（材料加工工程专业论文）tical45cu原位复合材料的界面特性与磨损行为.pdf

tic ai - 4 5 c u 原位复合材料的界面特性与磨损行为研究生签字：卫袭艚狮婵2 磷摘要本文采用接触反应法制备t i c 颗粒增强铸造a 1 4 5 c u 原位复合材料，测定了复合材料在室温及高温下的力学性能，研究其拉伸性能和显微组织，及增强相含量对材料晶粒尺寸和界面的影响，探讨了复合材料的强韧化机理；同时测定了复合材料的干摩擦磨损性能，并对其磨面特征进行了研究。实验结果表明，室温下，复合材料的延伸率最高可达1 2 3 ，较基体提高了2 9 6 8 ，抗拉强度也相应提高了6 3 高温下，复合材料的延伸率提高了1 1 2 1 ，同时抗拉强度提高了约3 0 。观察其显微组织发现，t i c 与基体界面结合很好，且弥散分布，颗粒平均尺寸小于1 0 0 r i m ，且容易在a 舢的晶界处析出：t i c 颗粒作为口a i 非均质形核的良好基底，对强化基体有重要的作用。当滑移的切应力大于颗粒与基体的界面结合力时，则出现界面脱粘及在界面处形成空洞，空洞随着应力的增加通过塑性撕开机制而长大并相互连接形成裂纹，由于局部颗粒聚集区的塑性较差，裂纹的扩展较为迅速，并最终导致材料的断裂。对复合材料强韧化机制的讨论表明，颗粒弥散强化和位错增殖强化是币d 触4 5 c u原位复合材料的主要强化途径。在干摩擦磨损条件下，当载荷在1 0 n , 、- - 2 5 n 范围内，基体合金和5 w t t i c 脚4 5 c u原位复合材料处于较稳定的摩擦磨损阶段，但在载荷为3 0 n 时，基体合金在随摩擦距离的增加过程中已经出现磨损量增大速率加快，粘着磨损程度加大的迹象，而5 w t t i c 脚4 5 c u 原位复合材料表现出良好的抗粘着磨损性。不同时间的摩擦磨损性能：复合材料和基体合金磨损曲线的变化趋势大致相同，只出现了磨合和稳定磨损两个阶段，还未进入快速磨损阶段。复合材料较基体合金表现出良好的抗粘着磨损性，其磨损机制主要以轻微的粘着与磨粒磨损为主。关键词：t i c 4 5 c u 原位复合材料；拉伸性能；显微组织；界面；干摩擦磨损s t u d yo nt h ei n t e r f a c ep r o p e r t i e sa n dd r yw e a rb e h a v i o u ro ft i c a l 一4 5 c ui n s i t uc o m p o s i t e sd i s c i p l i n e ：m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n gs t u d e n ts i g n a t u r e ：s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ：a b s t r a c tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fi n s i t ut i c a i 一4 5 c uc o m p o s i t e sf a b r i c a t e db yd i r e c tr e a c t i o ns y n t h e s i sm e t h o da tr o o mt e m p e r a t u r ea n dh i g ht e m p e r a t u r e s ( 1 0 0 。c ，2 0 0 c ，3 0 0 。cr e s p e c t i v e l y )a n dt h em o r p o l o g yo fr e i n f o r c e dp h a s eh a v eb e e ni n v e s t i g a t e di nt h i sr e s e a r c h t h ed r ys l i d i n gw e a l b e h a v i o u ro ft h ec o m p o s i t e sa n da 1 - 4 5 c ua l l o ya tr o o mt e m p e r a t u r ea g a i n s ts p h e r o i d a lg r a p h i t ec a s ti r o nw a st e s t e dt o o t h er e s u l ts h o w e dt h a t ，c o m p a r e dw i t l lt h em a t r i xa l l o y ：t h et e n s i l ep r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e sw a sb e t t e r , i n c r e a s e db y6 3 a n d2 9 6 8 a tr o o mt e m p e r a t u r er e s p e c t i v e l y ；a th i g ht e m p e -r a t u r e ，t h et e n s i l ep r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e sw a si