（材料学专业论文）Felt3gtAl块体材料的热压烧结制备与性能研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 f e 3 a l 金属间化合物的抗氧化、硫化性，抗硝酸腐蚀性以及高温强度、 高温蠕变性能都优于大部分金属材料，而导热性与塑性好于非金属材料，是 介于合金与陶瓷之间的一种新型廉价材料。f e 3 a l 金属间化合物独特的长程 有序结构使其位错运动和原子扩散困难，导致其塑性较差，对其作为高温结 构材料的应用有一定的局限性，但是在摩擦磨损应用场合下，由于材料受力 多为压力，对其塑性的要求不是十分苛刻，关键是材料的硬度、强度以及加 工硬化速率，因此f e 3 a l 金属间化合物在摩擦学领域有着巨大的应用潜力。 本研究采用机械合金化结合退火处理工艺制备了f e 3 a l 粉体，经真空热 压烧结制得f e 3 a l 烧结块体材料。对材料的微观组织结构、物理力学性能、 摩擦磨损性能、耐氧化腐蚀性能等进行了分析讨论，并研究了a l 元素的含量 以及t i 、n i 、c r 等合金元素对f e 3 a l 块体材料各项性能的影响。研究结果表 明：( 1 ) 制得的f e 3 a l 块体材料相对密度大于9 7 ，以有序度较低的b 2 结 构为主，同时弥散分布着少量a 1 2 0 3 颗粒，晶粒尺寸为6 0 0 - - 8 0 0 n m ；( 2 ) f e 3 a 1 块体材料的室温力学性能较铸态有明显提高，其室温抗弯强度为 1 0 0 0 1 4 0 0 m p a ，压缩屈服强度和压缩应变分别为1 2 0 0 18 0 0 m p a 和 1 0 1 5 ，洛氏硬度为h r c5 5 6 0 ，f e 3 a 1 中的a l 含量以及合金元素的加入 对于材料的力学性能均有较大的影响； f e 3 a l 块体材料具有优异的耐磨性能， ( 3 ) 机械合金化结合热压烧结制各的 合金元素的加入均不同程度的改善了 材料的耐磨性能，低载荷下磨损表面发生塑性变形，磨损形式为磨粒磨损为 主的微切削和微犁沟，在高载荷下应力集中产生裂纹并迅速扩展，最终导致 疲劳断裂，以片层状剥落为特征；( 4 ) 热压烧结f e 3 a l 试样在1 1 0 0 以下抗 氧化性能较好，当温度超过1 3 0 0 时抗氧化性能急剧下降，少量的c r 元素 能促进f e 3 a l 体材料中a a 1 2 0 3 的形成从而提高材料的抗氧化性能，t i 元素 的加入能起到细化晶粒的作用而使f e 3 a l 材料的抗氧化性能明显提高。 关键词：f e 3 a l ；金属间化合物；机械合金化；热压烧结 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t f e 3 a 1i n t e r m e t a l l i c sa r en e wt y p e so fi n e x p e n s i v em a t e r i a lw h o s ep r o p e r t i e s a r eb e t w e e nm e t a la n dc e r a m i c t h ep r o p e r t i e so fa n t i o x i d a t i o n ，s u l f u r i n g p r o p e r t y , n i t r i ca c i dc o r r o s i v er e s i s t a n c e ，h i g ht e m p e r a t u r es t r e n g t ha n dh i g h t e m p e r a t u r ec r e e pa r e b e t t e rt h a nm o s to fm e t a lm a t e r i a l ，w i t hi t st h e r m a l c o n d u c t i v i t ya n dp l a s t i c i t y a r eb e t t e rt h a nc e r a m i c s f e 3 a 1i n t e r m e t a l l i c sh a v e l o n gr a n g eo r d e r e ds t r u c t u r e ，w h i c hp r e v e n tt h ed i s l o c a t i o nm o t i o na n da t o m i c d i f f u s i o ni n f l u e n c i n gi t sp l a s t i c i t y , s oa sat y p eo fh i g ht e m p e r a t u r es t r u c t u r a l m a t e r i a li sl i m i t e d o nt h ef r i c t i o na n dw e a ra p p l i c a t i o n ，i ti sn o tc r i t i c a lf o rt h e p l a s t i c