（机械制造及其自动化专业论文）al基复合材料制备、组织及其性能特征的研究.pdf

江苏太学硕士擘位论史 揍安 a l 硬金属、a 卜陶瓷具有质量低、比强度商、耐高温好、热膨胀系数小、耐磨 性髓好等一系瓢瞧麓，是类狠有疵糟蓠景静薪鳖复合牵季瓣。本文采用“冷疆烧结 + 热挤压”的粉末冶金方法制备出a l t i 、a l f e 、a 卜s i c p ( 1 3 0 n m ) 、a 卜s i c p ( 1 4 um ) 复合楗辩，研究了显擞组织、致密疲、硬度、抗拉行为以及耐磨行为，取褥了一些 创新成粜。结果表明： ( 1 ) 与a l 棚比，a 卜l o t i 复合材料的孔隙率较高，抗拉强度和伸长率较低，硬 度和耐磨性较高；a l l o t i 复合毒手辩豹耐磨性戆分剐是q s n 6 5 一o 4 的1 4 ，9 偿，其磨 损表面星a l 基体+ t i 颗粒+ 孔隙的耐磨组织。 ( 2 ) 夔羞f e 含量增宓羹，a l f e 复合材糕熬魏熬率璎蹇，蕊拉强度宠秀嚣降，终 长率下降，硬度和耐磨性增高，对偶件的减摩性能下降：a 卜l o f e 和a 卜2 0 f e 的耐 磨性能分别为q s n 6 5 一o 。4 和1 3 - 2 和2 3 + 0 倍：a 卜f e 复合材料磨损表面里a l 綦体+ f e 颗粒+ 孑l 隙的耐纛组织。 ( 3 ) 随着s i c p ( 1 3 0 n m ) 含量增加，a 卜s i c p ( 1 3 0 n m ) 复合材料的致密性降低， 伸长率及抗拉强度下簿，硬度和錾整性增高；蠡l i 。5 s i c p ( 1 3 0 n 疆) 、a 卜5 s i e p 、g ，e ( 遴惩动力) 、n o r t h r o p ( 诺斯罗普公词) 、d e a 公司和英国的b p 公司及前苏联的军工厂等已用此法批量生产 s i c 和a 12 0 3 颗粒增强的锅基复合材料。 l 。2 1 2 枫械台金法( 融法) m a 法用高能球磨实现增强体猩基体合金中的充分均匀分散的过程，并改善增强 髂憋褒瑟。睦能，它除了爨骞躁法豹谯越蛙熊终，还鸯菝下特熹；组织缝孝奄缨，l 、麓 2 江苏大学硕士学位论文 匀、稳定，能够制取各种性能优异的亚稳态金属材料，比快速凝固、激光处理、离 子注入三种非平衡加工技术的生产成本低。m a 法可以制作高强高应力腐蚀、低密度 高模量和耐高温材料，采用此工艺已成功制备了s i c p a 1 、s i c p a 1 9 0 2 1 、 s i c p a 1 2 0 2 4 等材料。 1 2 2 液相工艺 1 2 2 1 搅拌铸造法 搅拌铸造法是较早用于制备颗粒增强铝基复合材料的一种弥散混合铸造工艺，搅 拌铸造有二种方式：一种是在合金液高于液相线温度以上进行搅拌，称为液态搅拌或 复合铸造( c o m p o c a s t i n g ) ；另一种是当合金液处于固液相之间进行搅拌，称之为流 变铸造( r e h e o c a s t i n g ) 。无论是哪种方式，其基本原理都是在一定条件下( 通常采 用保护气氛) ，对处于熔化或半熔化状态的金属液，施以强烈的机械搅拌，使其形成 高速流动的旋涡，然后导入增强颗粒，使颗粒随旋涡进入基体金属液中，当增强颗粒 在搅拌力作用下弥散分布后浇注成形。该工艺受搅拌温度、时间、速度等因素的影响 较大，必须要考虑增强体与基体的润湿性和反应性，还要防止搅拌过程中，基体的氧 化和卷入气体。其特点在于：工艺简单、效率高、成本低、铸锭可重熔、可进行二次 加工，是一种可实现商业化规模生产的颗粒增强金属基复合材料的制备技术。其缺点 为：颗粒在金属液中易产生比重偏析、凝固时形成枝晶偏析、造成增强颗粒在基体合 金中分布不均匀、影响材料的性能，另外，颗粒的尺寸和体积分数也受到一定的限制， 颗粒尺寸一般大于1 0um ，体积分数一般小于2 5 。目前，我国上海交通大学金属基 复合材料国家重点实验室在该领域里的研究处于国内领先地位。 1 2 2 2 压力与原压法 该法是先将陶瓷颗粒用粘结剂粘起来做成预制件，用惰性气体作为压力媒体将 金属液压入预制件的缝隙中，凝固后形成复合材料。1 9 8 9 年l a n x i d e 公司提出无压 浸渗法，将该法基体合金放在可控气氛的加热炉中加热到基体合金液相线以上温度， 在不加压力的情况下合金熔体自发浸渗到s i c p 层或预制块中，目前该法已经得到开 发研制。 1 2 2 3 超声振动法 搅拌法虽然工艺和设备都很简单，成本低，但偏聚、成团和卷入气体杂质等问 题难以完全解决，在将增强体加入金属熔体后，如果对熔体施加超声振动，可以明 显改善增强体与金属的润湿性，也可以使颗粒等增强物在金属熔体中均匀分布。 p o l a k o v i c 用超声振动成功地将各种陶瓷颗粒弥散于金属熔体中，制得颗粒增强复合 材料。近年来我国沈阳金属研究所、东南大学等也先后用此法制成了s i c p 的金属基 复合材料。 江苏大学硕士学位论文 1 - 2 2 4 挤压铸造法 压力铸造法是制备颗粒、晶须或短纤维增强金属基复合材料比较成熟的一种工艺。 