（材料加工工程专业论文）tib2al45cu原位复合材料的干摩擦磨损行为.pdf

t i l j h a l - - 4 5 c u 原位复合材料的干摩擦磨损行为 学科：利料加工工程 研究生签字：五7 苹寸靛 指导教9 m 签字_ 彬l 棚l 摘要 本文采用复台盐法制备了t i b 2 ， a t - 4 5 c u 原位复台材料，测定了复合材料和 基体材料在室温、1 0 0 * c 、2 0 0 c 、3 0 0 c 下的力学性能，研究了增强相含量对材 料晶粒尺寸的影响，并对其拉伸断口进行了研究，探讨了复合材料的强韧化机理； 测定了复合材料和基体材料在室温、1 0 0 ( 2 、2 0 0 ( 2 、2 5 0 。c 时与球墨铸铁的干摩 擦磨损性能，并对其磨面特征进行了研究，探讨了复合材料和基体材料在室温时 不同载荷、不同转速、不同滑动时间时的磨损机理，在高温时不同载荷下的磨损 机理。结果表明：复合材料的室温和高温力学性能均高于基体材料，复合材料的 晶粒比基体的晶粒细小，随着增强相含量的增加，其晶粒尺寸变小，强度提高； 复合材料的摩擦系数高于基体材料的摩擦系数，磨损量小于基体材料，其耐磨性 能优于基体合金。研究发现：复合材料的强化机理为细晶强化、弥散强化；韧化 机理为：细晶韧化、增强相与基体的协调变形、增强相的圆滑外形；基体材料的 磨损机理主要为粘着磨损复合材料主要为磨粒磨损，同时伴随有其他的磨损行 为。 关健词：丽b 2 ，a l - 4 5 c u 原位复合材料；力学性能；干摩擦；磨损 t h ed r yf r i c t i o na n dw e a r b e h a v i o u ro ft i b 2 a i - 4 5 c ui n s i t uc o m p o s i t e s d i s c i p l i n e ：m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ：厶nd 一氏 s u p e r v i s o r 跳n a t u r e ： 吆吻 a b s t r a c t t i b 2 | 蛐5 c ui n - s i t uc o m p o s i t e sh a v eb e e np r e p a r e db ym i x e ds a l t sr e a c t i o ni n a 1 - 4 5 c ua l l o ym e l t t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa tr o o mt e m p e r a t u r ea n dh i g h t e m p e r a t u r e s0 0 0 x 2 ，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 d p h a s eh a v e b e e ni n v e s t i g a t e di nt h ep r e s e n tt h e s i s t h ed r ys l i d i n gw e a l b e h a v i o u ro f t 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 ma n dl l i g ht e m p e r a t u r e s ( 1 0 0 ，2 0 04 c ，2 5 0 r e s p e c t i v e l y 、a 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 n a r et e s t e dt o o t h ew e a l m e c h a n i s m so fc o m p o s i t e sa n df l l o yu n d e rv a r i o u sc o n t a c tl o a d ，s p e e d ，d u r a t i o na t r o o mt e m p e r a t u r e8 1 ed i s c u s s e d n l e 恻m e c h a n i s m so fc o m p o s i t e sa n dm a t r i x u n d e rv a r i o u sl o a da th i g ht e m p e r a t u r ea r cd i s c u s s e dt o o t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o m p o s i t e sa r ei m p r o v e di nc o m p a r i s