n c r e a s e db y3 0 a n d1 12 1 t h eo b s e r v a -t i o no nt h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ec o m p o s i t e ss h o w e dt h a tt i cp a r t i c l e sw i t ha v e r a g es i z eo f10 0 n mw e r ed i s p e r s e dh o m o g e n e o u s l yi nt h em a t r i xo f 口一a 1 ，t i cp a r t i c l e sp l a y e dr o l e so fh e t e r o g e n e o u sc o r e s ，a n dh a r d e n e dm a t r i xe f f e c t i v e l y w h e nt h es l i d i n gs h e a rs t r e s si sg r e a t e rt h a nt h ei n t e r f a c eb i n d i n gf o r c eo ft h ep a r t i c l e sa n dm a t r i x ，i tw i le m e r g ei n t e r f a c i a ld e b o n d i n gs t i c k ya n df o r mah o l l o wi nt h ei n t e r f a c e t h eh o l l o wg r e w 、历mt h es t r e s si n c r e a s et h r o u g ht h et e a r i n gm e c h a n i s mo fp l a s t i ca n df o r m e dc r a c k s d u et ot h ew o r s eo ft h ep l a s t i ci np a r t i c l e sd e n s ea r e a s ，t h em o r eq u i c k l yc r a c k ss p r e a dw h i c hr e s u l t e di nt h ef r a c t u r e t h er e s u l t so ft h ea n a l y s i so ft h em a i ns t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mo fc o m p o s i t e sw e r ed i s p e r s i o ns t r e n g t h e n i n ga n dd i s l o c a t i o ns t r e n g t h e n i n g u n d e rt h ed r ys l i d i n gw e a rc o n d i t i o n s ，w h e nt h el o a db e t w e e n10 na n d2 5 nt h em a t r i xa l l o ya n dt i c a i 一4 5 c uc o m p o s i t e sw e r ei nt h em o r es t a b l es t a g eo fd r yw e a r w h e nt h el o a dw a s3 0 n ，t h ew e a l - l o s sa n da d h e s i v ew e a ro ft h em a t r i xa l l o yi n c r e a s ew i t ht h ei nf r i c t i o n b u t5 w t t i c a i - - 4 5 c uc o m p o s i t e ss h o w e dg o o da n t i - a d h e s i v ew e a r t h ep r o p e r t i e so fd i f f e r e n tt i m e so ft h ef r i c t i o na n dw e a r ：t h ew e a rc u r v e so fc o m p o s i t e sa n dm a t r i xa l l o yw e r es i m i l a r t h e r ew e r eo n l yar u n n i n ga n ds t a b l ew e a rp h a s e s c o m p a r e dw i t ht h em a t r i xa l l o y ，t i c a i 一4 5c uc o m p o s i t e ss h o w e db e t t e ra n t i a d h e s i v ew e a ra n di t sw e a rm e c h a n i s m sw e r em a i n l ym i n o ra d h e s i o na n da b r a s i v ew e a r k e yw o r d s ：t i c a 1 4 5 c u ；t e n s i l ep r o p e r t i e s ；m i c r o s t r u c t u r e ；i n t e r f a c e ；d r ys l i d i n gw e a r主要符号表含义粒子间距时间切变模量泊松比位错的柏氏矢量粒子平均直径颗粒半径电子束的入射角晶面间距入射波长摩擦系数体积磨损率磨环外径晶面指数磨环宽度磨痕宽度磨损体积磨环半径摩擦力矩转速试验载荷粒子间距位错线管道半径滑移方向上的原子间距剪切强度极限枵入tgyb如r。