其原理是在高压作用下，将液态金属浸入增强体预制块中，制成复合材料坯锭，再进 行二次加工，对于尺寸较小，形状简单的制件，也可一次实现近终形制造。影响压力 浸渗制备工艺的主要因素有：压力模具和预制块的预热温度、预制块中颗粒的体积分 数、颗粒尺寸、颗粒的表面性质、挤压速度和挤出压力等。该法的主要优点是：工艺 简单、对设备要求低、复合时间短、通过快速冷却可减轻或消除颗粒与基体的界面反 应、同时可降低材料的孔隙、对形状简单工件可以实现近终成形。其不足在于：对模 具要求较高，在挤压力作用下预制块易发生变形，难以制备形状复杂的制件。 1 2 2 5 喷射工艺 喷射法是一种快速凝固法，可以用来制作复合材料。一种是将合金熔体和s i c p 同时喷射到沉积器上获得复合材料，国外g u p t a 和l a v e r r i a ，国内中南工业大学、 西北工业大学等对此工艺的各种参数做了大量的研究；另一种是用平面流铸造法将 s i c p 喷射到辊轮上，得到复合材料条带。 1 3 s i c p 与铝基体的界面反应 界面是复合材料特有的而且是极其重要的组成部分，复合材料的机械性能与界 面状况密切相关。a 卜s i c p 复合材料界面属于反应型界面，增强体与基体之间互相反 应，生成界面反应产物，且会在界面处形成元素的富集，界面反应及元素富集都会 影响界面的微观结构”。，从而直接影响复合材料的机械性能。 s i c p 和基体的润湿性能直接影响着复合材料的性能，界面反应能增强润湿性能， 利用界面反应可以制备性能良好的复合材料，但在制备过程中要注意：一方面使界 面反应能有效地改善润湿性能，如3 s i c ( s ) + 4 a l ( 1 ) = a 1 4 c 3 ( s ) + 3 s i ( s ) ，提高界面结 合强度；另一方面，过度的界面反应使界面脆弱，降低颗粒传递载荷的能力，反而 降低复合材料的性能。一般通过以下方法处理。1 ：( 1 ) 对s i c p 表面涂覆一层颗粒润 湿性良好的金属( n i 、a 1 ) ，接触角。会减小到8 0 0 1 2 0 。：( 2 ) 向基体中加入活性元 素( 如l i 、a 1 、t i 、z r 、p 等) ，可有效地降低表面张力，改善润湿性；( 3 ) 对s i c p 进行预氧化处理，使s i c p 表面生成s i o ：薄膜，s i 0 ：与基体反应4 a l + 3 s i 0 2 = 2 a 1 2 0 3 + 3 s i 来改善润湿性：( 4 ) 采用凝胶一熔胶方法在s i c p 表面涂覆t i o ：，3 t i o 。+ 4 a l = 2 a 1 2 0 3 + 3 t i ，并有效的抑制a 1 4 c 3 的生成，( 5 ) 在高温下对s i c p 表面进行激光处 理，有利于s i c p 表面改性：( 6 ) 用某些盐如碳酸钠、氟锆酸钾等或在超声振动下用 丙酮等有机溶剂对s i c p 进行处理，清除颗粒表面的氧化物和污染物。 江苏大学硕士学位论文 解决a 卜s i c p 复合材料中s i c p 与基体金属的界面问题，是制备组织均匀和性能 优良的复合材料( 特别是功能复合材料) 的重要环节，需要加强基础理论工作的研 究，建立完善的基体一增强体界面对性能的影响的理论模型，从而有利于开发出低 成本高性能复合材料的生产工艺，进而实现大规模的工艺化生产。 1 4 磨损的类型 磨损是在摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑从而不断损伤的现 象。磨损是多种因素相互影响的复杂过程，根据摩擦面损伤和破坏的形式，磨损按 不同机理和条件，主要分为四大基本类型【_ 7 】 1 4 1 粘着磨损 粘着磨损也称咬合( 胶合) 磨损或摩擦磨损，粘着磨损是在法向加载下，两物 体接触表面相对滑动时产生的磨损。磨损产物通常呈小颗粒状，从一物体粘附到另 一个物体表面上，然后在继续的摩擦过程中，表面层发生断裂，有时还发生反粘附， 即被粘附到另一个表面上的材料又回到原来的表面上，这种粘附反粘附往往使材料 以自由磨屑状脱落下来。粘着磨损产物可以在任意的循环中形成，粘着以后的断裂 分离，并不一定在最初的接触表面产生。 1 4 2 磨粒磨损 磨料磨损是指硬的磨( 颗) 粒或硬的凸出物在与摩擦表面相互接触运动过程中， 使表面材料发生损耗的一种现象或过程。硬颗粒或凸出物一般为非金属材料，如石 英砂、矿石等，也可能是金属，像落入齿轮间的金属屑等，磨料磨损几乎没有一种 单一的磨损机理而引起的，经常是多种磨损机制综合作用的结果，而且随着磨损条 件的变化，可能从一种机制转化为另一种机制。磨料磨损时，作用在质点上的力分 为垂直分力和水平分力，前者使硬质颗粒压入材料表面，而后者使硬质点与表面之 间产生相对位移，硬质点与材料相互作用的结果，使被磨损表面产生犁皱或切削， 形成磨损或在表面留下沟槽。 1 4 3 腐蚀磨损 腐蚀磨损可分为化学腐蚀磨损和电化学腐蚀磨损，化学腐蚀磨损又可分为氧化 磨损和特殊介质腐蚀磨损。腐蚀磨损的产生过程是两物体表面产生摩擦时，工作环 境中的介质如液体或气体或者在润滑剂等作用下，将与材料表面起化学反应或电化 学反应，在表面上形成腐蚀产物，这些产物往往粘附不牢，在摩擦过程中剥落下来， 其后新的表面又继续与介质发生反应，这种腐蚀和磨损的反复过程称为腐蚀磨损。 