o nw i t ht h em a t r i x a l l o ya tb o t hr o o ma n dh i g ht e m p e r a t u r e f i n eg r a i n so fr e i n f o r c e dp h a s ea r eo f c o n t r i b u t i o nt oi m p r o v eu t so f t h ec o m p o s i t e s t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to f c o m p o s i t e s i sh i g h e rt h a nt h a to ft h em a t d xa l l o y t h ew e a rl o s so fc o m p o s i t e si sl o w e rt h a nt h a t o f t h em a t r i xa l l o y t h ew e a rr e s i s t a n c eo f c o m p o s i t e si ss u p e r i o rt ot h a to f t h em a t r i x a l l o ya tb o t hr o o ma n dh i 曲t e m p e r a t u r e t h em a i nw e a rm e c h a n i s mo fm a t r i xi s a d h e s i v ew e a r , w t f i l et h el e a d i n gw e a l m e c h a n i s mo fc o m p o s i t e si sa b r a s i v ew e a r o t h e rb e h a v i o u r so f w e a ra r ef o u n da l s o k e yw o r d s ：t i b 2 a i - 4 5 c u ；i n - s i t uc o m p o s i t e s ；田w e a r ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 符号 t i b 2 h 1 s i t t lm m c s h b o b 6 n v ， u 毋 a o d 足 田 l l y ； d o e 主要符号表 名称 二硼化钛 原位增强金属基复合材料 布氏硬度 材料的抗拉强度 延伸率 晶粒数 体积 形核率 长大速度 材料的屈服强度极限 单晶体的屈服强度 多晶体中晶粒的平均直径 晶界对强度的影响程度 材料的断裂应力 p e t c h 斜率 剪切模量 产生单位面积的新表面的表面能 应变速率 有效扩散系数 外力 弹性模量 单位 m p a m p a m p a u m 田a 1 绪论 1 1 引言 1 绪论 现代科学技术的发展对材料的要求日益提高，使普通的均质材料越来越难以 满足需要。复合材料将多种材料的优点集于一身，扬长避短，兼有高强度、高模 量和低密度等一系列优点，特别是金属基复合材料以其高服役温度、高层间剪切 强度以及导电、导热、耐磨损、不吸湿、不老化、尺寸稳定等特点，受到国内外 研究工作者的广泛关注【l 】。金属基复合材料的各种性能可以通过改变基体合金和 加入增强体的形式、大小、数量以及它们的分布来进行调攘。在各种金属基复合 材料中，颗粒增强铝基复合材料受到青睐并获得了长足发展，这是由于颗粒增强 铝基复合材料具有制备工艺简单、价格便宜，适于批量生产等优点1 ”。在颗粒增 强铝基复合材料的应用过程中，人们逐渐发现材料的磨擦性能具有重要意义，这 是因为磨损是影响零件失效的一个重要原因【3 】，据估计，大约有8 0 的损坏零 件是由于各种形式的磨损引起的。传统材料的铝基复合材料产品有转动轴承、液 压泵转子、分油盖和粒子分离器等，通常要求重量轻、冈度好和抗磨损，在民用 领域，颗粒增强铝基复合材料主要应用于汽车部件，如刹车系统，发动机活塞、 控制杆、汽缸套、汽缸盖等，这些零件对磨损性能都有一定的要求| 4 6 l ，所以研 究颗粒增强铝基复合材料的磨损性能有重要的实践意义。 1 2 原位增强金属基复合材料的发展概况 1 2 1 颗粒增强金属基复合材料的发展现状 金属基复合材料科学是一门相对较新的材料科学，仅有4 0 余年的发展历史。 它是以金属或合金为基体，以高性能的第二相为增强体的复合材料。颗粒增强复 合材料是指弥散的增强相以颗粒的形式存在，其颗粒直径和颗粒间距较大，一般 大于1 m 。在这种复合材料中，增强相是主要的承载相，而基体的作用则在于 传递载荷。硬质增强相造成的对基体的束缚作用能起到一些阻止基体屈服的作 用。