（材料学专业论文）al3timg复合材料的磨损行为及磨损机理的研究.pdf

江苏大学硕士研究生学位论文 摘要 通过m g - a i t i 体系反应烧结法制备出a 1 3 t i m g 复合材料，并在m g 一2 0 0 型高温磨损 机上进行磨损实验，系统研究了不同实验条件下2 5v 0 1 a 1 3 t l m g 复合材料的磨损行为， 且与a z 9 1 d 镁合金进行对比。采用扫描电镜( s e m ) 、能谱分析仪( e d s ) 和x - r a y 衍射 仪( x r d ) 观察和分析a 1 3 t i m g 复合材料物相、显微组织以及复合材料的磨损表面、磨损 剖面和磨屑，探讨了复合材料的磨损机制。 实验结果表明：砧3 啊含量对a 1 3 t i m g 复合材料的耐磨性有显著影响，2 5v 0 1 a 1 3 t i m g 复合材料的耐磨性最佳。在不同的环境温度下2 5v 0 1 a 1 3 t i m g 复合材料表现 出不同的磨损行为，室温a 1 3 t i m g 复合材料在低载( t 9 9 0 ) 、m g 粉( 粒度：1 0 0 2 0 0 目，纯度 t 9 9 9 9 ) 。实验所用原材料购于国药 集团化学试剂有限公司。 实验过程分为四步：( 1 ) 混料；( 2 ) 压坯；( 3 ) 真空干燥；( 4 ) 反应烧结。 ( 1 ) 混料 根据摩尔比a i ：t i t 3 ：1 ( 实验中在a i ：t i = 3 ：i 的基础上多加了一定量的砧粉，其多加 的粉是m g 粉含量的6 - - 1 0 ) 。采用j d 2 0 0 - 2 型电子天平( 精度0 0 0 1m g ) 称量，为 了混料的均匀性，根据球磨罐的容量，实验中每次球磨粉料总质量为6 0g ，放入盛有玛瑙 磨球( 球料比3 ：1 ) 的球磨罐中，在卧式球磨机中进行充分混合，转速为1 0 0r m i n ，球磨 时间2 4h 。 ( 2 ) 压坯 按预制块的高度和密度计算出一个预制块所需混合粉末的质量，采用s b 手扳式制样 机压制成约1 0 x 2 0 x 3 0m m 的预制块。 ( 3 ) 真空干燥 将压制好的预制块放在d z f - 6 0 5 0 型真空干燥箱中，在1 0 0 c 下真空干燥6h ，在冷却 到室温时取出，放于干燥器皿中待用。 ( 4 ) 反应烧结 预制块在真空管式烧结炉( g s l l 3 0 0 x ，合肥科晶材料技术有限公司，见图2 1 ) 中 进行无压反应烧结，烧结温度高于m g 熔点( 6 4 8 8 。c ) 以上进行反应烧结，烧结温度选 取7 2 0 ，保温时间为9 0r a i n 。 1 4 江苏大擘硕士研究生学位论丈 2 2 组织分析 t 一一 图2 1 g s l l 3 0 0 x 真空昔式烧结炉 f 嘻2 1 g s l l 3 ) 0 x t y p e v 删u i l t u b e f u r n a c e ( 1 ) 金相试样的制备 按实验要求将试样加工成相应的形状后用砂轮机打磨平，然后再分别用1 5 0 、4 0 0 、 6 0 0 、8 0 0 、1 0 0 0 和1 2 0 0 目的砂纸将表面磨光滑最后在抛光机上用盒刚石抛光膏抛光， 部分试样表面用0 5 的硝酸酒精或苦昧酸酒精腐蚀剂腐蚀。 ( 2 ) 扫描电镜s e m 采用j s m - 7 0 0 1 f 型扫描电镜( s c a n n i n g e l e c t f o n m i c r o s c o p e ，s e m ) 观察复合材料的 显微组织形貌，观察增强相颗粒在材料中的分布、形状等。 ( 3 ) x r d 分析 采用日本理学r i g a k u d m a x - 2 5 0 0 p c 型x - r a y 衍射仪对复合材料试样进行x 射线衍射 分析。衍射条件：o 靶的k n 射线、实验电压4 0k v 、电流2 0 0m a 、衍射速度5 。r a i n 、 衍射角范围2 09 8 0 。 2 3 磨损实验 将上面制得的复台材料线切割成a 6 x 1 2m m 圆柱体试样，圆柱两端面用8 0 0 目砂纸 磨平并用酒精清洗干净。对磨盘材料选用t 1 0 钢，其尺寸为0 7 0 x 1 0 h i m 。 磨损实验在m g - 2 0 0 型高温磨损机上进行，磨损方式为销盘式干滑动磨损，见图2 2 。 1 5 江苏大学硕士研究生学位论文 磨损试样在不同的工况下进行磨损，环境温度分别为：室温2 5 、1 0 0 和2 0 0 c ；载荷分 别为1 2 5 、2 5 、5 0 、1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 、2 7 5n ；磨损机转速分别为：8 0 、1 6 0 、2 4 0 、3 2 0r m i r a 磨损的总行程为：3 2 0 0r 。在磨损实验进行前，先用电子天平称量洗干净试样的质量m i ， 磨损后再用酒精把试样洗干净，并称其质量m 2 ，a m = m 1 1 1 1 2 就是磨损量。