江苏大学硕士学位论文 这种磨损通常是轻微的磨损，但在高温和潮湿的环境中，它可以变为严重磨损，在 腐蚀磨损中工作条件不同，作用程度亦不同，化学反应与机械作用可以是交替进行 的，并且互相起促进作用。 1 4 4 疲劳磨损 疲劳磨损是种最普遍的磨损形式，主要发生在承受周期性的接触载荷或交变 应力的机器零件表面上，如滚动轴承、车轴、齿轮、钢孰、轧辊等，这种形式的磨 损也被称为接触疲劳磨损，因为都是在循环载荷作用下产生表面失效的形式，其过 程同样包括裂纹的萌生，扩展以致最后断裂，典型特征是点蚀与剥落。可定义为： 当两个接触体相对滚动或滑动时，在接触区形成的循环应力超过材料的疲劳强度的 情况下，在表面层将引起裂纹扩展不同，疲劳磨损与整体疲劳具有不同的特点，裂 纹源与裂纹扩展不同，疲劳磨损裂纹除来源于表面外，也产生在亚表面内，裂纹扩 展的方向是平行于表面，或与表面成一定角度，一般为1 0 。3 0 。【2 0 】。 1 5 本论文研究目标、内容、选题意义 1 5 1 研究目标 研究t i 、f e 含量对粉末冶金a 卜f e 、a l t i 复合材料孔隙率、抗拉强度、伸长 率、硬度和耐磨行为的影响，为该体系材料在轴承、制动盘等领域的应用奠定基础。 掌握a l s i c p 体系复合材料的粉末冶金制备技术，组织与机械性能特征及s i c p 尺寸、含量的影响规律与机理。 1 5 2 研究内容 ( 1 ) 研究a 1 一硬金属( a 1 f e 、a 卜t i ) 复合材料的制备、基本组织性能特征， 包括显微组织、致密性、硬度、拉伸变形行为和耐磨行为，为a l 一硬金属复合材料的 制备号眭能控制及在滑动轴承、涡轮等领域的应用前景提供科学依据。 ( 2 ) 研究以微米级( 1 3 0 n m ) 、微米级( 1 4 um ) s i c p 和微米级a 1 粉( 1 0 0 一2 0 0 目) 为原料，采用“冷压烧结+ 熟挤压”粉末冶金法制备低成本高性能的a 卜s i c 口 体系复合材料的可行性；研究s i c p 含量、尺寸对a l s i c p 复合材料显微组织、硬度、 压缩变形行为、拉伸变形行为和耐磨行为的影响规律，为耐磨、减摩等相关领域的 应用提供科学依据。 ( 3 ) 研究a 1 材料e c a p 晶粒超细化法，采用a n s y s 有限元进行分析影响晶粒细 化的因素及其规律。 6 江苏大学硕士学位论文 1 i5 3 选题意义 1 a 卜硬金属复合材料的研究在国内外较为鲜见，其中耐磨行为尚未见报道。 2 尽管人们对a 卜陶瓷耐磨行为进行了大量的研究，但是对a 卜亚微米级陶瓷 的研究尚未见报道，并且在a 卜陶瓷在油润滑条件下的耐磨行为的研究较为鲜见。 3 对a 卜硬金属、a 卜陶瓷的研究可为相关领域的应用提供科学依据。 4 等通道角挤压法的研究，对材料的机械性能和塑性的提高提供了一个极为前 景的研究方向。 江苏大学硕士学位论文 2 1 实验方案 第2 章材料的制备及实验方法 采用“冷压烧结+ 热挤压”的粉末冶金法制备了a l 一硬金属、a 卜s i c p 复合材料 其工艺流程如图2 1 所示。 图2 1 材料的制备流程 2 2 a 卜硬金属、a i - s i c p 材料制备 表2 1 为本论文中粉末冶金法制备的a 1 t i 、a 1 f e 复合材料，其中a l 粉的粒度 为1 0 0 也o o 目，f e 粉的粒度为2 0 0 目，t i 粉的粒度为2 0 0 目，t i 的含量分别为o 、 一一 兰篓查堂壁主璺堡垒墨 l o v o l ；f e 的含壁分别为o 、1 0 v o i 和2 0 v o 眦，采用市售q s n 6 5 - 0 4 与上述试样进 霉对魄试验，其名义耗学残分楚e u 一6 5 s o 。4 p ( 、档) 。 袋2 1a i f e 、a 卜t i 复合材料 ( 表示制备，一表示未制备) 本实验采用粉末冶金法，制备s i c p 太小为1 4 微米，1 3 0 亚微米，3 0 纳米，其 含量分掰为有1 5 v o l 、5 v 0 1 ，a l 粉酶粒度为l o 乳2 0 0 蘸，含量不同的六组a l - s i c p 复合材料，为便于做比较，我们还制备了纯a 1 试样，见袭2 2 可表示。纯a l 与上 述试群避霉对比试验。 表2 2a 卜s i c p 复合材料 ( 表示制备，制备失败) 2 2 1 藤辩熬臻备 由于s i c 和a l 粉表面不清洁会导致界面结合强度的减弱，因此，必须对s i c 进 行清洗，采用自制的恒温加热器对颞粒表面进行清洗。农经过清洗的s i c p 你为增强 体的复含材謇车，弊面是干净的，界面上既无反斑物也无 晶层，怒s i c a l 的直接结 合。清洗剂成分为：n a o h ( 5 0 9 l ) 、n a2c o3 ( 2 5 l ) 、n a3 p o4 1 2 h2o ( 5 0 l ) 、 n a 2s 渺；( 1 0 乙) 帮o & 1 0 攀佬雾l ( 2 9 色) ，潺洗温疫秀9 5 。