颗粒复合材料的强度通常取决于增强颗粒的直径、间距和体积比，但基体性 西安工业大学硕士学位论文 能也很熏要”1 。颗粒的加入形式主要有两种，一种是以外加形式形成的，一种是 以内生形式形成的。 ( 1 ) 夕b j j n 颗粒增强金属基复合材料的发展现状及存在问题 常规的颗粒增强金属基复合材料制各工艺是将已有的高性能增强相加入到 基体合金中，人们目前研究最多的是外加s i c 。，并在这方面取得一定的进展，但 外加颗粒存在一定的问题，如何促进增强体与基体的润湿、控制增强相与基体的 界面反应，是制备工艺中的难点。另外，由于颗粒是外加的，加入颗粒时容易卷 入气体和金属液表面的氧化膜，会在复合材料中形成气孔和夹杂，导致材料性能 降低。于是人们就转向内生颗粒的研究上。 ( 2 ) 内生颗粒增强金属基复合材料的发展现状 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1 7 1 人在用s h s 法合成t i b z 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 等人i s 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。 原位生长工艺制备的颗粒增强金属基复合材料，增强相是在基体中自发生长 出来的，与外加颗粒增强复合材料相比，具有如下特点：( a ) 增强体是由含增强 体组分元素的原料在复合材料制备过程中，通过反应直接生成的；( b ) 增强体与 基体构成的体系在热力学上比较稳定，无界面反应；( c ) 增强体尺寸比较细小， 通常在1u i i l 左右，在增强体含量相同的情况下，增强效果显著；( d ) 增强体通常 为尺寸细小的单晶，断裂倾向较小；( e ) 增强体在制备过程中直接生成，表面洁 净无污染。由于内生复合材料克服了外加复合材料的一些不足，因此自从8 0 年 代以来，自生复合材料的研究发展较快，尤其是自生铝基复合材料因其具有低密 度、高比强度、高比刚度、优良的高温性能及高的抗大气腐蚀能力、高的耐磨性、 良好的尺寸稳定性、良好的疲劳性能和断裂韧性在m m c s 研究领域中成为一个新 的热点i “”】。 西安工业大学硕士学位论文 1 2 2t i b 2 增强原位复合材料的发展现状 近年来，在研究原位生成t i b 2 颗粒增强铝基复合材料方面取得了显著的进 展，为何选取t i b 2 颗粒昵? 这是由于作为金属基复合材料的增强物应具有以下 基本特性：( 1 ) 增强物应能明显提高金属基体的某种所需特性，如高的强度、比 模量、高的导热性、耐热性、耐磨性、低的热膨胀系数等。( 2 ) 增强物应具有 良好的化学稳定性，在金属基复合材料制备和使用过程中，其组织结构和性能不 发生明显的变化和退化，与金属基体有良好的化学相容性，不发生严重的界面反 应。( 3 ) 与金属有良好的浸润性，以保证增强相与金属基体良好复合和均匀分 布。现在常用的增强体有s i c 、t i c 、b 4 c 、t i b 2 、t i b 、a 1 2 0 3 、a 1 3 t i 等，性能 如表l l 。在最初的研究中，较多选择了s i c ，但研究中发现s i c 易与金属基体 发生较强的界面反应，于是转向研究其它颗粒。硼化物陶瓷因其具有特殊的物理 性能与化学性能( 较高的熔点，较好的化学稳定性，超硬和优异的耐磨性能) ， 近年来很受人们的关注。在硼化物陶瓷中，t i b 2 具有最稳定的物化性能，并由于 熔点高、硬度大、弹性模量高、优良的耐磨性等优点被认为是最有希望广泛应用 的复合材料增强相。 表1 - 1 颗粒增强金属基复合材料的常用增强体的性能 增强体密度( g c m 3 )熔点( k )弹性模量( g p a ) s i c3 1 9 2 9 7 04 3 0 t i c4 9 9 3 4 3 34 4 0 b a c2 5 l2 7 2 04 4 5 t i b 2 4 5 2 3 2 5 35 0 0 t i b4 5 02 4 7 3 5 5 0 a 1 2 0 3 4 0 02 3 2 34 2 0 a l a t i 3 3 1 6 2 32 2 0 人们在研究原位生成t i b 2 颗粒增强纯铝基复合材料的制各方法中也取得了 很大的成果。原位增强自生法源于自蔓延燃烧现象，本世纪6 0 年代末被前苏联 科学家应用到复合材料的制备工艺中，该法被称为自蔓延燃烧反应法，简称s h s 法。以后在此基础上又发展了许多新的自生法，常见的有x d 法、v l s 法、d i m o x 西安工业大学硕士学位论文 法、m a 法、m c r 法、混合盐反应法等。混合盐法是由l o n d o ns c a n d i n a v i a n 冶 金公司根据铝合金晶粒细化剂生产工艺提出的一种生产复合材料的新工艺。