把磨损量a m 换成磨损体积a v ，磨损体积a v 除以试样磨损时的总行程便是磨损率。 图2 2 高温磨损实验原理图 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fh i g ht e m p e r a t u r ew e a l t e s t i n gm a c h i n e 2 4 磨损试样分析 血0 0 f w o i g 址 1 磨损表面的物相和形貌 采用日本理学r i g a k u d m a x 2 5 0 0 p c 型x - r a y 衍射仪( x r d ) 对复合材料磨损表面物 相进行分析，衍射条件：c u 靶的k a 射线、实验电压4 0k v 、电流2 0 0m a 、衍射速度5 * m i n 、 衍射角范围2 0 。 - 8 0 。并采用j s m 7 0 0 1 f 型扫描电镜( s e m ) 观察磨损后试样的磨面 形貌。 2 磨损剖面及磨屑分析 采用j s m 一7 0 0 1 f 型扫描电镜( s e m ) 观察磨损剖面和磨屑的形貌特征，同时用电子 探针对磨损剖面和磨屑的微区成分进行定性分析。 1 6 江苏大学硕士研究生学位论文 3 硬度测试 在h v s 1 0 0 0 型显微硬度计测显微硬度。显微硬度是一种压入硬度，反映被测物体对 抗另一硬物体压入的能力。显微硬度计实际上是一台设有加负荷装置带有目镜测微器的显 微镜。测量之前，先要将试样表面磨光滑，并抛光成镜面，置于显微硬度计的载物台上， 通过加负荷装置对四棱锥形的金刚石压头加压。负荷的大小可根据待测材料的硬度不同而 增减，本实验载荷是0 0 9 8n 。 维氏显微硬度按下式计算： h v = 1 8 1 8 * p d 2 式中：舻维氏硬度( a ) ；p _ 荷重( k g ) ；d - 凹坑对角线长度( 衄) 。 1 7 江苏大学硕士研究生学位论文 第三章a 1 3 t i m g 复合材料的显微组织及磨损行为 3 1 a 1 3 t i m g 复合材料物相及显微组织 采取烧结温度7 2 0 c 和保温时间9 g r a i n 来制备a 1 3 t t m g 复合材料，其中a 1 3 t i 增强相 的体积分数分别为5 、1 0 、1 5 、2 0 、2 5 和3 0v 0 1 。图3 1 是制备的2 5v 0 1 a 1 3 t i m g 复 合材料的x r d 分析，可以看到复合材料由基体相m g 、m 9 1 7 a 1 1 2 和a 1 3 t i 相组成，可以确 定制得的复合材料中生成了砧3 啊颗粒。 h 辑 善 o q 自 参 秘 e 静 篓 图3 1a 1 3 t i m g 复合材料的x r d 分析 f 逸3 1x r dp a t t e mo f a l 3 t i m gc o m p o s i t e 图3 2 是不同m 3 n 含量的a 1 3 t t l v l g 复合材料的显微组织。可以看到，随着3 含 量的增多，基体内分布的趾3 颗粒的密度也增加。图3 2 ( a ) 是含5v 0 1 a 1 3 t i 的复合材 料，表面存在少量开裂和气孔，烧结时粉末并未完全反应，几乎看不到伽3 颗粒。图3 2 ( b ) 中已经能看到细小的a 1 3 t i 颗粒，并且气孔明显减少。图3 2 ( c ) 是1 5v 0 1 a 1 3 t i 的复 合材料显微形貌，基体内分布着大量的a 1 3 t i 颗粒。图3 2 ( d ) 、( e ) 和( f ) 中的a 1 3 t i 颗粒越 来越多。可见随着m 3 含量的增加，反应更完全，材料更致密，而且生成的3 m 颗粒 更多，分布更均匀。还可以从图3 2 中看到，砧3 含量较低时，复合材料中颗粒尺寸大 小不一，平均尺寸较大，而3 含量较高时，复合材料中颗粒则尺寸细小，大小均匀。 这种分布更均匀、形状更细小的筒3 颗粒肯定能更好地提高材料整体的耐磨性。但也不 1 8 江苏大学硕士研究生擘位论文 是a l 椰含量越高越好。图3 2 ( 0 是3 0v 0 1 a 1 3 t t m g 复合材料的显微组织，虽然生成的 a 1 3 1 3 颗粒更多更均匀但是颗粒过于密集，可能导致部分颗粒直接接触，失去了基体的 保护作用，这将对材料的磨损不利。 图3 2 不同体积分数a i ；n ：m g 复合材料的显微组织形貌 0 ) 5 。嘞1 0 , 1 5 , ( d ) 2 0 , 神2 5 和国3 0 v o l f 3 2 u c o f a i ，t d m g c o m p o s i t e w i t h d i f f e r e n t a l 3 t i v o l u m e f r a c t i o n ( a ) 5 ，嘞1 0 ，( c ) 1 5 ，( d ) 2 0 , ( c ) 2 5 和国3 0 v o i 江苏大学硕士研究生学位论文 3 2a 1 3 t i 含量对a 1 3 t i m g 复合材料耐磨性的影响 在相同的磨损条件下，与纯镁、a z 9 1 镁合金比较，当3 面含量为2 5v 0 1 时，复 合材料的磨损量最低，如图3 3 所示。