清淡瑶舔蒸镶承反复 冲洗1 5 次，得到了表面清浩的s i c 誊嶷子。原料准备好之后进行粉涞混合： ( 1 ) 蚤耋款体积比诗舞： m g t i m g a l = ( v t i p t i ) ( v a i 粉p a l 粉) m g f 彰m g a l 嚣( v p ) ，( v a l 拉p a i 糟) m g s i c p m g a l 端( v s i c p p s i c p ) ( v a i 耪p a i 糟) 江苏大学硕士学位论文 v ：代表体积， d ：代表密度， ( 2 ) 称重：根据上面所计算各自质量，用托盘天平分别称出各自的质量后相 混合。 ( 3 ) 研磨：将所称好的两种物质混合倒入陶瓷研钵中，手工研磨大约1 2 0 r n j n 直到混合均匀且无结团。 2 2 2 粉末压制 粉末通过均匀混合后，在自制的压模中制得压块，压机采用y b 3 2 1 0 0 型液压机， 采用的压力为5 0 吨，保压时间为5 m i n 。在压制试验中，增大成型压力，可使坯体空 隙率减小。但在试验过程中发现，压力低会导致组织疏松，压力商会导致烧结后试 样表面出现鼓包，认为是由于烧结过程中试样内部气体发生了膨胀，由于压制压力 高，组织致密，气体无法排出造成的。同时还发现由于a l 活性高，在压制过程中易 发生粘结，冷焊粘附在模具的内壁，从而影响试验的进行。用石墨+ 二硫化钼+ 黄 油掺和的溶液，涂覆压制模具的内部和冲模的上部，可解决粉末的粘附，起润滑、 减磨的作用。通过实验认为比较合适的压制压强约为3 0 0 m p a 。 本实验中试样，对模具的性能要求是： ( 1 ) 高的硬度和耐磨性在本试样制备中，模具的工作部分承受很大的压力和 强烈的摩擦，要求有高的硬度和耐磨性，通常要求硬度为5 8 6 2 h r c ，以保证模具的 几何尺寸和使用寿命。 ( 2 ) 较高的强度和韧性冷作模具在工作时，承受很大的冲击和负荷，因此要 求其工作部分有较高的强度和韧性，以保证尺寸的精度并防止崩裂【8 】。 ( 3 ) 良好的工艺性要求热处理的变形小，淬透性高。 因此模具的材料选用9 s i c r 低合金工模具钢，加工完后表面淬火。如图2 2 所示， 图2 2 粉末压制模具示意图 l o 江苏大学硕士擘往论文 其主要有三部分组成：外径尺寸为l o o m m 、内径为4 5 m m 、长度为2 0 0 m m 的凹模和 壹径尺寸帮尧4 5 瓣难静长、短嚣个螽模( 其一长度兔l s o 魅拄，贯一长褒戈8 魏n ) ， l r 其中凹、凸模的配合尺寸公差为0 4 5 二尝，属于间隙配禽。 g o 2 2 3 粉末烧缔 粉末压好的试榉是在s l 6 3 。7 8 s f l 真空电阻炉中进行，越s i c p 、a l f e 、a l t i 复合榜料，真空烧结，o o 其烧结温鹰为9 1 3 k ，烧结时间为4 h ，热挤压之前迸幸亍烧 结，可是著改善机械物理性能。 经j 建囊空浇续，奉孝餐豹强度、慈 枣率稻弹缝模萋筠饔大耀度鼢挺寒，毒孝瓣发生 较大的收缩，致密度大为撮高【针，第二相与基体的结合大大加强，这就改善了挤压过 程的金楣滚变，使按压过稷容易进行，按压缺陷减少，誊孝料最终致密度得以提毫。 烧结盾对试样的测试结果表明，烧结过程中基本避免了氯化的产生，烧结效柴良好。 2 2 4 二次加童 烧结后得到的块体存谯很多缺陷，为提高致密度、敬善组织，对块体谶行热挤 压的加正。块体表面涂石照润滑剂，采用正挤压，其挤腿比为l o ：1 ，挤压a 1 s i c p 复合秘瓣对温凄为7 5 3 k ，嚣a 1 f e 、雉氍复会奉季辩懿热挤压溢篷为6 7 3 k ，挤压跑 1 0 ：l ，挤压后变为由1 2 棒。 怼予在按压瓣奉经密实戆试撵，提裹接愿跑茏为重鬟，嚣要攒窭豹是，增丈按 压比也需适度，由于复合材料变形抗力较大，挤压比太大，可能会使材料的缺陷增 加，甚歪会损坏模具，使挤压过程难以进行，如何减少复合材料变形抗力对挤压过 程静不楚影响，尽可能提离挤压篦穗将是提离材料侄麓瓣途径之一。 二次加工可以改善普灏加热炉烧结制备的a 1 s i c p 复合材料的组织不均匀，使其 基薅翕粒缨纯，s i c p 分毒甥匀，建挺麓复合毒毒瓣甥蛙窝戆塑性提供良好豹终织准备， 为常规设备和简单工艺制铸a 1 s i c p 笈合材料成为可能，有利于实现工业化擞产；第 二，二次加工可以焊合复食糖料的内部孔洞、裂纹等缺陷，提高毒考料豹致密度，同 时经粉笨冶金焉进行二次麓工变形工芝可获褥麓体晶粒受为细佬，s i c p 分布均匀静 复合材料【1 0 】。 逶避二次攘王，a l 罐、a l 善e 、a l - s i e p 复会榜料致密度、撬交澎能力掇嵩，因 此改善材料的机械性能。 江苏大学硕士学位论丈 _ - - - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ 一 2 3 实验方法 2 3 1 显微硬度测试 显微硬度的测试在国产h v - l o o o 型显微硬度计上进行的，载荷为1 9 6 n ，加载 时间为2 0 s e c ，测量前试样表面用1 0 0 0 号砂纸仔细磨光，并用抛光仪抛光三次，每 种试样硬度测量次数不少于3 次，测量误差 熬着f e 含鬃增热，越- f e 复会搴考辩魏豫率增裹，摭短强度先秘蜃降， 搴长 率下降，硬度和耐磨性增高，对偶件的减摩性能下降。 ( 3 ) a l - 1 0 f e 和a l - 2 0 f e 的耐磨性能分别是q s n 6 5 o 4 的1 3 。2 倍和2 3 o 倍a 1 f e 整合乖| 籽蘑损表面至a 基俸+ f e 颗粒+ 税豫的耐蘑组织。 2 1 江苏大学硕出学位论文 第s 章a o s i e p 滋微米) 复合材料的组织及性能特征 矗l s i e p ( 驻擞米) 复合越料憋熄研究缀递不多，零牵戳s i e p ( 1 3 0 嬲) 为第二穗， 采用粉末冶金方法制备出a 卜s i c p ( 1 3 0 咖) 复合材料，研究a 卜s i c p ( 1 3 0 n m ) 复合材料的 孔隙率、抗控强度、伸长率和耐磨行为，并与同种制备方法隶4 各的a l 材料逑行对比。 5 1 f - s i c p ( 1 3 0 n m ) 的显微组织及数密性 第二摆分毒筠匀。凌霹复合楗瓣瞧韪兵蠢曩著影瞧。窝5 。l 为a 1 s i c p 复合接秘瓣 显微组织，可以看出亚微米s i c p 均匀分布程a 1 的晶界上，所研制的 a 】- 1 5 s i c p ( 1 3 0 r n ) 、a 1 5 s i c p ( 1 3 0 凇) 复含材料组织均匀，但存在麓孔隙； a 卜1 5 s i c p ( 1 3 0 n m ) 、a 卜5 s i e p ( 1 3 0 n m ) 存在一些小酌囱色亮点，经e d a x 分析确定 为a 1 4 c 3 。同时发现( b ) 图中存在小部分空洞，由图比较可知致密性较( a ) 差。 ( a ) a 卜i 5 s i c p ( b ) a l 一5 s i e p 阌5 1 为a l s i c p ( 1 3 0 n m ) 复合材料的显微组织 采嗣浸液撼隶法测定粉末冶念囊冬兹a l s i e p ( 1 3 0 n 砖复会毒葶凝及矗l 瓣密菠。表 5 1 为a 卜s i c p ( 1 3 0 n m ) 复合材料及a l 材料的密度、致密度及孔隙率。 表5 1 三种材料的致密性能 觚土表5 1 可馥看滋，夔着s i e p 含量瓣增热，其孔豫率增加，整髂上来说掰麓 备的材料，其致密度都较高，因此可以通过“冷压烧结+ 热挤压”的粉末冶金法可 刽备黩致密性好、性能鼹好熬a l s i e p ( 1 3 0 n 园复合楗糖及纯a l 挂辩。 江苏大学硕士学位论文 5 2a 卜s l c p ( 1 3 0 雨的显微硬度 在s i c p ( 1 3 0 m ) 含量为1 5 5 v o l 时，a l - s i c p ( 1 3 0 衄1 ) 复合材料显微硬度为 2 8 4 3 3 3 h v 。随着s i c p 含量的增加，其显微硬度值也增加。 5 3 l s i c p ( 1 3 0 r i l l ) 的压缩性台e 从图5 2 ( a ) ( c ) 的力一变形的曲线图可知，舢- s i c p ( 1 3 0 n m ) 复合材料及纯a 1 材 ： ： ： b 一 i | j ! p t ， 1 ”“” 。”“” 8 0 ” ( a )a l - 1 5 s i c p ( 1 3 0 n m )( b )a l 一5 s i c p ( 1 3 0 n m ) h 】 捌t _ f x l 扛。 |。 x 刁。 名t 一 。枷 “狮”i 0 ” ( c ) 纯a l 材料 a l - 5 s i c p ( 1 3 0 衄) 压缩试验曲线图 江苏大学顽奎学位论文 料具有较好的压缩强度和塑性，受压时变形大丽不破裂，越压越扁。只娩测得屈服 强波o 。，不荔得到极融裁荷如，进两得不翔抗压强旋缀辗ob 。 5 。4a i - s i c p ( 1 3 0 神的拉伸性熊及断日特征 5 4 1a 卜s i c p ( 1 3 0 n m ) 的拉伸性能 菝拉强度跫控 枣试骏薅，试撵拉叛过程中最大实验力所瓣藏魏应力，英僮等予 最大拉力f b 除以试样的原始横截颐积a o 。 表5 2a l s i c p ( 1 3 0 滩1 ) 、a l 薅辩懿塞潺拉律羧姥 麸表5 2 为三耪零季精室溆黩 枣程魏，其拉律赭线觅豳5 3 。胃苏看出， a l - s i c p ( 1 3 0 n m ) 复合材料的抗拉强度及伸长率都是随s i c p 体积禽量的增黼而下降， 屣鼹强度。撬挝强度。b 均，l 、予a l 楗辩，瑟 孛长率蹇予a l 誊砉瓣。 ( a ) a l 1 5 s i c p ( 1 3 0 n m ) 自)蝴_ # l i 厂j 产 4 “ “” 5 “# 护 ( b ) a 1 5 s i c p ( 1 3 0 n m ) 江苏大学硕士学位论文 j 。