混合 盐法基于现有的铝合金熔炼工艺，易于批量生产，因此在工艺和经济上具有很大 的竞争能力。其基本原理是将k b 。f 和k 。t i f 6 混合盐直接加入到铝熔体中，反应 生成t i b z 增强铝基复合材料。j v w o o d 等“1 制备的a 3 6 5 t i b 。复合材料除塑性下 降外，弹性模量、抗拉强度和耐磨性均有较大程度的提高，制备的复合材料中 t i b 。颗粒尺寸非常小，偏聚在枝晶间，挤压加工可以使t i b 。分布变的均匀。陈子 勇等”3 1 研究结果表明，当混合盐加入量为熔体重量的2 0 时，t i b 。颗粒分布最均 匀，所获得复合材料的性能最好。 但这些工作仅限于原位增强纯铝基复合材料，如何将a 卜4 5 c u 合金的高强 度优势与原位生成t i b 。颗粒的优点结合起来，制备出一种新型原位增强铝基复 合材料，还缺乏系统的研究。 1 3 原位增强金属基复合材料的干摩镰磨损性能研究现状 1 3 1 摩擦磨损理论 摩擦学是有关磨擦、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。磨擦学的 研究对于国民经济具有十分重要的意义，据估计，全世界大约有i 2 i 3 的能源 以各种形式消耗在磨擦上，而磨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，磨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学科，并得到日益广泛的应用。 ( 1 ) 简单的磨擦理论【1 4 】 ( a ) 机械啮合理论 早期的理论认为磨擦起源于表面粗糙程度，滑动磨擦中能量损耗于粗糙峰的 相互啮合、碰撞以及弹塑变形，这一理论对比较粗糙的表面产生磨擦的原因的解 释是适合的，在一般条件下，减小表面粗糙度可以降低磨擦系数，但是超精加工 表面的磨擦系数反而剧增，这说明机械啮合作用并非产生滑动摩擦力的唯一因 素。 4 西安工业大学硕士学位论文 ( b ) 粘着理论 人们在用机械啮合理论解释不了在很光滑的情况下随着粗糙度的降低摩擦 力反而增加这一现象后，对于金属材料的磨擦提出了粘着理论，这一理论认为： 磨擦表面处于塑性接触状态，由于实际接触面积只占表观面积的很小部分，两块 金属在法向力作用下，峰点接触处的应力达到受压的屈服极限而产生塑性变形， 产生了粘结点，切向主动力只有将这些粘结点剪断，才能产生滑动，但滑动后又 会有新的粘结点产生，滑动磨擦就是粘结点的形成和剪切交替发生的过程，滑动 摩擦力就是粘结点抵抗剪断的力。粘着理论较好地解释了在一般情况下滑动摩擦 力与表观接触面积无关，与法向压力成正比这个现象，根据粘着理论，材料真正 发生接触的面积取决于法向力的作用，法向力越大，实际接触面积越大，于是粘 结点也就越多，摩擦力也就越大，而与表观接触面积无关，然而，对于极光滑的 表面，在不大的法向力的作用下也发生粘着现象，量块就是这样一个例子，量 块是一种精密量具，它经过抛光的表面菲常光滑，把两块量块贴在一起后要用切 向力推动它们是很困难的，更奇怪的是用法向力拉开它们，困难比用切向力推动 它们还大，粘着理论解释不了这个现象。 ( c ) 机械- 分子理论 机械一分予理论认为滑动磨擦是克服磨擦面上粗糙峰的机械啮合和实际接触 处分子吸引力的过程，磨擦表面分子吸引力的大小随分子间距离减小而剧增，通 常分子吸引力与距离的七次方成反比，由于两块量块贴在一起后，大块面积已经 到达分子吸引力的作用范围，在分子吸引力的作用下，它们牢牢地粘在了一起， 如果磨擦面没有量块这样光滑，摩擦力是由两部分组成，一部分是粗糙峰机械啮 合产生的，一部分是磨擦面上实际接触面的分子吸引力，当表面很粗糙时，机械 啮合部分占主要成分，当表面很光滑时，分子吸引力占主要成分。 ( 2 ) 磨损机理分类【1 5 】： ( a ) 粘着磨损 两个物体互相滑动时产生磨擦破坏，磨损产物由一个表面脱落粘到另一个表 面，然后在相继的磨擦过程中表面发生断裂，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。 西安工业大学硕士学位论文 ( b ) 磨料磨损 是硬质点( 或软基体中含有硬质点) 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。 ( c ) 腐蚀磨损 在腐蚀介质中进行磨擦时，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。 f d ) 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。 