i t yo ft h em a t e r i a l ，b u tt h es t r e n g t ha n dh a r d n e s sa n dt h ew o r kh a r d e n i n g r a t ei sd e m a n d e d ，s of e 3 a 1i n t e r m e t a l l i c sh a v eg r e a ta p p l i c a t i o np o t e n t i a li nt h e t r i b o l o g yf i e l d s i nt h i sp a p e r , f e 3 a ip o w d e ri sf a b r i c a t e db ym e c h a n i c a la l l o y i n ga n d a n n e a l i n gt r e a t m e n t ，a n dt h ef e 3 a 1b u l km a t e r i a l s a r ep r e p a r e db yv a c u u m h o t - p r e s ss i n t e r i n g t h em i c r o s t r u c t u r e ，p h y s i c a l a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t y , f r i c t i o na n dw e a l p r o p e r t y , o x i d a t i o na n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea r ed i s c u s s e d t h e c o n t e n to fa 1i nf e 3 a 1a n dt h ei n f l u e n c eo ft i 、n i 、c ro nt h ep r o p e r t i e so ff e 3 a i b u l km a t e r i a la r er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h er e s e a r c hr e s u l t sa r el i s t e da s f a l l o w s ( 1 ) f e a a ib u l km a t e r i a lc a i lr e a c ht o ar e l a t i v ed e n s i t yo fh i g h e rt h a n 9 7 ，w i t hl o wo r d e r e db 2s t r u c t u r ea st h em a i np h a s e ，a n dw i t hs m a l la m o u n to f d i s p e r s e da 1 2 0 3p a r t i c l e s t h ea v e r a g eg r a i ns i z e i sa b o u t6 0 0 8 0 0 n m ( 2 ) t h e r o o mt e m p e r a t u r em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ff e 3 a 1b u l km a t e r i a la r el a r g e l y i m p r o v e d t h er o o mt e m p e r a t u r eb e n d i n gs t r e n g t h i sa b o u t10 0 0 14 0 0 m p a ， c o m p r e s s i v ey i e l ds t r e n g t hi sa b o u t12 0 0 18 0 0 m p a ，c o m p r e s s i v es t r a i ni sa b o u t 1 0 1 5 ，a n dt h eh a r d n e s si sa b o u th r c5 5 6 0 t h ec o n t e n to f a li nf e 3 a la n d t h ea l l o y i n ge l e m e n t si n f l u e n c et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h em a t e r i a l sg r e a t l y ( 3 ) f e 3 a 1i n t e r m e t a l l i c sh a v ee x c e l l e n tw e a rr e s i s t a n c e ，a n da l l o y i n ge l e m e n t s i m p r o v et h ew e a rr e s i s t a n c e a td i f f e r e n td e g r e e u n