心入f诋d，主hb rmnf 珧内b 佃窄(学位论文知识产权声明学位论文知识产权声明本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间学位论文工作的知识产权属西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。学校有权保留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容。可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定)学位论文作者签名：卫菪臌轹确乞嗍21 i 广7 学位论文独创性声明学位论文独创性声明秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，不包含本人已申请学位或他人已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。学位论文作者签名：卫蓉指导刻醛氆岬砂醐_ 呷t 厂7 6 51绪论1 1 引言1 绪论随着航空航天和汽车工业对材料性能要求的提高，传统的合金已不能满足使用要求。复合材料集多种材料优点于一身，具有高比强度、高比模量、低密度等一系列优点。尤其是金属基复合材料( m m c s ) ，融合了金属与陶瓷、金属与金属间化合物的特性，既具有优异的力学性能，又具有导电、导热、耐磨损、尺寸稳定等一系列金属特性，是一种优良的结构材料。随着新的复合材料制备技术的研究成功及低成本的增强物的开发，金属基复合材料已应用于汽车、运输器等民用工业部门中，使其用途更进一步的拓展。自从金属基复合材料出现以后，人们发现m m c s 其中一个主要优点就是高耐磨性，这也为寻找低密度、高耐磨的材料开辟了一条新路。原位增强金属基复合材料( i n s i t um m c s ) 是8 0 年代起源于美国的一种制备自生陶瓷颗粒增强金属基复合材料的新工艺，近年来在我国得到迅速发展。与传统复合材料相比，它具有如下优点：反应合成的潜在热力学稳定性；增强相基体界面相容性好，无反应发生；合成成本低；增强相颗粒尺寸小，同时颗粒分布弥散( 约0 1 1 0 r t m ) ；且材料力学性能优良。在复合材料合成过程中不会经历与操作细粉相关的困难或者风险。现代工业及高技术的发展对新材料的要求越来越高，高强、高韧、超硬、耐高温、耐磨、耐腐蚀等特性是现代工业应用领域对材料的新要求。因此研制新型的原位增强金属基复合材料，具有十分重要的科学和社会价值。目前，在国内已经有许多高校和科研院所在进行金属基复合材料的研究，但大都集中在制备工艺以及材料机械性能方面的研究，在金属基复合材料的界面反应机理方面的研究尚属空白。因此本课题在铸造的基础上提出一种原位反应法制备金属基复合材料，并主要研究其界面区域特性与摩擦磨损行为之间的关系。1 2 原位增强金属基复合材料的发展概况1 2 1 原位增强金属基复合材料的定义及特点原位复合的概念源于原位结晶，早在1 9 6 7 年，前苏联科学家a g m e r z h a n o v 等在用s h s 法合成t i b 2 c u 功能梯度材料时，就提出了原位复合材料的构想，但当时并未引起人们的重视。直到8 0 年代中期，当美国l a n x i d e 公司和d r e x e l 大学的m t k o c z a k等1 2 j 先后报道了各自研究的原位a 1 2 0 3 a i 和t i c a i 复合材料及其相应的制备工艺后，才正式在世界范围内拉开原位m m c s 研究工作的序幕。美国金属学会( a s m ) 分别于1 9 9 3和1 9 9 5 年两次召开了原位复合材料的国际专题研讨会。原位m m c s 及其制备技术已成为材料科学工作者普遍关注的研究课题。西安丁业人学硕士学位论文原位反应制备原位复合材料( i ns i t uc o m p o s i t e ) 合成技术的基本原理是在一定条件下，依靠合金成分设计，通过在合金液内发生化学反应，生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷或金属间化合物增强体而达到增强金属基体的目的。原位复合材料的特点如下：( 1 ) 增强体是从金属基体内原位形核长大的热力学稳定相，因此，增强体表面无污染，避免了与基体润湿性不良的问题，而且界面结合强度高。( 2 ) 通过合理选择反应元素( 或化合物) 类型、成分及反应性，可有效地控制原位增强体种类、大小、数量和分布。( 3 ) 省去了增强体单独合成、处理和加入等工序。因此，其工艺简单、成本较低。