1 3 2 影响金属基复合材料磨损的因素 影响金属基复合材料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、环境介质因素；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 【1 6 1 8 1 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。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。由于增强颗粒的破碎以及颗粒基体界面存在缺 陷，导致磨损皿表层裂纹萌生，从而抵消了颗粒的增强作用，所以复合材料的耐 磨性并没有比基体提高多少。( c ) 严重磨损阶段，由于硬质第二相颗粒的加入提 6 西安工业大学硕士学位论文 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 二v ( 磨损率滑动速度) 韵双蜂关系曲线懈。l e e ! 划等的实 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，磨粒蹭损严重， 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l o 1 0 “s1 ，这就可能在1 0 0 s 时间内瞬时温度高达1 0 0 0 ( 2 。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 a 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 1 2 2 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。 “) 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，再结晶和相交。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、应变历史、材料的应变硬化性能以及表面的应变状态来决定。严有为f 2 3 j 嚣安工业大学硕士学位论文 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，试验表明，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 般认为增强体种类、大小、形状及体积分数是影响颗粒增强金属基复合材 料非常重要的因素，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 2 钔。s a t o 等发现口5 州在低载荷下硬度相差不大的增强体颗 粒如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 1 0 倍，而较软 的m g o 和b n 却使材料的磨损率上升到基体的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。一些研究者犯7 珊1 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，而颓粒脱落、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的粘着几率，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 等口9 1 在a 1 2 0 3 a 1 zl o 体系中发现，体积分数超过3 5w 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，从而是磨损率逐渐升高。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。 1 3 3 原位增强金属基复合材料的干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 西安工业大学硕士学位论文 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 料在用于干摩擦磨损工况条件下的零部件，具有很大的应用潜力，因此，研究颗 粒增强铝基复合材料的干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 和s t e f a q n e s c u 洲 研究了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磨擦系数。发现随 着s i c 颗粒体积分数的增加，磨擦系数降低，当s i c 的体积分数保持不变。随 s i c 颗粒尺寸减小，磨擦系数降低。