d e rl o wl o a dp l a s t i c i t y d e f o r m a t i o no c c u r so nt h ew o r ns u r f a c eo ft h em a t e r i a lw i t ht h em i c r o - c u t t i n g 山东大学硕士学位论文 a n d m i c r o p l o u g h i n g c r a c k sa p p e a r a n d e x p a n dr a p i d l y u n d e rs t r e s s c o n c e n t r a t i o nu n d e rh i g hl o a d ，f i n a l l yi n d u c i n gf a t i g u ef r a c t u r e ，w h i c hs p a l l i n gi n t h ef o r mo ff l a k es t r u c t u r e ( 4 ) f e 3 a ip r e p a r e db yh o tp r e s s i n gs i n t e r i n gu n d e r 110 0 cw i t hg o o do x i d a t i o nr e s i s t a n c e ，b u td e c r e a s i n ga b o v e13 0 0 c f e 3 a ib a s e m a t e r i a ld o p i n gw i t hc rc a np r o m o t et h ef o r m a t i o no fa - a 1 2 0 3f i l mw h i c h i m p r o v e so x i d a t i o nr e s i s t a n c eo ft h em a t e r i a l ，d o p i n gw i t ht i i nt h ef e 3 a ic a n r e f i n eg r a i ns i z ea n d i m p r o v eo x i d a t i o nr e s i s t a n c eo ft h em a t e r i a lo b v i o u s l y k e y w o r d s ：f e 3 a i ；i n t e r m e t a l l i c s ；m e c h a n i c a la l l o y i n g ；h o t - p r e s s u r es i n t e r i n g i i i 附件一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：隧 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：曩乏全l 导师签名日期：掣 山东大学硕士学位论文 第一章前言 金属间化合物原子排列长程有序，结合力强，兼有金属键和共价键特征， 具有高温结构材料所期望的优异性能而成为近二十年来材料研究的热点之一 u 】。其中f e a l 系金属间化合物原料易得、成本低廉、比重小、比强度高， 且具有优异的抗高温氧化和耐腐蚀性能，是航空航天、汽车、化工等领域极 具潜力的工程材料。f e 3 a l 金属间化合物一般是指铝含量为2 5 3 5a t 的 f e a l 合金，具有超点阵晶体结构，原子间的结合既有金属键，又有共价键 和离子键，这种独特的结构决定了它的特殊性能，其抗氧化、硫化性，抗硝 酸腐蚀性以及高温强度、高温蠕变性能都优于大部分金属材料，而导热性与 塑性好于非金属材料，是介于合金与陶瓷之间的一种新型廉价材料。 f e 3 a l 金属间化合物独特的长程有序结构使其位错运动和原子扩散困难， 导致其塑性较差，对其作为高温结构材料的应用有一定的局限性【2 】。而在摩 擦磨损应用场合下，由于材料受力多为压力，对其塑性的要求不是十分苛刻， 关键是材料的硬度、强度以及加工硬化速率，因此f e 3 a l 金属间化合物在摩 擦学领域有着巨大的应用潜力。近来许多研究已经证明f e 3 a l 是一种潜在的 优良的耐磨材料，有望替代传统的含c r 、m n 的钴基和铁基合金，也可能用 于车辆等工程机械的制动系统中，例如刹车盘材料等【3 】。 1 1f e 3 a i 金属间化合物的研究现状 金属间化合物是指由两个或更多的金属组元按比例组成的具有不同于 其组成元素的长程有序晶体结构和金属基本特性的化合物。研究表明，由于 金属间化合物的特殊晶体结构，多数金属间化合物的强度随着温度的升高先 升高后下降，这使得金属间化合物具备了作为新型高温结构材料的理论基础。 但是，金属间化合物脆性往往较高，因此具有低密度、高熔点，并具有一定 塑性的金属间化合物结构材料的研制不仅具有重要的科学意义，又有广泛的 应用前景，是当今材料科学界研究的热点之一，也是新型金属材料发展的重 要方向之一。 