r f j f ( c ) 纯a i 材料 图5 3a i - s i c p ( 1 3 0 n m ) 、纯a l 材料拉伸试验曲线图 5 4 2 a 卜s i c p ( 1 3 0 m n ) 的断口特征 图5 4 为a l s i c p ( 1 3 0 姗) 复合材料拉伸断口形貌，可以看出：a l s i c p ( 1 3 0 n m ) 复合材料断面上分布有大量的韧窝和亚微米s i c p ，s i c p ( 1 3 0 n m ) 含量少时，如图5 4 ( a ) 所示，韧窝存在于基体上，在撕裂棱上分布着轮廓较清晰、尺寸较小的小韧窝， 大小一般在1 左右：而s i c p ( 1 3 0 m n ) 含量较高时，如图5 4 ( b ) 所示，断面上有 大量的较大韧窝，在大韧窝里有s i c p ( 1 3 0 n n l ) 的团聚现象，可得出复合材料的断裂方 式是以界面处的基体合金撕裂为主要方式( 见图的箭头处) 。 ( a ) a l - 1 5 s i c p ( b ) a l - 5 s i c p 图5 4 a l s i c p ( 1 3 0 n m ) 复合材料的拉伸断口 江苏大学硕士学位论文 小尺寸的s i c p 容易和基体合金一起发生塑性流动，且由于尺寸小，内部缺陷较 少，因此解理倾向_ 、，在界面结合良好的前提下，裂纹扩展始终在基体合金内进行， 直至试样最终断裂。 为便于比较，本章还研究了相应纯a l 合金的断口，见图5 5 ，从图中可看出， 其断口韧窝的大小比较均匀且尺寸较大，有些韧窝内虽然有少许小杂质存在，但基 本上韧窝内无杂质，显然为典型的韧性断裂，说明铝基体以撕裂型破坏为主( 见图 中箭头处) ；撕裂的铝基体分布很多细小韧窝，此铝基体在微观上具有塑性变形的特 征。 图5 5 纯a i 拉伸断口特征 5 5 a i _ s i c p ( 1 3 0 m ) 的摩擦磨损性能 5 5 1a 卜s i c p ( 1 3 0 衄) 的磨损性能分析 图5 6 为a l s i c p ( 1 3 0 n m ) 与纯a l 的磨损量随载荷的变化。可以看出a 1 一s i c p ( 亚 微米) 复合材料的摩擦磨损性能与纯a l 相比，其耐磨性能好。 n e 芒 日咖 鞲 雠 载荷，n 图5 6 a l - s i c p ( 1 3 0 n m ) 与纯a l 的磨损量随载荷的变化 2 6 江苏大学疆士学醢论文 从阉5 6 可以看出： a 1 s i e p f l 3 0 n m ) 复合秘辩静辩瘗蝗戆毙缝a l 努，在 蓑载凝下， a i 1 5 8 i c p ( 1 3 0 n m ) 、a l 一5 s i c p ( 1 3 0 r 脱) 、纯a l 材料耐磨性能差别较小，但随着载荷 的增大其耐磨性髓的差距就越大。 a 1 1 5 s i c “1 3 0 n m ) 复合材料耐磨性能，在1 5 0 n 载荷下为纯a l 的o 7 8 倍，而在 3 0 0 n 的载荷下为纯a l 的1 0 9 倍，在6 0 0 n 的载荷下为纯a l 的1 1 0 倍。a l - 5 s i c p ( 1 3 0 衄) 复合耱褥辩密糕鼹，在l s g n 赘载旃下必缝a l 翡0 。9 2 镶，在3 g 徐；翡载蓠下为缝a l 的1 4 7 倍，在6 0 0 n 的载荷下为纯a 1 的3 6 6 倍。 从上嚣数据霹作如下分辑： a l ，s i c p ( 1 3 0 n m ) 复合材料，随着s i c p 体积含量增加，在同种状态下，其磨损量 减少，s i c p 较小时( 1 3 0 n m 左右) ，s i c p 作用对耐磨性能的影响作用较小。有两个 原因：第一，对予粒度小予蘑蟊粒穗度静微纲s i c p ，在薅损对将会随瘗震一起磨簿 而失去良好的增强作用，因而增强体过小，并不能完全防止磨面组织发生塑性变形， 其增强效果较大尺寸熬颗粒差。第二，s i e 瑟尺寸较枣，不是班缦好她支承对偶咎， 不能形成储存润滑油、保持连续油膜所需的空间，所以其耐磨性相对于大颗粒而言 较差。 试验结采说瞬在相同耪采冶金工艺条箨下，存在着增强体颥敉帮基俸狯寒尺寸 的最佳配比关系，使增强体分布均匀从而提高复合材料的耐磨性能【1 8 。但限于本论 文实验绣铡蚕魏试撵有限，这一点还爨更竣爱受多实验寒述一步 垂骥。 5 5 2 a 卜s i c p ( 1 3 0 n ) 的磨损表面分析 麸实验瘗痰络果霹躲遂：a l 5 s i e 必1 3 0 黻1 ) 复金耱誊萼、a l - 1 5 s i e p ( 1 3 0 蕊磅复合穆 料和纯a 1 三种复合材料的磨痕很多，随着载荷的增大而增大；其磨痕的大小排序为： 纯a l a l 1 5 s i c p ( 1 3 0 n m ) 复合材料 a l 一5 s i c p ( 1 3 0 n m ) 复合材料，说鳃a l 一5 s i c p ( 1 3 0 衄) 复合丰才辩既a 1 1 。5 s i e p ( 1 3 0 n m ) 复合裾料和纯a l 兵有更好的摩擦磨损性能。 袭5 3 为a l - s i c p ( 1 3 0 r 黼) 复合材料、纯a l 摩擦磨损裘面e d a x 分析后备元素的 藤量交弦；图5 7 必a l s i c 痰1 3 0 麟) 复合薅瓣及纯a l 不麓载芬下翡摩擦露镄表嚣 e d a x 分析图。 