a 1 3 t i m g 复合材料的耐磨性比纯镁和a z 9 1 镁合金 都好，并且随着筒3 面含量的增加( 5 2 5v 0 1 ) ，复合材料的磨损量逐渐降低，但到3 0 v 0 1 时反而又增大。因此，在舢3 面的含量为2 5v 0 1 时，复合材料的磨损量达到最低点， 耐磨性最佳。 砧3 颗粒具有高的耐磨性，且在镁基体中分布均匀，并和基体结合牢固，在磨损过 程中起到承担载荷、限制对磨盘材料与镁基体直接接触的作用，显著提高复合材料的耐磨 性。但从图3 3 也可以发现，础3 1 r i 颗粒的体积分数也不是越多越好，当舢3 颗粒的体积 分数很高时，灿3 n 颗粒之间可能会直接接触，从而导致灿3 颗粒得不到基体的有力支 撑，引起颗粒的脱落，提高材料的损失，所以触3 含量3 0v 0 1 时的磨损量反而高于2 5 v 0 1 的。 经过上述分析得出：在不同3 噩含量的镁基复合材料中，2 5v 0 1 a 1 3 t i m g 复合材 料磨损量最小，耐磨性最佳。因此，我们选用2 5v 0 1 a 1 3 t f f m g 复合材料，进行系统的 磨损实验，研究其磨损行为。 一、 、- ， 喇 辑 墩 a 1 3 t i ( v o l ) 图3 3 纯镁、a z 9 1 镁合金和a 1 3 t i m g 复合材料的磨损量：( 载荷：1 0n ) f i g 3 3w e a rl o s sf o rp u r em a g n e s i u m , a z 9 1a l l o ya n da 1 3 t i m gc o m p o s i t e i n t h e l o a d o f l 0 n 江苏大学硕士研究生学位论文 3 32 5 v 0 1 a 1 3 t i m g 复合材料的磨损曲线 通过2 5v 0 1 a 1 3 t i m g 复合材料试样在三种不同环境温度下的磨损实验，分别做出 2 5 、1 0 0 、2 0 0 。c 下磨损率随载荷变化的磨损曲线，并与同样磨损条件下的a z 9 1 d 合金的 磨损曲线作比较。而且在同样的环境温度、载荷下，改变试样磨损实验的滑动速度，研究 了2 5v 0 1 a 1 3 t i m g 复合材料磨损率随滑动速度变化情况。 3 3 1 不同环境温度下复合材料的磨损曲线 图3 4 是2 5v 0 1 a 1 3 t i m g 复合材料在环境温度2 5 、1 0 0 、2 0 0 c 和滑动速度1 6 0r m i n 时磨损率随载荷增大的磨损率曲线。可见，在三种环境温度2 5 、1 0 0 、2 0 0 。c 下，随着载 荷的逐渐增大( 2 5 - - 2 0 0n ) ，2 5v 0 1 a l s t i m g 复合材料的磨损率都逐渐增大。并且三种 温度下复合材料的磨损曲线都没出现从轻微磨损到严重磨损的突变。 迥 竹目 百 苗 e 鲁 盏 load(n)loadoo 图3 42 5v 0 1 a 1 3 t i m g 复合材料不同环境温度下随载荷变化的磨损率曲线 ( 环境温度：( a ) 2 5 c 、( b ) 1 0 0 c 、( c ) 2 0 0 c 滑动速度：1 6 0r m i r a 行程：3 2 0 0r ) f i g 3 4w e a r r a t eo f2 5v 0 1 a 1 3 t d m gc o m p o s i t ea saf u n c t i o no fa p p l i e dl o a d ( a m b i e n tt e m p e r a t u r e ：( a ) 2 5 c 、 1 0 0 c 、( c ) 2 0 0 0 c ：s l i d i n gs p e e d ：1 6 0r r a i n ；s t r o k e ：3 2 0 0r ) 2 1 江苏大学硕士研究生学位论文 图3 5 是也2 5 、1 0 0 、2 0 0 。c = 种不同的环境温度下，2 5v 0 1 a 1 3 t t m g 复合材料的磨 损率曲线。更能直观的比较不同温度下的磨损率变化。从温度变化的角度来看，2 5 c 时的 磨损率总体来说最大，1 0 0 c 时稍有降低，而在高载下磨损率明显低于室温的，而到了2 0 0 ，磨损率显著降低。可见， 2 5v 0 1 a 1 3 t i m g 复合材料具有较好的高温耐磨性。 l o a d ( m 图3 52 5v 0 1 a 1 3 t t m g 复合材料在不同温度下的磨损曲线 ( 滑动速度：1 6 0r m i r a 行程：3 2 0 0r ) f i g 3 5w e a rr a t eo f 2 5v 0 1 a 1 3 t i m gc o m p o s i t eu n d e rv a r i o u st e m p e r a t u r e ( s l i d i n gs p e e d ：1 6 0r m i n ；s t r o k e ：3 2 0 00 3 3 2 复合材料与a z 9 1 d 磨损曲线比较 图3 6 是复合材料和a z 9 1 d 镁合金在相同的磨损条件下( 温度2 5 ，滑动速度1 6 0 r r a i n ，行程3 2 0 0r ) 的磨损曲线比较图。