f e a l 金属间化合物合金的研究始于上个世纪3 0 年代，几经起伏，在 7 0 年代末取得突破，到8 0 年代，f e a 1 合金作为结构材料的应用得到广泛研 究，至今为止人们对f e a l 合金的反常屈服行为【4 1 、室温脆性【5 1 、合金成分的 山东大学硕士学位论文 理论设计【6 1 、微合金化对f e 3 a l 性能的影响【7 ，引、f e 3 a l 合金的制备工艺【9 , 1 0 】 等方面已经进行了较全面的研究。由美国橡树岭国家实验室研究人员开发出 的f e 3 a l 合金不仅有良好的耐热、耐磨和耐腐蚀性能，其室温延伸率可达 1 2 8 1 1 1 】，采用快速凝固工艺制粉、热挤压固结的f e 3 a l 合金，其室温延伸 率高达1 5 2 0 ，抗拉强度高达9 6 0 m p a e l 2 】。材料学家认为，该材料在航空、 化工、核反应堆元件、熔炉高温装置、电磁元件等众多领域极具应用潜力【l 引。 在我国，从8 0 年代末到9 0 年代中期，国家科委和有关部门先后把f e a l 金 属间化合物的研究列入“8 6 3 ”计划和一系列研究基金计划，使f e a l 金属间化 合物的基础性研究有了长足进展。 1 1 1f e 3 a l 材料的结构与性能 图1 1f e a l 合金相图 f i g 1 1t h ep h a s ed i a g r a mo ff e a i a l l o y 图1 2 化学计量成分的b 2 和1 9 0 3 有序结构晶胞 f i g 1 2u n i tc r y s t a lc e l lo fb 2a n dd 0 3 o r d e r e df e 3 a is t o i c h i o m e t r i c f e 3 a l 合金一般是指含铝量2 5 3 5 a t 的f e a 1 合金，图1 1 为f e a l 合金 的局部相图【1 4 】，其相组成包括：无序固溶体a ( 或a 2 ) 相，b 2 结构的有序相 ( 或丫) ，d 0 3 结构的f e 3 a l 有序相，以及两相区q + b 2 和1 1 + d 0 3 。以含铝量 为2 5 2 8a t f e 3 a i 为例，高温时为无序伍相，在7 5 0 9 5 0 0 c 发生有序转变为 b 相，在5 5 0 0 c 左右再次发生有序化转变为d 0 3 相。b 2 超结构是由体心立方 的a 2 结构派生而来，化学式为f e a i ，f e 与a l 原子分别位于体心和顶角位置， 构成f e - a l 近邻关系而呈有序排列，把a 2 型与b 2 型单胞沿 1 0 0 、【0 1 0 1 、 0 0 1 】 方向两两堆放在一起，就构成有序度更高的d 0 3 结构，d 0 3 超结构相和同一 成分的b 2 有序相中的原子占位见图1 2 【1 5 】。f e 3 a l 的每个晶胞由4 个a 2 型的 2 山东大学硕士学位论文 小晶胞( 相当于纯f e 的单胞) 和4 个b 2 型的小单胞( 相当于f e a l 超结构的 单胞) 交替堆垛而成。 室温下稳定的f e 3 a l 具有d 0 3 有序结构，空间群为f m 3 m 。随着温度和 铝成分的变化，该结构会以二级相变的方式向部分有序b 2 结构及无序a 结构 转变。对于当量成分的f e 3 a 1 ( 2 5 a t a 1 ) 金属间化合物，d 0 3 - - - ，b 2 转变温度约 为5 5 0 0 c ，b 2 - a 有序转变温度约为9 5 0 0 c t l 6 , 1 7 】。 和许多长程有序的金属间化合物一样，铸态f e 3 a l 在室温下的拉伸延伸 率仅为2 3 ，阻碍了它作为潜在的高温结构材料的应用。通过多元合金化 成分控制及机械热处理工艺优化，f e 3 a 1 基金属间化合物的室温力学性能得 到较大幅度的全面提高。延伸率由铸态下的2 - 3 上升到1 5 2 0 ，屈服强度 达到5 0 0 m p a 左右。 对f e 3 a l 力学性能的认识是一个逐渐深入的过程，越来越多的研究清楚 地表明，f e 3 a l 合金的力学性能明显依赖于铝含量、温度、成分、相结构、 有序度、热处理状态和实验环境【l 引。近期研究还表明，其力学性能在很大程 度上还取决于材料的制备、加工工艺等因素。 1 1 2f e a l 金属间化合物的摩擦学研究 目前f e a l 金属间化合物的应用方向主要是作为耐含硫气氛和耐氧化气 氛的结构件，对它的研究集中在提高室温塑性及强韧化等方面，随着对金属 间化合物研究的逐步深入和其逐步走近商业化的边缘，对其摩擦学性能的研 究已显得很有必要，材料只要作为有相对运动的部件就要涉及到摩擦、磨损 和润滑问题，这就需要开展对其摩擦学的研究。 目前，国内外对f e a l 金属间化合物的摩擦学性质的研究还比较少，已 有的研究多集中于磨粒磨损和腐蚀磨损。孙扬善等【l9 】将f e 3 a i 制成的双动滑 阀导轨用于工业炼油催化裂化装置中，该部件具有较好的抗冲蚀磨损性能。 尹衍升等【2 0 】将f e 3 a l 应用于涂层领域，并研究了其摩擦磨损性能。