( 4 ) 直接采用从液态金属基体中原位形成增强体的工艺制各复合材料，可用铸造方法制备形状复杂、尺寸较大的净近形构件；( 5 ) 在保证材料具有较好的韧性和高温性能的同时，可较大幅度地提高材料的强度和弹性模量。金属基原位复合材料由于具有高强度且延伸率好，而且具有生产设备廉价，工艺简单，节能高效，产品质量高等优势，因此越来越受到国内外材料工作者的关注。但由于原位复合材料的研究时间较短，在制备工艺、增强机制、材料性能及应用等方面还存在一些问题，有待于进一步研究及完善。目前，对金属基原位复合材料的研究主要集中在以下几个方面：( 1 ) 原位复合材料的制备工艺研究和创新；( 2 ) 增强相的生成机制、尺寸控制及增强相的分布控制；( 3 ) 增强体与基体的金属学关系，显微组织与力学性能的关系；( 4 ) 增强相对材料的强化机制及韧化机制；1 2 2 原位增强金属基复合材料的制备方法金属基原位复合材料的制备方法根据参与合成增强体的反应组分存在的状态不同分为：气一液反应，固一液反应，固一固反应，液一液反应4 种反应模式，后三种方法主要适合于制备高温金属基或金属间化合物基原位复合材料。每种方法内又可细分，整体关系见图1 1 。( 1 ) 气一液反应v l s 法由m j o c z a k 等人【l 】发明并申报美国专利。其工艺是将含有c 或n 的气体与合金液中的个别组分反应，在合金基体中形成稳定的高硬度、高弹性模量的碳化物或氮化物，冷却凝固后即获得这种陶瓷颗粒增强的金属基复合材料。该工艺一般包括如下两个过程：气体的分解，c h a ( g ) 专c ( s ) + 2 h 2 ( g ) ，2 n h 3 ( g ) 一n 2 ( g ) + 3 h 2 ( g ) ；和气体与合金的化学反应及增强颗粒的形成，c ( s ) + a 1 t i ( 1 ) _ a l ( 1 ) + t i c ( s ) ，n2( g ) + a 1 t i ( 1 ) 啼a l ( 1 ) + t i n ( s ) + a i n ( s ) 。为了保证上述过程的顺利进行，一般要求较高的合金熔体温度和尽可能大的气液两相接触面积，并应采取适当措旌抑制a 14 c3等有害化合物的产生。研究还发现，通过控制气体中n 2 分压和合会熔体中c 的活度以及21绪论加入一定量的合金元素，可抑制a l4 c 3 等有害化合物的生成。由美国l a n x i d e 公司开发的l a a x i d e 法，也是利用了上述气一液反应的原理，它由金属直接氧化法( d i m o x t m ) 和金属无压力浸渗法( p r i m e ) 两者组成1 2 。d i m o x t m法是将高温金属液( 如a l ，z r 等) 暴露于空气中，使其表面首先氧化生成一层氧化膜( 如a 1 2 0 3 ，t i 0 2 ，z r 0 2 等) 。里层金属再通过氧化层逐渐向表层扩散，暴露空气中后又被氧图1 1 金属基复合材料的制备方法关系图化，如此反复，最终形成金属氧化物增强的m m c s 或金属增韧的陶瓷基复合材料( c m c s ) 。为了保证金属的氧化反应不断进行下去，n e w k i r 等人p l 研究认为，加入一定量的合金元素，可破坏表层a 1 2 0 3 膜的连续性，以保持a l 液与已形成的a 1 2 0 3 之间的显微通道畅通，并可降低液态a l 合金的表面能，从而增强生成的a 1 2 0 3 与铝液的相容性，这样使得氧化反应能不断地进行下去。目前，有关d i m o x 法的研究包括a 1 2 0 3 形成的反应动力学分析及材料的显微组织结构分析等。在p m m e x t m 法中，同时发生两个过程：一是液态金属在环境气氛的作用下向陶瓷预制件中的渗透；二是液态金属与周围气体的反应而生成新的增强粒子。目前，利用l a x i d e 法主要用于制备铝基复合材料或陶瓷基复合材料，其制品已在汽车、燃气和涡轮热交换机上得到一定的运用。反应喷射沉积工艺是在d i m o x t m 法和喷射沉积工艺的基础上发展起来的。它是利用一个特殊的液体喷射分散装置，在氧化性气氛中，将铝液分散成大量细小的液滴，使其表两安t 业火学硕十学位论文面氧化生成a 1 2 0 3 膜。这些带有a 1 2 0 3 膜的液滴在沉积过程中，相互碰撞使表层a 1 2 0 3 膜破碎分散，同时内部a l 液迅速冷却凝固，从而形成具有弥散分布的a 1 2 0 3 粒子增强的a l 基复合材料。( 2 ) 固一液反应法直接反应法是将固态碳粉或硼粉直接加入到高温合金熔体中，使c 或b 同合金液中个别组元反应，从而在基体中形成了碳化物或硼化物的增强粒子。还原反应法利用了化学上的还原反应的原理，即将不稳定的化合物加入到合金熔体中，使合金熔体中的组元与加入的化合物发生热还原反应，生成所需要的更加稳定的陶瓷或金属间化合物增强相。挤压反应铸造法是将合金液挤压渗透到预制件中，使合金液中的合金元素在高温作用下与预制件中的某一组元发生化学反应，产生新的增强相，从而达到强化基体的目的。( 3 ) 液一液反应法该工艺由美国s u t e k 公司发明并申请美国专利【4 j 。它是将含有某一反应元素( 如t i )的合金液与含有另一反应元素( 如b ) 的合金液同时注入一个具有高速搅拌装置的保温反应池中。混合时，两种合金液中的反应组分充分接触，并反应析出稳定的增强相( 如t i b 2 ) 。