如图所示，a z 9 1 d 的磨损率跟2 5v 0 1 a 1 3 t 们v g 复合材料的磨损率一样，都随着载荷的增大而增大，但是复合材料的磨损率曲线相对 a z 9 1 d 来说斜率更大，说明其磨损率的增长速率更快。从2 5v 0 1 a 1 3 t i m g 复合材料的 磨损曲线看，并没有出现明显的从轻微磨损到严重磨损的转变点，而a z 9 1 d 的曲线却有 明显的转变点。载荷在2 5 - - - 1 0 0n 之间时，2 5v 0 1 a 1 3 t 1 m g 复合材料的磨损率比a z 9 1 d 的小，特别是载荷在2 5 - - 5 0n 时，复合材料的磨损率只相当于a z 9 1 d 合金的一半，而 一吕曹一pb篮“心jil 江苏大学硕士研究生学位论文 当载荷进一步增大后，复合材料的磨损率反而高于a z 9 1 d 镁合金的。 舍 百 葛 名 急 芒 l o a d ( n ) 图3 6 常温下2 5v 0 1 a 1 3 t i m g 复合材料与a z 9 1 d 镁合金的磨损曲线 ( 滑动速度：1 6 0r m i n ；行程：3 2 0 0r ) f i g 3 6w e a r r a t eo f 2 5v 0 1 a 1 3 t i v i gc o m p o s i t ea n da z 9 1 du n d e rn o r m a lt e m p e r a t u r e ( s l i d i n gs p e e d ：1 6 0r m i n ；s t r o k e ：3 2 0 0r ) 在1 0 0 。c 时( 滑动速度1 6 0r m i n 、行程为3 2 0 0r ) ，2 5v 0 1 a 1 3 t t m g 复合材料在不 同的载荷下的磨损与镁合金a z 9 1 d 的比较见图3 7 。可见，在载荷2 5n 到1 5 0n 的范围 内，2 5v 0 1 a 1 3 t i m g 复合材料的磨损率都比a z 9 1 d 的磨损率低，可见，复合材料在环 境温度1 0 0 。c 时，其耐磨性比a z 9 1 d 好，特别在低载荷下。从2 5v 0 1 a 1 3 t t m g 复合材 料的磨损曲线来看，没有明显的从轻微磨损到严重磨损的磨损转变，这与图3 5 中2 5 时 复合材料的磨损曲线一样。a z 9 1 d 的磨损率曲线在载荷2 0 0 n 时发生了磨损转变。 图3 8 是环境温度2 0 0 4 c 时2 5v 0 1 d a 1 3 t i m g 复合材料与a z 9 1 d 的磨损曲线比较图。 在此温度下，2 5v 0 1 a 1 3 t f f m g 复合材料磨损曲线也没有出现明显的磨损转变。2 5 v 0 1 a 1 3 t f f l v l g 复合材料的磨损率明显低于a z 9 1 d 合金。可见，复合材料在2 0 0 * ( 2 时耐磨 性比a z 9 1 d 好很多。 江苏大学硕士研究生学位论文 l o a d ( n ) 图3 71 0 0 c - f2 5v 0 1 a 1 3 t i m g 复合材料与a z 9 1 d 镁合金的磨损曲线 ( 滑动速度：1 6 0r r a i n ：行程：3 2 0 0r ) f i g 3 7w r c 盯r a 钯o f2 5v 0 1 a i a t i m gc o m p o s i t ea n da z 9 1 d u n d e r1 0 0 ( s l i d i n gs p e e d ：1 6 0r m i n ；s t r o k e ：3 2 0 00 l o a d ( n ) 图3 82 0 0 - v2 5v 0 1 a 1 3 t i m g 复合材料与a z 9 1 d 镁合金的磨损曲线 ( 滑动速度：1 6 0r r a i n ：行程：3 2 0 0r ) f i g 3 8w e a ra t eo f 2 5v 0 1 a 1 3 t i m gc o m p o s i t ca n da z 9 1 du n d e r 2 0 0 ( s l i d i n gs p e e d ：1 6 0r r a i n ；m r o k e ：3 2 0 00 一目。置昌一p_e筐ib蕾 畲售一p_b暖ho事 江苏大学硕士研究生学位论文 3 3 3 不同滑动速度下复合材料的磨损曲线 在变化滑动速度时得到的2 5v 0 1 a l a t i m g 复合材料的磨损率曲线见图3 9 。随着滑 动速度的增大，材料的磨损率没有显著的变化，直到滑动速度达到3 2 0r m i n 时，磨损率 稍下降。可见，滑动速度对2 5v 0 1 a 1 3 t t m g 复合材料的磨损影响不大。 