顆粒增強鋁錳基復合材料是一種新型的復合材料，只有通過材料的組織成分觀察研究，才能知道Al2O3增強顆粒的加入對基體合金的組織影響，為Al2O3顆粒增強鋁錳基復合材料各性能的變化有相應的理論依據(jù)。（1）AlMn合金成分由于制備過程中材料的損耗問題，最后材料的成分需要最后的測定。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）。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AlMn復合材料成分Al2O3顆粒增強AlMn復合材料是在以鋁錳合金為基體的基礎(chǔ)上加入Al2O3增強顆粒制備出來的。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，這主要是因為1試樣在凝固的過程中，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）。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，但是還通過攪拌法成功的加入了高硬度細小的Al2O3顆粒。圖35 2試樣（%Mn基復合材料）的掃描電鏡照片圖36 2試樣（%Mn基復合材料）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（復合材料）和1試樣（合金）,。Al2O3顆粒硬度很高，均勻分散于較軟的合金基體中使得Al2O3顆粒的增強作用得到充分的發(fā)揮，提高材料的硬度值。表33 試樣橫向沖擊試驗數(shù)據(jù)試樣編號A0012沖擊韌性(HBS)外質(zhì)顆粒的加入會制約基體的變形，降低材料的塑性，所以一般的顆粒增強復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。我通過下面分析可得造成這種現(xiàn)象的原因?？梢姡?試樣（合金）和2試樣（復合材料）的斷口面上都存在著大量韌窩和撕裂棱，撕裂棱細密、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。2（%Mn基復合材料）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，拉伸試驗過程中阻礙晶體中位錯運動，使位錯塞積產(chǎn)生應力集中，材料難以變形，相對的降低材料的塑性，當達到臨界應力時，就會在Al2O3顆粒的界面開始斷裂。圖310 1（%Mn合金）的斷口形貌 圖311 2（%Mn基復合材料）的斷口形貌 通過預定的制備工藝制備出來的材料，再對材料成分、組織及部分的機械性能方面進行了測試分析，得到了一下主要結(jié)論：（1）采用攪拌鑄造法制備的Al2O3顆粒增強鋁錳復合材料，它的組織成分與相應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。（3）由于外質(zhì)Al2O3顆粒能阻礙位錯運動，導致應力集中，降低材料的塑性。第五章 %Mn復合材料在室溫下干滑動摩擦磨損性能 試驗材料及方法摩擦磨損試驗在M22000型試驗機上進行，實驗裝置示意圖如圖41所示。材料在試驗的過程中，1min、3min、5min和以后每隔5分鐘從試驗機上讀取摩擦力矩（T）數(shù)據(jù)，結(jié)果按式(41)計算轉(zhuǎn)換為摩擦系數(shù)。通過掃描電鏡觀察材料磨損面，并進行EDS分析。 (42)式中：LTP—摩擦距離；ΔG—材料磨損質(zhì)量[62]。但在各種載荷條件下，2試樣（Al2O3顆粒增強鋁錳復合材料）具有最低的磨損率。在較高的載荷下，復合材料質(zhì)量磨損率越來越明顯的好于基體鋁錳合金。 載荷、摩擦時間對材料干滑動摩擦摩擦系數(shù)影響及研究圖43 AlMn合金（1）及其復合材料（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。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，同時復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。這主要是因為：在滑動磨損過程中，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，同時摩擦產(chǎn)生的部分磨粒引起各自摩面間形成“機械混合層” 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)。在整個圖形中2試樣（復合材料）的摩擦系數(shù)都低于合金的摩擦系數(shù)，同時合金的摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線也變的不是很平穩(wěn)，有一定