随后，将混合金属液铸造成形或快速喷射沉积，即可获得所需的复合材料。( 4 ) 固一固反应法自蔓延高温合成法( s h s ) 【5 6 】是苏联科学家a g m e r z h a n o v 等于1 9 6 7 年提出的。它是利用高放热反应的能量使两种或两种以上物质压坯发生化学反应，自动持续蔓延下去，生成金属陶瓷或金属间化合物的方法。x d r m 法由美国m a r t i nm a r i e t t a 实验室发明【7 1 。它是将两个固态的反应元粉末和金属基体粉末混合均匀并压实除气后，将压坯快速加热到金属基体熔点以上的温度，这样，在金属基体熔体的介质中，两固态反应元素相互扩散、接触并不断反应析出稳定的增强相，然后再将熔体进行铸造、挤压成形。接触反应法是在综合了s h s 法和x d t m 法优点的基础上发展起来的又一制造原位m m c s 的方法。首先，将反应元素粉术按一定比例混匀，并制成预制块，然后，用钟罩等工具将预制块压入一定温度的金属液中。在金属液的高温作用下，预制块中的元素发生化学反应，生成所需的增强相，搅拌后浇注成形。混合盐反应法是英国l o n d o ns c a n d i n a r i n a i a nm e t a l l u r g i c a l 公司的专利技术。它是将含有t i 和b 的盐类( 如k b f 4 和k 2 t i f 6 ) 混合后，加入到高温的金属熔体中，在高温作用下，所加盐中的t i 和b 就会被会属还原出来而在金属熔体中反应形成 f i b 2 增强粒子，扒去不必要的副产品，浇注冷却后即获得了原位t i b 2 增强的金属基复合材料。用此法强化的2 0 1 4铝合金的抗压强度ob 可达5 2 0m p a l 8 1 ，且生产成本低。为推广此方法，欧共体决定资助由欧洲3 所大学研究机构和包括d a i m l e rb e n z ，f i a t ，a e r o s p a t i a l e 公司在内的生产厂家提出的研究计( i n s i t up r o c e s s i n go f a l u m i n i u mm a t r i xc o m p o s i t e s ，简称i s p r a m ) 。以上各种方法虽各有特点，但具有以下两方面的共性：一是增强体都是经过反应在基41 绪论体中自生的，增强体基体界面清洁、稳定、结合强度大且增强体尺寸均小于l 岬：二是复合材料的强度、韧性以及其它力学性能取决于原位生长的增强体本身物理性质、几何尺寸以及其显微组织形态和基体相的含量【9 j 。因此，原位复合材料制备方法的研究一般集中在合金的配制、参与反应物质的设计、采用的工艺方法、原位反应的机理以及原位复合材料微观结构与性能研究等方面，并在这些方面已发表了大量的研究论文i i 叫3 1 。从制备工艺的便利性上来看，混合盐反应法最为简单，它基于铝合金的熔炼技术，成本低，过程容易控制，易于批量生产，可以一步到位地制得形状复杂、尺寸大的构件，因此被认为是最有希望实现产业化的工艺技术。1 3 金属基复合材料界面的研究金属基复合材料的基体一般是金属合金，既含有不同化学性质的组成元素和不同的相，同时又具有较高的熔化温度。因此，此种复合材料的制备需在接近或超过金属基体熔点的高温下进行。金属基体与增强体在高温复合时易发生不同程度的界面反应；金属基体在冷却、凝固、热处理进程中还会发生元素偏聚、扩散、固溶、相变等。这些均使金属基复合材料界面区的结构十分复杂。界面区的组成、结构明显不同于基体和增强体，受到金属基体成分、增强体类型、复合工艺参数等多种因素的影响。金属基复合材料界面是指金属基体与增强体之间因化学成分和物理、化学性质明显不同，构成彼此结合并能起传递载荷作用的微小区域。界面微区的厚度可以从一个原子层到几个微米。由于金属基体与增强体的类型、组分、晶体结构、化学物理性质有巨大差别，以及在高温制各过程中有元素的扩散、偏聚、相互反应等，从而形成复杂的界面结构。界面区包含了基体与增强体的接触连接面、基体与增强体相互作用生成的反应产物和析出相、增强体的表面涂层作用区、元素的扩散和偏聚层、近界面的高密度位错区、以及近界面基体及增强体的微区结构等。在金属基复合材料界面区出现材料物理性质和化学性质等的不连续性，使增强体与基体金属形成了热力学不平衡的体系。因此，界面的结构和性能对金属基复合材料中应力和应变的分布、导热导电及热膨胀性能、载荷传递、断裂过程等，都起着决定性作用。针对不同类型的金属基复合材料，深入研究界面精细结构、界面反应规律、界面微结构及性能对复合材料各种性能的影响，界面结构和性能的优化与控制途径、以及界面结构性能的稳定性等，是金属基复合材料发展中的重要内容。界面微区结构和特性对金属基复合材料的各种宏观性能起着关键作用。清晰地认识界面微区、微结构、界面相组成、界面反应生成相、界面微区的元素分布、界面结构和基体相、增强相结构的关系等，无疑对指导制备和应用金属基复合材料具有重要意义。对于金属基复合材料中陶瓷增强颗粒与基体之间的界面反应方面的研究在最近也有报道1 1 4 - 15 1 。已有研究主要集中在s i c f e t l 6 1 、( t i b + t i c + y 2 0 3 ) t i t l7 1 、w c f e 4 0 n i 4 0 s i l 4 8 6 1 1 引、( t i ，w ) c c o 1 9 , 2 0 1 、s i c w t 2 l 】等界面的研究。