涂江平等 2 1j 研究了有序态f e 3 a l 在水环境中的磨粒磨损行为，并对磨损与氢损伤的相 互作用机制进行了讨论，结果表明水环境中f e 3 a l 的磨损与进入合金表层的 氢浓度有密切关系，高载荷下机械磨损引起的材料流失占主导地位，相同载 荷下b 2 有序态f e 3 a i 合金的磨损质量损失比d 0 3 有序态f e 3 a l 合金低。 m a u p i n 等【2 2 1 研究了f e 3 a l 的磨粒磨损，认为f e 3 a l 是一种良好的抗磨材料， 山东大学硕士学位论文 它可能将代替传统的含c r 和m n 的钻基和铁基的抗磨材料。y o n g s u kk i m 等【2 3 】报道了不同a l 含量的f e 3 a l 在室温下的干滑动摩擦行为，发现在低载荷 的条件下其磨损机理主要为微犁沟，而在较高载荷下磨损机理主要为表面碎 片的形成和随后的去除；随着载荷和滑动速度的增大磨损率增大，随着铝含 量的增加抗磨性降低；在给定条件下，具有d 0 3 结构的f e 3 a l 比b 2 结构有较 高的磨损率。a l m a n 和h a w k 等【2 4 j 研究了合金元素( t i 、z r 、c r 、n i 、n b 、 m o ) 及第二相硬质点( t i b 2 、w c 、t i c ) 对f e a l 金属间化合物耐磨性能的 影响，发现添加t i 能有效的改善f e 3 a l 的耐磨性能，硬质颗粒的弥散分布对 于耐磨性也有一定的帮助。s u m i n gz h u 和x i n g s h e n gg u a n 等1 3j 对高c 含 量f e 3 a l 及f e a i 金属间化合物的结构与摩擦学特性进行了研究，发现c 的加 入明显提高了f e a l 合金的室温摩擦系数和磨损率，但使高温磨损降低，该 研究小组还对t i 元素对f e 2 8 a 1 和f e 2 5 a 1 耐磨性能的影响机制进行了深入 研究，指出f e 3 a l 的磨损率主要与其加工硬化速率有关，而与其硬度及强度 没有必然的联系。j u ny a n g 2 5 】等研究了f e a l 金属间化合物的干滑动摩擦行 为，认为摩擦表面氧化层的形成对其摩擦学性能有很大影响；磨损率随着载 荷增加而增大，但随着滑动速度提高而降低；摩擦系数在0 4 5 o 6 0 ，与载荷 无关，但最初阶段随着滑动速度提高而提高，逐渐趋向稳定，磨损机制也由 材料转移变为材料表面的疲劳断裂。 1 1 3f e a i 金属间化合物的高温抗氧化耐腐蚀性能研究 目前以作高温材料为背景的研究主要集中在几个铝化物上，如n i 3 a 1 ， n i a i ，t i 3 a 1 ，t i a l ，f e 3 a i ，f e a l 等，它们的比重小、价格低、不含战略元 素，可广泛应用于宇航、石油、化工、能源和汽车等工业中。在上述铝化物 中铁铝金属间化合物的组成是两种最常见的工业材料，成本最低，从工程结 构材料角度出发对铁铝金属间化合物的研究较其它铝化物的研究更有实际意 义。三十年代初人们就发现铁铝具有极好的抗氧化性能，但是，f e 3 a l 合金 室温塑性极差以及6 0 0 以上强度急剧下降使其在结构件方面的应用一直未 能实现。八十年代后期的研究表明，通过控制合金成分和显微组织可以使 f e 3 a 1 基合金的室温延伸率提高到1 0 2 0 ，高温强度也可以得到改善，从而 使其应用前景光明起来。因此，8 8 年以来对t e 3 a l 合金的研究成为金属间化 合物研究中新的热点。对f e a l 合金的耐腐蚀性能研究最初是以对f e c 卜a l 4 山东大学硕士学位论文 合金的研究开始的。注意力都集中在a 1 对f e 或f e c r 基合金的影响上。直 到最近，人们才开始对a 1 2 2 、c r 山东大学硕士学位论文 f e 3 0 a i 外，a 1 含量越高，耐磨性越好，尤其是f e 3 2 a 1 其磨损量大幅度下 降，具有良好的耐磨性能，而f e 3 0 a 1 则出现反常，磨损量比f e 2 8 a 1 略有 提高。由图中还可以看出，合金元素的加入均不同程度的改善了材料的耐磨 性能，尤其是t i ，f e 2 8 a 1 1 0 t i 的磨损量仅为f e 2 8 a 1 的1 1 0 0 左右，合金 元素对提高耐磨性的作用顺序大体为t i c r n i 。 下面就a l 含量以及合金元素对f e 3 a l 块体材料耐磨性能的作用分别予以 讨论： 1 、a l 含量对材料耐磨性能的影响 图3 9 ( a ) 、( b ) 、( c ) 分别示出了不同a l 含量的烧结f e 3 a 1 块体试样在载荷 1 0 0n ，滑动线速度o 8 4m s 的条件下摩擦系数、体积磨损量以及磨损率随滑 动距离的变化曲线。 ( a ) 一e 乓 ! 