s li d i n gs p e e d ( r m i n ) 图3 9 不同滑动速度下2 5v 0 1 a 1 3 h m g 复合材料的磨损曲线 ( 环境温度：2 5 ；载荷：1 0 0 n ；行程：3 2 0 0r ) f i g 3 9w e a rr a t eo f2 5v 0 1 a 1 3 t i m gc o m p o s i t eu n d e rv a r i o u ss l i d i n gs p e e , d ( a m b i e n tt e m p e r a t u r e ：2 5 。c ；l o a d ：1 0 0n ；s t r o k e ：3 2 0 0f ) 3 42 5 v 0 1 a 1 3 t i m g 复合材料的磨损表面的物相和形貌 2 5v 0 1 a 1 3 t i m g 复合材料磨损表面的x r d 分析如图3 1 0 所示。除了基本的m g 、 m m 和m 9 1 7 a 1 1 2 外，还存在氧化物m g o 跟f e t i o 。可见，在复合材料与对磨盘磨损实 验的过程中，基体材料发生了氧化，并且对磨盘材料发生了转移，进而在磨损表面氧化形 成了m g o 、f e t i o 。从图3 1 0 分析，m g o 在常温2 5 。c 时就出现，说明试样磨损表面在 常温时已经发生氧化，而随着温度的提高，m g o 含量有增加的趋势。氧化物f e m o 则 到了1 0 0 时才开始出现，随着载荷的增大，复合材料对磨盘的切削力增大，转移到磨损 表面的f e 也增多，进而在磨面氧化后形成的f e n o 也稍有增多。 一目。_星一op四篮h西。事 江苏大学硕士研究生学位论文 图3 1 02 5v 0 1 a 1 3 t i m g 复合材料磨面的x r d 图 f i g 3 1 0x r dp a t t c mo fw o r ns u r f a c ef o r2 5v 0 1 a 1 3 t i m gc o m p o s i t e 图3 1 1 是2 5v 0 1 a 1 3 t i m g 复合材料在载荷2 5n 下的磨面形貌，环境温度分别为2 5 、 1 0 0 、2 0 0 。如图3 1 1 ( 幻和( b ) 所见，在环境温度2 5 时，复合材料试样的磨损表面上沿 着磨损方向均匀分布着细小的犁沟状划痕，表层有较少的剥落，并且磨损表面还存在大量 白色的氧化物颗粒，由图3 1 0 知道，氧化物颗粒主要是m g o ，是磨损过程中磨损表面形 成的氧化膜破裂形成的。当环境温度提高到1 0 0 c 时，图3 1 1 ( c ) 和( d ) 所示，磨损表面仍 均匀分布着大量犁沟状划痕，但是已经出现分层现象，磨面表层开始剥落。图3 1 1 ( e ) 和 是环境温度为2 0 0 c 时的磨面形貌，从图中可看出，磨损表面划痕减少，磨面出现了涂 抹的现象，表面发生塑性变形。 江苏大学硕士研究生学位论文 圈3 1 12 5v 0 1 a i ，t f m g 复古材辩在载荷2 5 n 下的磨损表面形貌 ( a ) 仰2 5 ( 2 ，( c ) ( d ) 1 0 0 c ，( e ) ( o2 0 0 c f 3 1 1 w o r n s u r f a c e m o r p h o l o g y o f 2 5 v 0 1 a 1 3 t q m g m 脚u n d e r l o a d o f l 5 n ( a ) 种2 5 c ，( c ) ( d ) 1 0 0 c ，( e ) 国2 0 0 c 2 5v o 】a 1 3 t i f m g 复合材料在载荷1 5 0 n 时的磨损表面形貌如图3 1 2 所示，随着环境 温度的升高，材料磨损表面的形貌也发生变化。罔31 2 ( a ) 和c o ) 是环境温度2 5 时的磨面 形貌，此时磨损属于剥层磨损，磨损表面大量剥落。当环境温度提高到1 0 0 c 时，磨损表 面变得光滑并可以看到大量粘着物被压平在表面上，而且发现a 1 3 f i 颗粒暴露在磨损表 2 7 江苏大学硕士研究生学住论文 面e ，有效地保护了基体，减小了磨损率，如图3 1 2 ( c ) 和( d ) l 1 所示。而图3 1 2 ( e ) 和国 是环境温度为2 0 0 c 的磨面形貌，相对于1 0 0 时的磨损形貌而言，光滑的表面上山现了 硬质颗粒划过的划痕，表面有热软化现象，磨损表面发生了明显的塑性变形。 幽3 1 22 5 v 0 1 a 1 3 t f f m g 复合材料在载荷1 5 0 nf 的磨损表面形貌 ( 砷嘞2 5 c ，( c ) q ) 1 0 0 c ，( e ) 国2 0 0 c f i g3 1 2 w o ms u r f a c e m o r p h o l o g yo f 2 5 v o r a 1 3 t v m gc o m p o s i t e u n d e r l o a do f l 5 0 n ( a ) 嘞2 5 c ，( c ) ( 田1 0 0 c ，( e ) 2 0 0 c 江苏大学硕士研究生学位论文 相比之下，a z 9 1 d 合金的磨损表面形貌，如图3 1 3 所示。