而这些界面研究基本都是基于激光溶覆、粉术两安工业大学硕十学位论文冶金等制备工艺上的，而对于原位反应法制备颗粒增强金属基复合材料的界面，尤其是t i c a 1 基复合材料界面的研究还相当少，因此研究原位法制备复合材料过程中增强颗粒与基体之间的界面显得非常必要。1 4 原位增强铝基复合材料摩擦磨损行为的研究现状1 4 1 摩擦磨损理论摩擦学是有关摩擦、磨损与润滑科学的总称，涉及到多门学科，如流体力学、固体力学、流变学、热物理、应用数学、材料科学、物理化学等内容，摩擦学的研究对国民经济具有十分重要的意义。据估计，全世界大约有1 2 1 3 的能源以各种形式消耗在摩擦上，而摩擦导致的磨损是机械设备失效的主要原因，大约有8 0 的损坏零件是由于各种形式的磨损引起的。因此，摩擦学已引起了各国的普遍重视，成为近几十年来迅速发展的技术科学，并得到日益广泛的应用。简单的摩擦磨损理论1 9 】主要有3 种：( 1 ) 机械啮合理论；( 2 ) 粘着理论；( 3 ) 机械分子理论。磨损机理分类l 冽：( 1 ) 粘着磨损两个物体互相滑动时产生摩擦破坏，磨损产物由一个表面脱落粘到另一个表面，然后在相继的摩擦过程种表面发生断裂，形成自由质点，也可能再粘到原来的表面上。粘着磨损可以在任意的循环中形成，粘着以后的分离断裂并不一定在起初的接触表面发生。( 2 ) 磨料磨损是硬质点( 或软基点中含有硬质点) 滑过或犁过金属表面时产生的破坏形式，形成与机械加工相似的微型切屑，磨料磨损表面常有犁沟或犁皱。( 3 ) 腐蚀磨损在腐蚀介质中进行摩擦时，金属表面形成的薄膜在摩擦力作用下发生破坏，由于腐蚀作用不断发生，腐蚀、破坏、再腐蚀、再破坏不断出现。在氧化性介质中形成的这种磨损叫氧化磨损，它的磨损产物为各种氧化物。氧化磨损时，表面比较平滑。( 4 ) 接触疲劳又称疲劳磨损或表面疲劳。在滚动或在滚动与滑动的混合摩擦条件下，金属表面因反复加载与卸载，表面或者皮下形成裂纹，随后导致的磨损称为接触疲劳。它的磨屑成块状，表面形成大小不等的麻斑，因此又称为痘斑磨损。接触疲劳发生之前没有预兆，研究比较困难。影响金属基复合材料摩擦磨损因素可分为外部因素和内部因素。外部因素即磨损时的工作条件，包括载荷、速度、环境介质；内部因素包括基体组织、增强相性质( 如形状、尺寸、分布) 。( 1 ) 载荷由于金属基复合材料的磨损表面凹凸不平，载荷的分布也各不相同，所以接触时各接触点的接触面积以及所发生的摩擦热量在任一瞬间也不相同，摩擦热引起磨损表面氧化、软化、硬化、甚至熔化，使磨损过程变得十分复杂。一些研究【2 3 彩】表明金属基复合材料的磨损量随载荷的变化可分为三个阶段：( a ) 轻微磨损阶段，此时磨损接触面积小，复合6l绪论材料中第二相颗粒承担主要载荷，从而极大地保护了基体，磨损机制为显微切削。( b )中等磨损阶段，复合材料中增强体在正压力的作用下颗粒破碎，不能起到较大的承载作用，基体开始出现大的塑性变形，主要磨损机制为表层剥落磨损。( c ) 严重磨损阶段，由于硬质第二相颗粒的加入提高了基体的高温强度和热稳定性，提高了复合材料发生严重磨损的转变载荷。( 2 ) 滑动速度滑动速度对磨损表面的变形和破坏机制、对摩擦表面的发热和温度升高有直接的影响。如著名的w v ( 磨损率一滑动速度) 的双峰关系曲线【2 6 】。l e e 2 7 1 等的实验结果表明，对不同的复合材料体系和不同的配偶件，磨损率随速度的升高都出现“双峰”现象。当滑动速度很小时，复合材料的摩擦系数较高，磨粒磨损严重，磨损率大，当滑动速度增大时，耗费在塑性变形的能量以热的形式散失，引起摩擦表面升温氧化，由于氧化膜的作用，摩擦系数减小，复合材料的磨损率逐渐降低，如果速度进一步增大，表面的塑性变形应变率将达1 0 一1 0 6 s ，这就可能在1 0 。2 s 时间内瞬时温度高达1 0 0 0 c 。在局部高压下，紧靠近磨损表面少量的金属将有可能发生相变。以位错应变能形式储存的塑性变形功，也提供相结构变化的驱动力。与此同时还表现为绝热剪切过程，甚至在一定条件下造成局部熔化磨损，磨损率又逐渐加大。( 3 ) 环境介质因素环境介质因素包括空气的湿度、润滑介质及电场等等。对s i c 、s i 3 n 4 颗粒增强铝基复合材料，在润滑条件下的耐磨性较基体合金大大提高，复合材料在油润滑条件下可承受更高的载荷和滑动速度。在电场作用下，金属基复合材料摩擦副之间有电流通过，从而引起电弧烧蚀( 也称电磨损) 。电磨损过程中弧坑和弧馏的形成与材料的性能有关。灭弧性能好的材料不易受电侵蚀，因此金属基体中加入一定量z n o 、p b o 、t i b 2 等金属氧化物和硼化物，有利于提高复合材料的灭电弧能力和耐磨性。荣伟等【2 8 , 2 9 1 对c u - t i b 2 复合材料进行了电接触磨损试验，指出t i b 2 陶瓷颗粒具有很高的硬度和良好的灭弧能力，从而使铜基复合材料具有良好的耐磨、减摩、抗熔焊和耐电弧侵蚀性能等优点。( 4 ) 基体组织在磨损过程中，磨损表面在应力作用下，温度上升可能使韧性基体产生塑性变形，再结晶和相变。所发生的这些现象都影响着复合材料表面的机械性能。根据对材料磨损形成由表及里的应变梯度测定，韧性材料磨损时所做的功，几乎完全由磨损面和次表面塑性变形所消耗。