江苏大学硕毒学位论文 表s 3a 1 s i c p ( 1 3 0 n m ) 复合材料、纯a l 摩擦蹬损表面e n a x 分析结襞 a ls isc rf e m o 矿c 搿f c 菇缈潜r 篷f 搿搿 1 5 0 k9 5 鼹2 弱 一一 1 8 4 3 0 0 n9 5 9 22 7 2 一 1 3 5 8 0 0 n9 5 。8 l2 。4 2 一一 1 7 8 一 蕊赢菇苟妊搽齑赢罱篙弑丽蜀鬲嚣栉丽鬲鬲赢r 丽萄赢蒜褥丽而蜀菡福蕊丽蜀；= = ；嚣布丽雨菇_ ( a ) a b l 5 s i c p ( 1 3 0 黼蝰( 1 s 雠) o 甜由归l x ，刘目皓删庸轴札蛳州h 月n 州纠 - ”、 h 女 瞳秘 q 粤 ( 秘a l 1 5 s i c 联1 3 0 n m ) ( 6 0 粼) o 帅妇h 翻a 麟 猢劓嘴卸鼻 l 黼y l | 蛳i 删n t 口m 2 一 一 ，哪# 警 p ( c )a l - 5 s i c p ( 1 3 0 n m ) ( 1 5 0 n ) ( d ) a i - 5 s i c p ( 1 3 0 n m ) ( 6 0 0 n ) 江苏大学硕士学位论文 i x 雠n x 弛唧甜s r 州j i x u v 啪轴咖- 2 - ”- 1 ，啊1 n i _ 哦m 韵挂酷t 瑚j 蜘v i 蛳u 跏翔口啪川1 ，棚3 “卅 工工j掣p 墅d ( e ) 纯a l ( 1 5 0 n ) ( f ) 纯a l ( 6 0 0 n ) 图5 7 a l s i c p ( 1 3 0 n m ) 复合材料及纯a i 不同载荷下的摩擦磨损表面e d a x 分析 图5 7 为a l - 1 5 s i c p ( 1 3 0 n m ) 、a l - 5 s i c p ( 1 3 0 1 1 i n ) 复合材料和纯a l 摩擦磨损表面 e d a x 分析结果。可以看出：a l - 1 5 s i c p ( 1 3 0 n m ) 、a 1 5 s i c p ( 1 3 0 r 1 1 1 1 ) 复合材料成分变 化不大。主要原因是由于s i c p 的尺寸相对基体来说太小，不足以对4 0 c r 钢对偶件 的毒面产生切削，在磨损表面不能形成一层坚实的富铁层【19 1 ，从而不能阻止粘着磨 损的产生。 5 5 3 a 1 - s i c p ( 1 3 0 l 岫的磨损机理分析 1 3 0 n m 的a l 基复合材料耐磨性相对较差原因是s i c p 尺寸较小，不能支承对偶件， 磨面上基体与对偶件直接接触的面积增大；同时，s i c p 脱落后的孔洞不足己形成储 存润滑油、保持连续油膜所需的空间，所以发生粘着磨损的概率较大。 两个物体表面发生粘着，首先和它们形成固溶体的特性有关，由互溶性大的材 料组成的摩擦副，粘着倾向大，结合点比较牢固；反之则粘着倾向小，结合点易于 被切开。一般来说，同一金属或晶格类型、晶格间距、电化学性质相近的金属，互 溶性大，容易发生粘着，a 1 与f e 是互溶“。所以发生粘着磨损的倾向大。又由于 s i c p ( 1 3 0 n m ) ，与铝基体的尺寸( 2 0 0 目) 相比较小，s i c p ( 1 3 0 n m ) 在基体上所起到的耐 磨性能的强化作用不太明显，所以a 卜s i c p ( 1 3 0 n m ) 的磨损机制主要以粘着磨损为主。 图5 8 是不同载荷下，a 卜s i c p ( 1 3 0 n m ) 复合材料的磨损s e m 形貌，( a ) 中可看出 擦伤表面的有明显的粘着撕裂特征，( b ) 中的粘着撕裂比( a ) 显著减少。可见，随 着s i c p ( 1 3 0 n m ) 含量的增加，由于其对基体的强化作用，粘着磨损倾向减弱，耐磨性 提高。 江苏大学硕士学位论文 ( c ) a 1 1 5 s i c d ( 3 0 0 n ) r m a l - 5 s i c d ( 3 0 0 n ) ( e ) a l 1 5 s i c p ( 6 0 0 n )( f ) a i - 5 s i c p ( 6 0 0 n ) 图5 8a l s i c p ( 1 3 0 n m ) 复合材料的磨损s e m 形貌 随外加载荷增大，磨面受力增大，基体塑性变形增加，粘着磨损撕裂痕迹和磨粒 磨损的犁削沟槽更加明显。从磨面形貌分析可知，具有明显犁沟特征的磨粒磨损，而 且整个磨面散布一定的鳞片状碎屑，这是典型的“疲劳磨损+ 粘着磨损”的层离剥落 磨损机制o “。此犁沟是摩擦过程中产生的磨屑夹在摩擦副接触表面之间，形成三体磨 损，犁削a 卜s i c p ( 1 3 0 n m ) 复合材料的表面而形成的。当犁沟的深度大于或等于颗粒尺 寸时，s i c p 容易在摩擦过程中从a 1 一s i c p ( 1 3 0 n m ) 复合材料中掀起，形成磨屑。 粘着磨损一般当压力增大到某一数值时则会急剧增大，当压力超过屈服强度a 。 时，磨损急剧增大，严重时发生咬死。