从图3 1 3 ( a ) 中看到，在环 境温度为常温，载荷2 5 n 的磨损条件下，a z 9 1 d 的磨损表面上已经出现了大量的犁沟， 而随着载荷与环境温度的提高，从图3 1 3c o ) 、( c ) 和( d ) 可以看到t 材料磨损表面有大量的 剥落，并且材料塑性变形严重。 在相同的磨损条件下，a z 9 1 d 镁合金的磨损表面相对于2 5v o l a 1 3 1 i ，m g 复合材料 而言，破坏程度更加严重。而且复合材料的剥落及塑性变形要在更高的环境温度或载荷下 才出现，可见。复合材料的耐磨性优于a z 9 1 d 。这正与复合材料和a z 9 1 d 的磨损曲线比 较结果一致。 图31 3 a z 9 1 d 台金的磨损表面形貌 ( 日2 y c ，2 5 n 0 3 ) 2 5 c ，1 5 0 n ( c ) 1 0 0 c ，2 5 n 卿1 0 0 c ，1 5 0 n f i g 3 1 3 w o r as u r f e c e m o r p h o l o g y o f a z 9 1 da l l o y ( a ) 2 5 ，2 5 n 秭2 5 c ，1 5 0 n ( c ) 1 0 0 c ，2 5 n 1 0 0 c ，1 5 0 n 江苏大学硕士研究生学位论文 第四章a 1 3 t i m g 复合材料磨损机理探讨 通过上文中的磨损曲线以及磨损表面的分析，并跟a z 9 1 d 镁合金的磨损行为作了比 较，发现a 1 3 t i m g 复合材料具有高的室温耐磨性( 低载下) 和高温耐磨性。本章对复合 材料的磨损曲线以及磨损表面的进一步分析，结合复合材料磨屑和磨损剖面的分析结果， 探讨了复合材料的磨损机理。 4 1 2 5 v 0 1 a 1 3 t i m g 复合材料的磨损曲线及磨损表面分析 首先从2 5v 0 1 a 1 3 r i m g 复合材料的磨损率曲线与a z 9 1 d 的比较分析来看，在环境 温度2 5 时，载荷在2 5 1 0 0n 之间时，复合材料的磨损率只相当于a z 9 1 d 镁合金的一 半，耐磨性要比a z 9 1 d 好很多，这和w a n g 5 5 】报道的1 5v 0 1 n i 3 a i - a i ( 6 0 9 2 ) 和a i ( 6 0 9 2 ) 材料耐磨性的比较相似。均匀分布在基体内部的3 雨颗粒具有高的硬度和强度，在基体 中起到了很好的承担载荷的作用，在磨损过程中保护基体，阻碍基体的磨损。而当载荷进 一步增大后，复合材料的磨损率反而高于a z 9 1 d 镁合金的，其原因可能是一部分越3 豇 颗粒与基体结合紧密，载荷增大后导致颗粒连着大块基体同时脱落，增大了复合材料的磨 损量，而另一部分颗粒可能在载荷增大时与基体的结合界面破裂，或是颗粒自身破裂，增 加了磨损中材料的转移，这些都会导致复合材料的磨损率增大。 环境温度为1 0 0 和2 0 0 的情况下，在实验载荷范围内复合材料的磨损率都要比 a z 9 1 d 低。特别是在环境温度2 0 0 c 时，从图3 8 中可以看到，复合材料的磨损率远低于 a z 9 1 d 。通过三种环境温度下复合材料的磨损率曲线比较( 见图3 5 ) ，发现a 1 3 t 们v l g 复 合材料具有高的室温耐磨性( 低载下) 和高温耐磨性。 其次从复合材料的磨损表面分析，在低载2 5n 下，随着环境温度的升高，复合材料 的磨损表面由一开始出现的细小犁沟到分层剥落，再到出现涂抹及塑性变形，磨损机制也 相应转变。磨损表面出现细小犁沟时属于磨粒磨损，而后来的分层剥落现象则是剥层磨损， 涂抹及塑性变形则属于粘着磨损。在高载1 5 0n 下，随着环境温度的升高，复合材料的磨 损表面形貌也发生改变，不同的磨损形貌则对应着不同的磨损机制。在常温下，磨损表面 大量剥落，属于剥层磨损，而到了1 0 0 时，大量粘着物压平在表面，基体暴露在外面， 当环境温度升高到2 0 0 时，磨损表面出现热软化现象，并有明显的塑性变形，这都是粘 着磨损的特征。 3 0 江苏大学硕士研究生学位论文 一般认为出现大量剥落或是塑性变形时，磨损会由轻微向严重转变。而从复舍材料的 磨损率曲线中并没发现有明显的磨损突变点。因此复合材料的磨损过程中可能还有其他因 素的影响，延迟了向严重磨损的转变。通过复合材料磨损表面的成分扫描及x r d 分析， 发现磨损表面在常温时就存在氧化物m g o ，而从1 开始，又出现氧化物f e - t i o 。可 见，在磨损中，基体材料发生了氧化，并且对磨盘中的铁发生了转移，在材料表面被氧化。 因此，氧化磨损可能也是复合材料的一种磨损机制。 而a z 9 1 d 镁合金的磨损表面在常温低载时就已经出现大量犁沟，随着环境温度跟载 荷的提高，其磨损表面的剥落和塑性变形都要比复合材料的严重。因此从磨损表面也能看 出复合材料的耐磨性要比a z 9 1 d 镁合金的好。 4 22 5 v 0 1 a 1 3 t 舢g 复合材料的磨屑 2 5v 0 1 a i f f m g 复合材料磨屑形貌如图4 1 所示，环境温度在2 5 时，磨屑的形貌 主要为片状，但从图41 ( a ) 和巾) 中可以看到少量的条状磨屑，即切削眉。