因此，磨损表面的接触状态由变形区深度、应变力、材料的应变硬化性能以及表面的应变状态来决定。严有为【3 0 】等对原位t i c f e 复合材料不同基体与耐磨性的关系进行研究，实验表明，基体组织对复合材料的耐磨性有着重要的影响，高硬度的马氏体对t i c 颗粒的支撑作用优于珠光体，因此在磨损表面，珠光体基体中的t i c颗粒容易被剥落，导致材料严重磨损。( 5 ) 增强体的种类、大小、形状和含量一般认为增强体的种类、大小、形状及体积分数是影响颗粒增强金属基复合材料非常7两安工业人学硕十学位论文重要的因数，因为颗粒增强金属基复合材料的耐磨性一般都比基体有所提高。例如，铝基复合材料在大多数情况下表现了优于基体铝合金的耐磨性，其耐磨性是基体的4 1 6 0 倍1 3 1 1 。s a t o 等发现【3 2 3 3 1 在低载荷下硬度相差不大的增强体颗粒女i i s i c 、t i c 、a 1 2 0 3 等对复合材料的耐磨性相似，是基体的4 5 倍，这说明增强体硬度对复合材料耐磨性有直接的贡献。一些研究者【3 4 3 5 】认为在低载荷下，复合材料的磨损率随增强体颗粒的增大而减小，而颗粒脱落、破裂变得锋利时，复合材料的磨损率将显著增加，但当增强体颗粒细化到纳米级时，纳米颗粒不容易从软基体中排出，从而提高复合材料的耐磨性。增强体的体积分数是对金属基复合材料十分重要的参数，其广泛影响复合材料的各种性能，从而影响耐磨性。如一般情况下复合材料弹性模量和强度随增强体体积分数增加而升高，塑性、韧性却正好相反。另外增强体含量的增加提高了材料的高温性能，增加磨损表面增强颗粒数量，降低复合材料与配偶件粘着几率，使复合材料由轻微磨损到严重磨损的转变载荷普遍升高，抗咬合性能提高。但是，复合材料磨损率随硬质陶瓷相含量的增加而降低是有一个临界值的，超过了该值，情况相反。例如，a n a n d 等【3 6 】在a 1 2 0 3 a 1 z n l o 体系中发现，体积分数超过3 5 w t 时，材料的性能呈下降趋势。这是因为增强体体积的增加使得增强相和基体的界面面积增大，而界面是缺陷的发源地，所以过大的界面面积将逐渐抵消增强体的增强效果，从而使磨损率逐渐升高。这也说明了增强体体积分数的增加造成的硬度和界面效应共同作用于复合材料的磨损性能。从已有资料来看，学者们考虑了这么多影响金属基复合材料摩擦磨损性能的因素，但很少注意到界面因素对金属基复合材料摩擦磨损性能的影响。尽管有学者【27 3 6 j 已经意识到界面行为显著影响着金属基复合材料的力学性能和摩擦磨损性能，但目前对金属基复合材料的界面影响因素研究尚属空白，因此研究界面因素对金属基复合材料摩擦磨损性能的影响显得尤为重要。1 4 2 原位增强铝基复合材料摩擦磨损性能研究现状颗粒增强铝基复合材料具有高比强度、比刚度、低的热膨胀系数和优良的耐磨性能。相对于纤维增强金属基复合材料，由于其制造工艺简单、成本低、可批量生产，且可用常规的金属加工方法制造各种形状复杂的零件和型材，成为当今金属基复合材料研究发展的主要方向之一。目前普遍认为，颗粒增强铝基复合材料在用于摩擦磨损情况下的零部件，具有很大的应用潜力。因此，研究颗粒增强铝基复合材料的摩擦磨损性能具有十分重要的意义。但目前的研究主要集中在对外加颗粒增强金属基复合材料耐磨性的研究上。r a n a；r l s t e f a q n e s c u t 3 7 】研究t s i c 增强a 1 1 5 m g 合金复合材料与工具钢配副之间的摩擦系数。发现随着s i c 颗粒体积分数的增加，摩擦系数降低，当s i c 的体积分数保持不变，随s i c 颗粒尺寸减小，摩擦系数降低。在0 1 1 一o 2 1 m s 1 的速度范围内，摩擦系数与滑动速度无关。吴洁君等f 3 8 j 研究了配对材料对a i 1 0 s i s i c d 复合材料滑动摩擦性能的影响，发现在试验条件下4 0 c r 钢适合与该铝基复合材料配对使用，而黄铜和该材料配对使用，则会大大降低复合材料耐磨损性能，在较低载荷条件下，a l 一1 0 s i s i c 。自配对磨损率很低，亦能自配对使r1 绪论用。陈跃等【3 9 1 研究了颗粒增强铝基复合材料摩擦磨损特性，结果表明，随接触压力的增加，材料的磨损率增加，随摩擦速度的增加，材料的磨损率减小，z l l 0 1 合金的磨损率比复合材料要大近3 个数量级。复合材料的磨损率仅为h t 2 5 0 的1 3 。随接触压力、速度的增加，材料的摩擦系数降低。复合材料的摩擦系数与h t 2 5 0 的相当，摩擦系数稳定性优于h t 2 5 0 。z h a n g 等【4 0 】研究了s i c 颗粒增强灿l i 合金刮擦试验中的摩擦系数，刮擦试验分别在室温和2 0 0 下进行，使用的刮擦速度为6 m m s ，载荷范围为1 - - 2 0 n ，采用具有1 3 6 。顶角的锥形金刚石压头。研究发现，室温下含3 0l am s i c 颗粒的复合材料摩擦系数与载荷无关，而含1 3um s i c 颗粒的复合材料摩擦系数随载荷增加而增加，压头穿透深度与颗粒直径的比值对摩擦特性有显著影响。在高温下，由于金属基复合材料的软化，基体中的裂纹进一步扩展，产生许多不连续的凹坑，这增加了压头的接触面积，导致摩擦系数增加。