詈 三 墨 ( c ) 图3 9 不同a l 含量f e 3 a l 的摩擦系数( a ) 、体积磨损量( b ) 及磨损率( c ) 随滑动距离的变化曲线- f i g 3 9t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t ( a ) ，v o l u m el o s s ( b ) a n dw e a l r a t e ( c ) o ff e 3 a ib u l kw i t h d i f f e r e n ta ic o n t e n t sa saf u n c t i o no fs l i d i n gd i s t a n c e 2 8 山tb：暑e鲁， 山东大学硕士学位论文 从图3 9 ( a ) 中摩擦系数变化曲线可以看出，f e 一2 5 a 1 、f e 2 8 a i 和f e 3 0 a 1 合金的摩擦行为相似，摩擦系数随滑动距离略有提高，但变化不大；而f e 3 2 a 1 在摩擦过程中摩擦系数在初期很小，随着滑动距离的增加明显提高。图3 9 ( b ) 、( c ) 的体积磨损量及磨损率曲线也说明了这一点，f e 3 2 a 1 与其它三种 f e 3 a l 合金磨损行为有所不同。f e 3 2 a 1 在摩擦初期磨损量极小，几乎为零， 随后磨损量和磨损率均缓慢增加。其它三种合金磨损量持续上升，而磨损率 先有一个下降的过程后又逐渐升高，摩擦后期三种合金的磨损量和磨损率均 有较大幅度提高，以f e 3 0 a 1 磨损最为严重。 2 、合金元素对材料耐磨性能的影响 ( a ) - 二e 专 = 星 意 ； e 罢 葛 立 e 三 ； ( c ) 图3 1 0 含不同合金元素的f e 3 a l 的摩擦系数( a ) 、体积磨损量( b ) 及磨损率( c ) 随滑动距离的变化曲线 f i g 3 1 0t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t ( a ) ，w e a rl o s s ( b ) a n dw e a rr a t e ( c ) o f f e s a ib u l kc o n t a i n i n g d i f f e r e n ta l l o y i n ge l e m e n t sa saf u n c t i o no fs l i d i n gd i s t a n c e 图3 1 0 ( a ) 、( b ) 、( c ) 分别为添加合金元素的烧结f e a a l 试样在载荷1 0 0n ， 山东大学硕士学位论文 滑动线速度o 8 4m s 的条件下摩擦系数、体积磨损量以及磨损率随滑动距离 的变化曲线。 由图3 1 0 可以看出加入合金元素后，f e 3 a l 合金的摩擦磨损行为发生了 变化。加入n i 使合金摩擦系数略有降低，耐磨性提高，但变化趋势与f e 一2 8 a 1 基本相同；而t i 和c r 的加入，与f e 2 8 a 1 的摩擦磨损曲线相比有很大区别， 反而更接近f e 3 2 a 1 ，摩擦系数开始较低，随后迅速上升而趋向平稳，在滑 动距离小于1 5 0 0 m 这一阶段始终保持很小的磨损量与磨损率，只在摩擦后期 才有所升高。另外由图中还可以看出合金元素的加入量对材料的耐磨性也有 不同的影响，f e 2 8 a 1 1 0 t i 、f e 2 8 a 1 10 n i 的耐磨性比f e 2 8 a 1 5 t i 、 f e 2 8 a 1 5 n i 要好，而相比f e 2 8 a 1 5 c r ，f e 2 8 a 1 1 0 c r 的耐磨性反而有所下 降。 3 3 2 不同载荷下f e 3 a l 的耐磨性能 图3 1 1 比较了烧结f e 3 a 1 材料在载荷分别为1 0 0n 和2 0 0n ，滑动线速 度0 8 4m s 的条件下部分试样的最终体积磨损量( 需要说明的是载荷为2 0 0n 时，当滑动距离大于1 5 0 0m 时，f e 2 8 a 1 磨损量超出测量范围，故图中f e 2 8 a 1 的磨损量为磨损时间为3 0m i n 时的实验数据，实际的最终磨损量应高出很 多，图3 1 2 相同) 。由图3 1 1 可以看出，当载荷为2 0 0n 时，f e 2 8 a 1 磨损 剧烈，f e 3 2 a 1 的磨损量基本上与载荷成比例，而f e 2 8 a 1 1 0 t i 的磨损量仅 略微提高，因此认为f e 2 8 a 1 1 0 t i 在重载下仍能保持优异的耐磨性能。 图3 1 1 不同载荷下部分f e 3 a l 合金的体积磨损量比较 f i g 3 11c o m p a r i s o no fv o l u m el o s so fh o t p r e s s e df e 3 a ! u n d e rd i f f e r e n tl o a d s 图3 1 2 ( a ) 、( b ) 、( c ) 分别为部分烧结f e a a i 块体试样在载荷1 0 0n 和2 0 0 1 o 9 8 7 8 5 4 3 2 1 o 。ee、西。一oe三o， 山东大学硕士学位论文 n ，滑动线速度0 8 4m s 条件下摩擦系数、体积磨损量以及磨损率随滑动距 离的变化曲线。由图3 1 6 可以看出，当载荷增加到2 0 0n ，图中三种合金的 摩擦系数均有不同程度的降低，磨损量和磨损率提高，但趋势基本保持不变。 ( a ) 二e e 考 = 星 墨 一e 呈 薯 旦 e 呈 晏 ( c ) 图3 1 2 不同载荷下部分f e 3 a i 合金的摩擦系数( a ) 、体积磨损量( b ) 及磨损率( c ) 随滑动距离的变化曲线 f i g 3 1 2t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t ( a ) ，v o l u m el o s s ( b ) a n dw e a rr a t e ( c ) o ff e 3 a lb u l k u n d e rd i f f e r e n tl o a d sa saf u n c t i o no fs l i d i n gd i s t a n c e 摩擦是材料相互接触表面发生弹塑性变形微凸体相互啮合与作用的过 程，材料硬度与强度越高，抵抗变形能力越强，摩擦副之间啮合与粘着程度 差，因此在摩擦初期f e 3 2 a 1 以及加入t i 、c r 元素的合金其摩擦系数较低。 当载荷加大时，所有合金的摩擦系数都有所减小，原因可能有两点：一是载 荷增大会使接触面的实际接触面积增大，同时更容易使接触面由弹性变形转 化为塑性变形；二是增大载荷会引起材料摩擦表面的温度升高，致使材料的 机械性能下降。在垂直力和切向力联合作用下的粗糙微体，容易形成塑性流 山东大学硕士学位论文 动，接触点的临界剪切强度降低，所以摩擦系数减小。同时摩擦表面温度升 高以后，在材料的表面可能会出现一层氧化膜，氧化膜具有一定的强度，使 得两表面之间的摩擦实际变为氧化膜间的摩擦，所有这些都会导致摩擦系数 的降低 5 0 l 。 材料的磨损是摩擦副作相对运动时，由于机械与化学作用所发生的材料 脱落现象，磨损受到材料本身的组织特性( 如材料的化学组成、硬度和点阵 结构等) 与外界磨损环境( 磨损温度、速度、时间、载荷等) 等多种因素的 影响，十分复杂【5 1 】。结合前面材料的力学性能试验结果，对f e 3 a 1 合金的摩 擦磨损性能进行分析，发现材料的耐磨性与其硬度、屈服强度以及塑性之间 有着密切的关系。就a l 含量而言，f e 2 5 a 1 由于q + f e 3 a i 两相结构其硬度、 强度与其它合金相比要小很多，磨损量较高；而f e 3 0 a 1 可能是由于较高的 有序度虽然硬度、强度与f e 2 8 a 1 相近，但塑性明显下降，耐磨性反而最差， y o n g s u kk i m 等人研究表吲2 3 】：b 2 结构的f e 3 a l 比d 0 3 结构的f e a a i 耐磨 性能好，这与本实验结果有类似之处；f e 3 2 a 1 的硬度和强度均大幅度提高， 另外弥散分布的a 1 2 0 3 颗粒硬度比基体高很多，而且是在制备过程中反应形 成因而与基体结合较好，大大提高了其耐磨性能，当滑动距离小于5 0 0 m 时 磨损量几乎为零。添加合金元素的f e 3 a l 合金的耐磨性能也基本遵循上述规 律，即在较低载荷下，硬度、屈服强度越高，耐磨性越好，同等强度条件下， 塑性好的耐磨性好；而在较高载荷下，材料强度对其耐磨性起决定作用。因 此当载荷提高到2 0 0n 时，f e 2 8 a l 、f e 3 2 a l 、f e 2 8 a 1 1 0 t i 的耐磨性能发生 了不同的变化，这将在下面第3 - 3 3 节中进一步说明。 以上对于材料耐磨性与其力学性能的分析，虽然具有一定的规律性，但 硬度、屈服强度以及塑性毕竟只是反映了材料磨损过程中某一特定阶段或瞬 间的性能，也就是所谓的“静态”力学性能，而磨损的过程是一个连续形变、 疲劳、断裂的动态过程，因此仅用以上力学性能指标来解释材料的磨损还存 在很大局限，仍有一些处于规律之外的情况，例如本实验中f e 2 8 a 1 5 t i 的 强度与塑性皆优于f e 2 8 a 1 1 0 t i ，但其耐磨性却远不如f e 2 8 a 1 1 0 t i 。有研 究表明，1 j n - r - 硬化速率是材料形变过程中的一个动态性能指标，因而能更准 确的反映其磨损性能【5 2 】。f e 3 a l 金属间化合物具有高的加工硬化速率，这与 其变形过程中超点阵位错的形成与滑移有关【4 7 , 5 3 】。图3 1 3 为本实验中部分 f e 3 a l 合金的室温压缩应力应变曲线。 3 2 山东大学硕士学位论文 2 蜘 j 衄 5 乱 苫 o a 柚 o a2b1 口2 图3 1 3f e 3 a l 块体的室温压缩应力应变曲线 f i g 3 13r o o mt e m p e r a t u r ec o m p r e s s i o ns t r e s s s t r a i nc u r v e so ff e 3 a ib u l km a t e r i a l 由图3 1 3 可以看出，b 2 有序结构的f e 3 a l 的室温压缩应力应变曲线分 两个阶段，既较早出现的线性硬化阶段和随后的抛物线阶段，有研究表明第 一阶段对应b 2 型超点阵位错的形成和滑移，第二阶段则对应超点阵位错的 分解和单分位错的滑移。由线性硬化阶段的直线斜率可以对不同f e 3 a l 合金 的加工硬化速率进行定性分析，斜率越大，说明加工硬化速率越高，可以看 出大体顺序为f e 2 8 a 1 1 0 t i f e 3 2 a 1 f e 2 8 a 1 ，与前面的磨损实验结果更为 符合，由此可见，相比硬度、强度，材料的耐磨性与其形变过程中的加工硬 化速率的关系似乎更为密切，但由于实验条件所限未能对其进行详细计算， 尚需进一步研究。 