当温度升高到 1 0 0 c 时 ，磨屑都是片状，大小大概在1 0 0 - 2 0 0 i i m ，未发现切削屑，如图4 1 ( c ) 和( d ) 所示- 当温度达到2 0 0 c 时，载荷2 5 nf 的蘑属仍为1 0 0 - , 2 0 0 l l m 的片状，而载荷1 5 0 n 的磨屑 则是更大的片状，尺寸大概在3 0 0 - - 5 0 0g m 。 江苏大学硕士研究生学住论文 翻4 1 2 5 v 0 1 a 1 3 t d m g 复合材料磨屑形虢 2 5 c 、2 5 n 2 5 c 、1 5 0 n ( c ) l c o 。c 、2 5 n ( d ) 1 0 0 c ，1 5 0 n ( e ) 2 c 0 c 、2 5 n ( 母2 0 0 c 、1 5 0 n f i g4 1 w e a r d e b r i s m o r p h o l o g y o f 2 5v 0 1 a 1 3 f i m gc o m p r i t e ( 时2 5 c ，2 5 n ；c o ) 2 5 ( 2 1 5 0 n ，( c ) 1 0 0 c ，2 5 n ，d ) 1 0 0 。c ，1 5 0n ，0 ) 2 0 0 c ，2 5 n ；2 0 0 c 、1 5 0 n 图4 2 是不同磨损条件下磨屑的e d s 分析。从图4 2 ( a 】中可以看到，在常温下，磨 屑中的少量切削屑成分主要就是铁是试样对磨盘切削形成的磨屑，而片状的磨屑则o 含量很高，说明其主要是由磨损表面氧化物剥落形成的，磨屑由氧化物颗粒及基体材料组 成，见圈4 2 0 ) 。当环境温度升高到1 0 0 3 3 时，片状麝屑中的o 含量义比较高，从图4 2 f c l 可以看到，而当温度达到2 0 0 3 3 时，太片状磨属的。含量很低，可阻推测此种蘑屑可能是 材料基体内部的剥落，所以它是由基体材料组成( 囤4 2 f d l ) 。 l n 1 j 江苏大学硕士研究生擘位论文 _ o l l 一ji 2 l i型 圈 22 5 v 0 1 a 1 3 t e m g 复合材料磨屑e d s 分析 ( 砷c o ) 2 5 c ( c ) 1 0 0 c ( d ) 2 0 0 c f 嘧4 2 e d sa n a l y s i s o f w e a r d e b r i s f o r 2 5 v 0 1 a 1 3 r e m g c o m p o s i t e ( a ) f o ) 2 5 6 c0 ) 1 0 0 c ( d ) 2 0 0 c 在分析2 5 v o l a 1 3 1 孙幢复合材料的磨屑时发现其磨屑的形貌以片状为主。经磨屑 的e d s 成分分析，片状磨屑还分为两种，一种是氧含量较高的，另一种则氧含量较低。 前者应是材料表层的氧化膜剥落形成的，而后者则是从材料基体剥落。 氧含量高的大片状磨屑是氧化磨损的特征，再结合磨损表面的x r d 分析( 图3 1 0 ) ， 确定氧化磨损也是复台材料的培损机制之一，并且从常温开始直作用于复合材料的磨 损。说明试样能在磨损中在表面不断形成氧化膜，很好地保护了基体材料，减小了磨损率 延迟了复合材料向严重磨损的转变。 4 3 2 5 v o i a j 3 t i m g 复合材料的磨损剖面 2 5v 0 1 a 1 3 i i ，m g 复合材料磨损剖面的形貌如图4 3 所示，在磨损过程中磨屑被挤压 到复合材料表面，在磨损表层上形成了一层机械混合层( m m l ：m e c h a n i c a lm i x e d l a y e r ) 【剐。 m。r卜；。 江苏走学硕士研究生学位论文 圉4 32 5v 0 1 a 1 3 t q m g 复旨材料磨损剖面形貌豳 2 5 c 、2 5 n 秭2 5 c 、1 5 0 n ( c ) t 0 0 c 、2 5 n ( d ) 1 0 0 c 、1 s o n ( e ) 2 0 0 c 、2 5 n ( f ) 2 0 0 c ，1 s o n f 培4 3 w o r as 酬o n m o r p h o l o g yo f 2 5v 0 1 a 1 3 i v m g c o m p o s i t e ( a ) 2 w c 、2 5 n 仰2 5 c 、1 5 0 n ( c ) 1 0 0 c 、2 5 n ( d ) 1 0 0 、1 s o n ( e ) 2 0 0 c 、2 5 n 国2 0 0 c 、1 5 0 n 可以从图4 , 3 中看到，随着温度载荷的变化，磨损剖面上形成的m m l 的形貌不同， 剖面表层都形成了不连续的m m l 。