原位增强金属基复合材料由于颗粒增强是由熔体内反应生成的，其界面洁净、无污染，其力学性能优于外加颗粒增强金属基复合材料，近年来得到人们的普遍重视，对其耐磨性的研究还处于探索阶段。张健等【4 l 】利用熔融铝合金的直接氧化反应制备了具有含油自润滑特性的a 1 2 0 3 舢复合材料，发现这一复合材料具有良好的含油自润滑特性。马强等 4 2 j利用t i 0 2 和b 2 0 3 制备了原位增强铝基复合材料并研究了复合材料与4 5 钢配对时的耐磨性，结果发现颗粒的加入可显著提高复合材料的耐磨性。但目前对颗粒增强金属基复合材料的摩擦磨损性能研究主要集中在p f 力i i s i c 颗粒增强铝基复合材料上【4 3 1 ，而对原位反应法制备t i c a 1 基复合材料的摩擦磨损性能的研究很少。1 5 课题意义与研究的主要内容1 5 1 研究的目的和意义原位增强金属基复合材料是近年来迅速发展起来的一种新型复合材料。由于原位复合工艺设备简单，克服了传统工艺中的一系列问题，基体与增强体浸润不良，增强体分布不均匀，特别是微小的增强体极难进行复合等，作为一种具有突破性的新工艺方法而受到普遍的重视。t i c 颗粒具有高硬度、高熔点、高模量等特性，作为增强体对提高复合材料的耐磨性和高温性能有显著的改善，因此t i c 颗粒增强铝基复合材料成为金属基复合材料领域的热门课题。本课题研究的主要目的是在熔体接触反应法制备铸造铝铜合金的基础上，研究利用此种技术制备的t i c 颗粒增强铸造铝铜合金复合材料界面区域特性，分析该材料是否存在界面反应，观察界面相组成和界面形貌，并对原位复合材料的界面特性与摩擦磨损行为进行综合分析和研究，从而为原位增强盒属基复合材料制备工艺的优化和性能的改善奠定基础。1 5 2 研究内容材料的化学成分和制备工艺决定其组织结构和性能，这四者相互联系，相互影响。从9西安： 业大学硕十学位论文材料的使用要求出发，分析材料及其构件的服役特点、失效方式，结合材料个组元对其微观组织和性能的影响等方面的资料，制定具体的实验方案，是现代材料分析理论的基本思想【4 4 4 5 1 。本文以a l - 4 5 c u 合金为基体制备t i c 颗粒增强金属基复合材料，开展新型铸造t i c a i 4 5 c u 铝铜基复合材料界面特性与摩擦磨损行为研究。研究的主要内容包括：( 1 ) 采用西安工业大学的液体搅拌法专利技术制备合格的基体合金和复合材料；( 2 ) 在室温和高温下对基体合金及复合材料进行拉伸，对比并检测所制备材料的力学性能与金相组织；( 3 ) 借助于实验仪器高分辨率透射电镜( h r t e m ) 、带能量色散x 射线谱( e d s ) 或并列式能量损失谱( p e e l s ) 的分析透射电镜( a t e m ) 、带电子探针的扫描电镜( s e m ) 、x 射线衍射或电子衍射( x r d ，e d ) 、俄歇电子谱仪( a e s ) 、扩展x 射线吸收精细结构谱仪( e x a f s )等，对t i c a i 4 5 c u 复合材料界面进行分析和观察；a 观察和测试界面相组成；b 观察和分析界面相形貌；c 分析增强相与基体之间，以及可能的界面反应产物与基体之间的金属学关系；d 分析讨论利用熔体接触反应法获得的t i c a i 4 5 c u 复合材料中增强颗粒的形成机制以及界面反应机理，为工艺优化提供指导。( 4 ) 以球墨铸铁作摩擦副材料，采用m m d 1 0 g 型磨损试验机测定试验材料的干摩擦磨损特性。1 02 原位t i c a i - 4 5 c u 复合材料室温和高温力学性能研究2 原位t i c a i 4 5 c u 复合材料室温和高温力学性能研究2 1 引言金属基复合材料中铝基复合材料得到了最广泛的研究，因为铝基复合材料不但具有比强度和比弹性率高、制造比较容易等优点，而且在国民经济的各个领域中具有较广阔的市场。铝基复合材料中的强化相有连续纤维、不连续纤维、晶须和非金属颗粒等。近年来，不连续纤维、晶须和非金属颗粒作为强化相被研究得较多，特别是颗粒分散型复合材料与纤维型复合材料相比，各向异性小，材料的成形性好，所以被认为是有广阔应用前景的材料之一。颗粒分散型复合材料中作为颗粒强化相被较多研究的有s i c 颗粒、舢2 0 3 颗粒等，而对于t i c 颗粒作为强化相、以a l - 4 5 c u 作为基体的金属基复合材料被研究的较少 4 6 1 。本章研究了t i c a i 4 5 c u 复合材料的室温和高温拉伸性能。2 2 试验原材料及设备2 2 1 试验原料试验用增强体原材料所采用的t i 粉、c 粉、舢粉和所加合金元素m g 粉的参数如表2 1 所示。表2 1 原位反应体系粉料的部分参数2 2 2 试验设备s g 2 5 1 2 型坩埚电阻炉、1 0 1 型电热恒温干燥箱、矽3 5 m m x l o m m 的不锈钢压块模具、孔径为8m m 的圆柱形不锈钢浇注模、各种型号的砂纸、抛光机、w e 1 0 a 型万能试验机、j e m 6 7 0 0 f 场发射扫描电子显微镜、压力机、石墨坩锅、n i k o ne p i p h o t3 0 0 型数码显微镜、d s c 8 2 28 差热扫描量热仪、b s 2 2 4 s 电子天平2 3 实验过程1 1两安t 业大学硕+ 学位论文2 3 1 复合材料的制备复合材料的制备工艺如图2 1 所示：图2 1 复合材料制备工艺流程图1 ) 熔炼工