在0 1 1 一o 2 1 m s l 的速度范围内，磨擦系数 与滑动速度无关。吴洁君等”1 1 研究了配对材料对a 卜l o s i s i c 。复合材料滑动磨 擦性能的影响，发现在试验条件下4 0 0 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 1 一l o s i s i c 。自配对磨损率很低，亦能自配对使用。陈跃等啪1 研究了颗粒增强铝 基复合材料干摩擦磨损特性，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 合金的磨损率比复台材料要大近 3 个数量级。复合材料的磨损率仅为ht2 5 0 的l 3 。随接触压力、速度的增加， 材料的摩擦系数降低。复合材料的磨擦系数与ht2 5 0 的相当，摩擦系数稳定性 优于h t 2 5 0 。z h a n g 等唧研究了s i c 颗粒增强a 1 一l i 合金刮擦试验中的磨擦系数， 刮擦试验分别在室温和2 0 0 。c 下进行，使用的刮擦速度为6 m m s ，载荷范围为 卜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 0 儿m s i c 颗粒的复合材料的磨擦系数与载荷无关，而含1 3 m 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增强颗粒是由熔体内反应生成的。其界面洁 净、无污染，其力学性能优予外加颗粒增强金属基复合材料，近年来得列入们的 普遍重视，对其耐磨性的研究还处于探索阶段。张健等m 1 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 l 。0 。a i 复合材料，发现这一复合材料具 有良好的含油自润滑特性，一定量的显微孔隙起到了储油和供油的作用，有利于 9 西安工业大学硕士学位论文 提高材料的耐磨性。马强等嘶3 利用t i o ：和b 。o 。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干摩擦磨损性能的研究主要集 中在外加s i c 颗粒增强铝基复合材料a c t 3 6 1 ，而对原位增强t i b 。a 1 4 5 c u 复合材 料的摩擦磨损性能的研究很少。 1 4 研究意义及研究内容 1 4 1 研究意义 目前，国内外对复合材料磨损性能的研究还很不充分。而对于原位增强a l - c u 基复合材料的研究还处于初级阶段。本课题旨在通过原位反应生成一种高性能、 低造价、用途广的t i b 。颗粒增强a 卜4 5 c u 系合金的复合材料。并对原位复合材 料摩擦磨损性能进行较为系统的研究，从而为原位复合材料的理论研究和工业化 应用奠定基础。 1 4 2 研究的主要内容 影响颗粒增强铝基复合材料磨擦磨损特性的主要因素可分为两大部分： ( 1 ) 机械及物理因素，如载荷、相对滑动速度、滑动距离、温度、表面状 态、对磨件和运动形式等； ( 2 ) 材料因素，如陶瓷颗粒的种类、颗粒的大小、体积分数和基体的微观 结构等【2 。 本课题的主要研究内容为： ( a ) 室温下不同载荷对原位复合材料t i b 。a 1 4 5 c u 干摩擦磨损性能的影 响： ( b ) 室温下不同滑动速度对原位复合材料t i b ：a 1 - 4 5 c u 于摩擦磨损性能的 影响； ( c ) 室温下不同滑动时间对原位复合材料t i b 。a 1 4 5 c u 于摩擦磨损性能的 影响； ( d ) 不同体积分数的原位生成颗粒对原位复合材料t i b i a l 4 5 c u 干摩擦磨 1 0 西安工、监大学硕士学位论文 损性能的影响； ( e ) 不同温度下载荷对原位复合材料t i b 。a 1 4 5 c u 干摩擦磨损性能的影 响； ( f ) 原位复合材料和基体材料在室温和高温下的力学性能及分析： ( g ) 摩擦磨损机制研究。 1 4 3 研究的途径与技术路线 采用复合盐反应法制备原位增强金属基复合材料和a l - 4 5 c u 基体材料。 然后进行热处理：5 3 5 5 。c 固溶5 9 小时，在6 0 1 0 0 。c 水中淬火， 1 7 5 5 。c 时效3 5 小时，空冷。一部分试样进行力学性能测试，晶粒尺寸观察；另一部 分试样加工至一定粗糙度的销状试样，测试其不同载荷、不同滑动速度、不同滑 动时间、不同温度下的干摩擦磨损性能，进行磨面形貌观察，最后进行摩擦磨损 机制分析。 具体研究工作如下，技术路线流程见图1 1 ： ( 1 ) 采用复合盐反应法制备原位增强复合材料并进行热处理； ( 2 ) 原位增强复合材料和基体材料在室温和高温下的力学性能研究 ( 3 ) 原位增强复合材料和基体材料在不同载荷、不同转速、不同滑动时间、 不同温度下的摩擦磨损性能研究； ( 4 ) 采用扫描电镜观察磨面形貌、拉伸断口形貌； ( 5 ) 摩擦磨损机制的探讨。 