当环境温度在常温时，随着载荷的增大( 2 5n 1 5 0 n ) m 札厚度增加的趋势，层厚从5 ) t i n 增加到1 5 岬左右，见图4 3 ( a ) 和( b ) ：温度1 0 0 c 时，同常温时j 样，形成的m m l 也有增厚的趋势( 图4 3 ( c ) 和( d ) ) - 厚度由2 5n 时的 3 4 江苏大学硕士研究生学位论文 1 0 m 增厚到1 5 0n 时的1 5l u n ；但从图4 3 ( e ) 和看到，当环境温度2 0 0 c 时，随着载 荷由2 5n 到1 5 0n 增大，m m l 厚度则明显减小，载荷2 5n 时m m l 厚度有3 0 岬左右， 而到了载荷1 5 0 n 时只有2 0 岬。不同磨损工况下的m m l 硬度与基体硬度的比较见表4 1 。 图4 4 是复合材料磨损剖面m m l 区域的e d s 分析图，从图中可以清楚地看到，剖 面中含有m g 、a 1 、t i 复合材料中的合金元素j 并含有铁元素和氧元素，可以推测，f c 是从对磨盘迁移过来的，而氧的存在则说明了氧化物的存在，从图4 4 中可看到氧元素的 含量较高，可见m m l 中氧化物的数量较多。结合磨面的x r d 分析( 图3 1 0 ) ，m m l 中 大致含有氧化物m g o 和f e - t i o 以及基体磨屑m g 、a 1 3 t i 和m g l t a 1 2 。在磨损过程中， 由于磨面和磨屑氧化后被压碎并挤压，便形成了磨损亚表层的m m l ，而载荷跟温度的提 高可促进m m l 生成，厚而致密的m m l 硬度明显高于基体，因此m m l 必定影响到复合 材料的磨损。 表4 1 不同磨损工况下m m l 与基体的硬度 r a l b l c4 1h a r d n e s so fm 啉也a n dm a t r i x 江苏大学硕士研究生学位论文 e n e r g y ( k e v ) 图4 42 5v 0 1 a 1 3 t i m g 复合材料磨损剖面e d s 图 ( a ) 2 0 0 。c 、2 5 nc b ) 2 0 0 。c 、1 5 0 n f i g 4 4e d sa n a l y s i so fs e c t i o nf o r2 5v 0 1 a i a t i m gc o m p o s i t e ( a ) 2 0 0 c 、2 5 n ( b ) 2 0 0 6 c 、1 5 0 n 对磨损剖面的分析，需重点提出的就是机械混合层m m l 。从剖面的形貌图中看到， 在常温和1 0 0 、2 0 0 时，试样亚表层都存在m m l ，并且在高的温度与载荷下更易形成厚 而致密的m m l ，其硬度要比基体高。 v c n k a t a r a m a n 和s u n d a r a j a n 5 7 】报道过磨损表面下方的亚表层变形层是一种m m l 层。 这种硬的m g 和f e 的氧化物层有有限的韧性，在低载荷不发生塑性变形和破裂的情况下， 它有能力去支撑强度。k o m v o p o u l o s 5 8 】指出如果在接触界面发生的塑性变形能被制止的 前提下，磨损率和表面破坏可能被最小化。因此存在于材料基体表面的机械混合层在磨损 过程中能起到保护基体的作用，提高材料的承载能力，对降低材料磨损率十分有效。 4 42 5 v 0 1 a 1 3 t i m g 复合材料磨损机理 通过以上复合材料的磨损机理的分析，得出2 5v 0 1 a i 4 t i m g 复合材料的磨损机制 有磨粒磨损、剥层磨损、粘着磨损以及氧化磨损。其中氧化磨损对延缓复合材料由轻微磨 损向严重磨损转变起了很大的作用。特别是在高温下，材料表面更易形成氧化膜，复合材 料在高温磨损下的高的耐磨性与氧化磨损机制密不可分。 而复合材料亚表层厚而硬的机械混合层m m l 也很好地保护了基体，提高了材料的耐 磨性能。当然，增强相趾3 r n 颗粒的加入无疑是提高材料耐磨性的重要因素。3 m 颗粒 具有高的耐磨性，因此在磨损中起到了承担载荷，保护基体的作用，减小了复合材料的磨 娟 江苏大学硕士研究生学位论文 损率。而且3 颗粒还具有高的熔点，因此在高温磨损下，它的加入能减小基体的软化 程度，减轻材料的塑性变形。从a z 9 1 d 镁合金的磨损表面和复合材料的磨损表面比较中 就能看出这一点，复合材料相对于a z 9 1 d 而言塑性变形程度减轻很多。当然3 颗粒 的存在，在高载的情况下也会导致磨损率的增大。 砧3 颗粒与m m l 共同作用使复合材料的耐磨性得到很大程度的提高。尤其在高温 磨损下，基体内部的础3 r n 颗粒降低其软化变形程度，使材料亚表层的m m l 不易破裂， 更持久地保护基体，因此复合材料在高温下的耐磨性更好。 3 7 江苏大学硕士研究生学位论文 第五章结论 1 利用无压反应烧结法制备出了a 1 3 t i m g 复合材料，在a 1 3 t i r m g 复合材料中，a l a t i 颗 粒呈细小、近球状，与基体结合紧密，且均匀分布于基体内部。 2 在相同的磨损条件下，舢3 m 含量对a 1 3 t i m g 复合材料的耐磨性有显著影响，2 5v 0 1 a 1 3 t i m g 复合材料的磨损率最低，具有最佳的耐磨性。 3 在不同的环境温度下2 5v 0 1 a 1 3 t i m g 复合材料表现出不