在高载荷下，a 卜s i c p ( 1 3 0 n m ) 复合材料发生 3 0 江苏大学硕士学位论文 粘着磨损，此时的磨损情况为：在法向载荷作用下，当平均压力小于屈服强度。时， 只有个别的微凸体相互作用，并发生塑性变形，这时实际接触面积与载荷成正比， 即载荷增大时，实际接触面积增大，而接触点的压强并不增大；当平均压力大于屈 服强度o ；时，整个面积发生塑性变形，接触面上的润滑油膜、氧化膜等被挤破，使 裸露材料的新鲜表面直接接触，发生溶合粘着( 冷焊) ，或因表面摩擦生热温度升高 使相接触的材料直接焊合，在随后的滑动中，刚形成的粘着点被剪断、拉开，并转 移到一方材料表面，然后脱落下来形成磨屑，之后又在其它地方的面上形成新的粘 着点，如此粘着一剪断一脱落一再粘着不断的循环。“。 本试验证明，在重载下，摩擦表面将发生大面积的焊合和咬死现象。 a 卜s i c p ( 1 3 0 n m ) 复合材料及纯a 1 都在1 2 0 0 n 的载荷下，就已发生焊合和咬死的现象， 试样严重磨损失效。 5 5 4 a 卜s i c p ( 1 3 0 衄) 的磨损亚表层分析 磨损表面下相当厚的一层金属，在磨损过程中会发生重要变化，这就成为判断 磨损发生过程的重要依据之一。 图5 9 为a 卜s i c p ( 1 3 0 n m ) 复合材料亚表层s e m 金相分析，亚表层无分层现象， ( a ) a 1 一1 5 s i c p( b ) a 1 5 s i c p 图5 9a 卜s i c p ( 1 3 0 n m ) 复合材料的亚表层金相分析及线扫描成分 江苏大学硕士学位论文 离表层2 um 左右，有一层白色区域，说明磨损表面的材料发生微变，进一步进行线 扫描成分分析，发现该区含有微量f e 元素，而且a l 一1 5 s i c p 的f e 含量明显多于 a 卜5 s i c p ，这进一步证明前者的粘着现象比后者严重的多。 从亚表层e d s 看出，a 卜5 s i c p 组织致密性不够好( 图b ) ，有气孔，且缺陷比 a 卜1 5 s i c p 多( 图a ) 。在亚表层中发现萌生的裂纹，萌生的裂纹平行于磨损表面扩 展，也有的裂纹与表面成一定的夹角扩展。裂纹的形成原因有二。其一可能由于疲 劳磨损引起的原生孔洞尖角扩展( 图b 中自箭头所示) ，其二可能萌生于粗大硬质点 与基体的界面( 图b 中黑箭头所示) ，经e d a x 分析还发现此硬质点为原位生成的a l ：o 。 或a l 。c 。a 卜1 5 s i c p ( 1 3 0 n m ) 复合材料的裂纹很小，并且随着s i c p 含量的增加，其 亚表层的裂纹越明显。裂纹与表面成一定的夹角扩展，达到表面时便呈小片剥落形 成点蚀坑。 5 6 本章小结 本章以亚微米级( 1 3 0 n m ) s i c p 和微米级( 1 0 0 2 0 0 目) a l 粉为原料，采用“冷 压烧结+ 热挤压”的粉末冶金法制备了组织致密、s i c p 分布均匀、性能良好的a 卜s i c p ( 亚微米) 复合材料，属典型的亚微米微米型复合材料：对于a 1 s i c p ( 亚微米) 复合 材料一系列性能的研究，可以得出如下结论： ( 1 ) 粉末冶金法可制备出组织致密的a 1 - s i c p ( 1 3 0 m n ) 复合材料，孔隙率随着 s i c 口含量的增高雨增加。 ( 2 ) a 1 s i c p ( 1 3 0 m ) 复合材料的压缩性能、拉伸性能随着s i c p 体积分数的增加， 其性能下降，当含量为1 5 5 v 0 1 时，其抗拉强度o 。值为1 7 0 ，1 5 6 m p a ，其伸长率为 3 3 4 一3 0 9 ，a i s i c p ( 1 3 0 r l n l ) 复合材料具有良好的塑性，满足冷轧等后续二次加工， 进一步加工可提高材料的强度要求。 ( 3 ) 从a l s i c p ( 1 3 0 衄) 复合材料拉伸断口形貌，可得出a 1 s i c p ( 1 3 0 n m ) 复合材 料的断裂方式是以a i s i c 界面处的基体合金撕裂为主要方式。 ( 4 ) a 1 s i c p ( 1 3 0 m ) 复合材料的断裂机制为a 1 s i c 的界面处的a l 基体撕裂形 成的空洞和裂纹为主。 ( 5 ) a l 1 5 s i c p ( 1 3 0 m ) 、a l 一5 s i c p ( 1 3 0 姗) 复合材料具有良好的耐磨性能，其耐 磨性能分别是纯a 1 的o 7 8 1 1 0 倍和o 9 2 3 6 6 倍，与纯a j 一样，对偶件的犁削都 很小；在低载荷下与纯a l 的耐磨性能相当，但随着载荷的增大，其耐磨性能比纯 a l 好。 ( 6 ) a 1 s i c p ( 1 3 0 n m ) 复合材料的磨损以粘着磨损为主，对偶件犁削较小，适合 应用于滑动轴承和涡轮。 江苏大学硕士学位论文 第6 章m s i c p 澉米) 复合材料的组织及性能特征 本章以s i c p ( 1 4um ) 为第二相，制备出a 卜s i c p ( 1 4um ) 复合材料，研究 a 卜s i c p