西安工业大学硕士学位论文 制备t i b g a i 4 5 c u 原位复合材料 室韫 和高 温力 学性 能热 试 晶粒 尺寸 和拉 伸断 口舰 察 增 强 相 的 相 结 构 分 析 强韧化机制探讨 加工至一定粗糙度的销状试样 不属 载稿 对捌 料摩 擦磨 损性 能能 影响 不履 转速 对捌 料摩 擦麾 损性 能鲢 影响 不随 滑或 时间 对 对 料摩 擦磨 损性 能自 影响 不其 温度 下豢 荷耐 材判 摩搪 磨损 性能 的慰 响 用光电天平称量磨损量 并观察磨面形貌 摩擦磨损机制探讨 图1 1t i b 。a 1 4 5 c u 复合材料力学性能及干摩擦磨损性能研究的技术路线 1 2 2t i b 2 a t 一4 。5 c u 复合材料室温和高温力学性能 2 1 前言 2t i b 幽j 4 5 c u 复合材料室温和高温力学性能 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 成型性好，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、a 1 。0 ，颗粒等，而对于t i b 。颗粒作为强 化相、以a 卜4 5 c u 作为基体的金属基复合材料被研究的较少。本章研究了 t i b 。a 卜4 5 c u 的宣温和高温力学性能。 2 2 实验过程 2 2 1 试验原料 工业纯铝锭( 分析纯9 9 9 ) 、a 1 5 0 c u 合金、k 2 t i f 6 粉( 分析纯9 9 9 ) 、 k b f 4 ( 工业用) 、冰晶石n a 3 a 1 f s ( 纯度大于9 9 o ) 、六氯已烷c 2 c 1 6 。 2 2 2 试验设备 s g - 5 1 0 型坩锅电阻炉( 5 k w ) 、k y k y - 1 0 0 0 b 型扫描电镜、电子拉伸试验 机、f i b 3 0 0 0 型硬度计。 2 。2 3 实验方案 基体合金是将工业纯铝9 9 9 和a 1 5 0 c u 合金按a l _ 4 5 c u 合金的化学计量 比配好后放入电阻炉中熔化，并过热到7 2 0 c 左右用c 2 c 1 6 ( 加入量为o 1 5 w t ) 除气，扒渣后将熔体浇入预热至2 0 0 3 0 0 c 的金属型模具和砂型中。 西安工业大学硕士学位论文 复合材料是按摩尔比为1 ：2 的k 2 t i f 6 盐粉、k b f 4 盐粉，和重量为基体的2 w t 的n a 3 a 1 f 6 粉末充分混合，在3 0 0 下保温1 3 小时，除去结晶水，得到无 水反应添加物。与此同时，在电阻炉中将纯铝锭、a l 一5 0 c u 合金按a i 4 5 c u 合 金的化学计量比配好后放入电阻炉中熔化，并过热到9 5 0 ，无水反应添加物用 铝箔包裹分批加入熔体中，并用石墨棒搅拌，同时溶液会发生剧烈反应，有时甚 至会产生合金液飞溅现象，但并无爆炸危险。在每批次加入混合物时，需要进行 充分搅拌。直到熔体内没有火花出现为止。然后再将熔体升到9 5 0 c ，等待下次 混合物的加入。待全部混合物加入，熔体表面平静时，将熔体升到9 5 0 。保温 1 0 1 5 分钟，再降温至在7 2 0 左右用c 2 c 1 6 ( 加入量为0 1 5 w t ) 除气，扒渣 后将熔体浇入预热至2 0 0 3 0 0 的金属型模具和砂型中。将制备的材料进行热 处理，固溶处理是在5 3 5 _ + 5 下对试样保温5 9 小时，在6 0 1 0 0 。c 水中淬火， 时效处理是在1 7 5 5 c 下保温3 5 小时后空冷。热处理工艺如图2 1 所示： t ， 0 ( 曲固溶处理图 ( b ) 时效处理图 图2 1 热处理工艺示意图 截取适当长度的基体材料和复合材料，经多道砂纸打磨，用金刚石抛光膏抛 光后用0 5 h f 腐蚀后，用n e p h o t 3 0 型光学金相显微镜观察并拍摄基体及 t i b 2 a 1 4 5 c u 复合材料的晶粒大小。 用浇注的试棒在w e t 0 万能试验机上进行室温力学性能测试，试验机夹头 拉伸速度为5 m m m i n ；用浇注的试棒经机加工成由6 x 7 0 m m 的拉伸性能试棒， 如图2 2 所示，采用型号为w e 一1 0 万能试验机分别测试1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 下 基体合金及复合材料的强度及延伸率，试验机夹头拉伸速度为5 m m m i n 。用 l i b 3 0 0 0 型硬度机测定材料的布氏硬度，载荷为2 5 0 k g ，压头直径为5 m m ，保持 时间为3 0 s 。