另外受条件限制未能对其它金属与合金进行对照磨损实验，但粗略计算 了本实验中制备的f e 3 a l 金属间化合物材料的磨损系数k ，其计算公式为： k ：a v h ( 3 1 ) 1 1 式中：a v 一体积磨损量，n l m 3 ； h - - v i c k e r s 硬度，k g f m m 2 ； 厂一载荷，k g f ； 卜一滑动距离，m i l l 。 可以看出，磨损系数反映的是材料本身的耐磨性能，基本消除了实验条 件等影响因素，结果表明热压烧结f e 3 a l 块体的磨损系数约为1 0 巧数量级( 其 显微硬度在3 5g p a ) ，而对一般金属与合金【5 们，在无润滑滑动磨损时，k 值 山东大学硕士学位论文 通常为1 03 - 1 04 ，因此可以认为机械合金化结合热压烧结制各的b 2 结构 f e a 【金属问化合物具有优异的耐磨性能，归根结底还是由其结构特性决定 的，有序强化、高的加工硬化速率、晶粒细化、第二相和细小氧化物的沉淀 析出以及组织均匀化等等均是耐磨性能提高的重要因素。 3 3 3 f e 3 a i 块体材料的磨损机制 由前面的摩擦系数与磨损率随滑动距离的变化曲线可以看出，不同成分 的热压烧结f e ，a l 试样在不同试验工况下其摩擦磨损机制有着明显差异。 图3 1 4 ( a ) 、( b ) 和( c ) 、( d ) 分别为热压烧结f e - 2 8 a i 在载荷1 0 0 n 和2 0 0 n 、 滑动线速度为o8 4m s 时的磨损表面s e m 形貌。 ( a ) ( c )( d ) 田31 4f e 2 8 a i 烧结试样在载荷1 0 0n ( a ) ( b ) 和2 0 0n ( c ) ( d ) 时的磨损表面形貌 f i g31 4s e m i m a g e so f w e a l * s u r f a c eo f f e 一2 8 a iu n d e r t h e l o a do f 0 0 n ( a ) ( b ) a n d2 0 0 n ( c ) ( d ) 图315 ( a ) 、( b ) 和( c ) 、( d ) 分别为热压烧结f e - 2 8 a 1 - 1 0 t i 在载荷1 0 0n 和 山东大学硕士学位论文 2 0 0n 、滑动线速度为o 8 4m s 时的磨损表面s e m 形貌 ( 吣 图31 5f e - 2 8 a 1 1 0 t i 烧结试样在载荷1 0 0n ( a ) ( b ) 和2 0 0n ( c ) ( d ) 时的磨损表面形貌 f i g31 5s e mi m a g e so f w e a rs u r f a c eo f f e 一2 8 a i - 1 0 t iu n d e rt h el o a do f1 0 0n ( 曲( b ) a n d 2 0 0 n ( c ) ( d ) 比较图31 4 和图31 5 可以看出，在较低载荷下( 1 0 0n ) ，经磨损后的 f e - 2 8 a 1 和f e 一2 8 a 1 i o t i 摩擦表面均出现了明显的塑性变形，以f e 2 8 a 1 较为 严重，f e 2 8 a 1 1 0 t i 的磨损形式主要是磨粒在试样表面发生微切削形成的犁 沟以及表面颗粒脱落形成的凹坑，磨损较轻( 图31 5 ( a ) ( b ) ) ；而f e 2 8 a 1 的 磨损表面除了微犁沟和点蚀外，已经开始形成了微裂纹以及片层状剥落( 图 31 4 ( a ) ( b ) ) ，因此磨损量高于f e 2 8 a 1 1 0 t i 。而当载荷提高的2 0 0n 时，重载 高速的磨轮使f e 2 8 a i 材料表面出现较深的塑性变形层和加工硬化层，在反 复的冲击磨削作用下裂纹迅速扩展导致摩擦表面疲劳断裂，大块材料剥落， 磨损严重( 图31 4 ( c ) ( d ) ) ；载荷对f e 2 8 a 1 1 0 t i 的影响不是十分明显，仍以 山东大学硕士学位论文 塑性变形为主，没有明显的断裂，只是在局部区域产生应力集中形成微裂纹， 导致小片材料的剥落( 图3 1 5 ( c ) ( d ) ) ，因此即使载荷为2 0 0n 时，f e 一2 8 a 1 1 0 t i 始终保持较小的磨损量，仅在磨损后期略有提高。 综上所述，对于f e a l 合金而言，在低载荷下磨损表面以塑性变形为主， 伴随着磨粒磨损形成的微切削和微犁沟的出现，此时材料的屈服强度及塑性 对耐磨性起决定作用，屈服强度和塑性越高，耐磨性能越好；而在高载荷下， 应力集中产生裂纹并进一步扩展，导致疲劳断裂，伴随大块片层材料剥落， 磨损严重，此时材料的断裂强度起主要作用。另外，在摩擦磨损过程中，摩 擦表面温度升高，发生着一系列的物理化学变化，例如表面组元的分解，对 偶间的物质转移，氧化膜的形成等等，对材料的摩擦磨损性能也有着不同程 度的影响。 3 4f e 3 a i 块