在拉伸断口处截取1 0 m m 的试样，用超声波清洗机清洗断口后，用 1 4 西安工业大学硕士学位论文 k y - 1 0 0 0 b ( 日立s - 2 7 0 0 ) 扫描电镜观察分析其断口形貌。 1 4 r 竖1 6 中6 州1 ，t i 寸 v r e l 、 ， 3 0 - 一一一， 1 4 3 6 、 t 0 图2 2 拉伸试棒示意图 利用砂轮片、金属丝或用电火花切割方法切取厚度小于o 5 m m 的“薄块” 基体材料和复合材料，经机械研磨或机械抛光后，进行电解抛光，从厚度为1 0 0 u r n 左右的“薄片”制成对电子束透明的金属薄膜( 厚度小于5 0 0 r i m 的“薄膜”) ，在透 射电镜上观察增强相的形貌。 2 3 实验结果及分析 2 3 1 基体及复合材料室温和高温力学性能 ( 1 ) 基体及复合材料的室温力学性能 从表2 1 可知，复合材料的室温抗拉强度比基体的高，且抗拉强度随着增强 相含量的增加而增加，其中含3 w t t i b 2 复合材料的抗拉强度比基体提高了 1 9 7 ，含1 w t t i b 2 复合材料的抗拉强度比基体提高了7 3 ；复合材料的延伸 率比基体有所降低，其中含3 w t t i b 2 复合材料的延伸率比基体降低了1 5 8 ， 含1 w t t i b 2 复合材料的延伸率比基体降低了1 3 2 ；复合材料硬度比基体高， 且随增强相含量的增加而增大，其中含i t t b 2 复合材料的硬度比基体提高了 4 2 7 ，含3 t i b 2 复合材料的硬度比基体提高了8 4 9 。 西安工业大学硕士学位论文 表2 一l 基体及复合材料室温力学性能 材料 ob ( m p 曲 6 ( ) h b 基体3 4 1 73 8 5 9 5 1w t t i b 2 a i - 4 5 c u3 6 6 63 _ 3 8 4 9 3 w t t m 2 a 5 c u4 0 9 03 2 1 1 0 这是由于在基体合金中加入了复合盐后发生了原位反应，从后面的透射电镜 照片中发现生成了增强相t i b 2 ，这种颗粒可以成为a _ a l 的异质形核基底或核心， 使q a 1 晶粒细化，所以复合材料的抗拉强度、硬度要比基体的高，力学性能比 基体的好；众所周知，细化晶粒可以提高金属的强度和韧性，但生成强化相会使 基体的连续性受到破坏而导致塑性下降，所以复合材料的塑性比基体材料稍稍下 降。 ( 2 ) 基体及复合材料的高温力学性能 表2 - 2 基体合金和复合材料的高温力学性能 材料测试温度( ) 抗拉强度( m p a )延伸率( ) 基体1 0 0 3 1 9 5 4 5 基体 2 0 0 2 7 8 6 3 基体 3 0 0 1 5 2 87 5 1 w t t i b 2 a i - 4 5 c u 1 0 0 3 2 7 93 6 1 w t t i b 2 ，a l - 4 5 c u 2 0 0 2 8 0 56 2 1 w t t i b 2 a i - 4 5 c u 3 0 0 1 8 0 97 2 3 w t t i b 2 a 1 - 4 5 c u 1 0 0 3 9 8 33 5 3 w t t i b j a i - 4 5 c u 2 0 0 3 4 6 25 8 3 w t 1 m 2 绫1 4 5 c u 3 0 0 1 8 4 76 6 表2 - 2 为经热处理后的基体合金和复合材料的高温拉伸性能。由表2 - 2 中的 试验数据可以看出，在相同的温度下，采用熔体反应法制备的原位增强铝铜慕复 合材料的抗拉强度和基体相比有明显的提高，且随着增强相含量的增加而增大； 西安工业大学硕士学位论文 而延伸率随增强相含量的增加有所下降，但下降幅度不大。就同一种材料而言， 抗拉强度随着温度的升高而降低，延伸率随着温度的增加而增大。含1 t i b 2 复合材料在1 0 0 * c 下的抗拉强度最高达4 0 8 ，3m p a ，较基体提高了2 7 8 ，在3 0 0 下，含3 t i b 2 复合材料的抗拉强度最高达2 1 7 4m p a ，较基体提高了4 2 3 ， 这说明复合材料和基体相比有很好的抗高温能力。这是由于反应生成的t i b 2 颗 粒有很好的热稳定性，它不但能使晶粒尺寸细化，在高温下，当晶体中的位错运 动时，还能起到阻止位错运动的作用，延缓晶粒长大，所以复合材料的高温性能 比基体好。 2 3 2 复合材料金相照片分析 图2 3 为基体及复合材料的金相照片，由图可见，复合材料的晶粒尺寸明显 细化，这说明用复合盐制备的复合材料中生成的增强相能作为异质形核核心，使 晶粒细化，从而提高了复合材料的力学性能；在含3 w t t i b 2 复合材料的晶界有 颗粒团聚现象。 ( a ) 基体( b ) 1 w t t i b d a t - 4 5 c u( c )