高矿化度水质下三氧化二铝颗粒增强铝锰合金复合材料的冲蚀腐蚀机制研究.doc

第一章 绪论1.1课题来源及研究意义随着科学技术不断发展，现代社会对材料综合性能的要求越来越高，尤其在航空航天、汽车工业、精密仪器等工业领域。在这种背景下，颗粒增强铝基复合材料以其具有高比强度、比刚度、低热膨胀系数、良好耐磨性能等优异性能受到各国科研机构及人们的广泛关注和研究。至今，在很多实际应用中，亦有不俗的表现，取得了良好的社会效益和经济效益。我们这里主要颗粒增强铝基复合材料在较高抗腐蚀性和耐磨性上的应用，主要表现在将铝基复合材料应用在输送管道和刹车轮、活塞等需要搞耐磨性的重要部件。同时随着国家的大兴节水灌溉工程，需要大量的配套设备，包括喷灌机具、管材、灌水器、过滤器和防渗塑膜等，但是由普通铸铁、铝合金、黄铜等传统材料制备出来的配套设备都存在没有很好的稳定摩擦性能，使用寿命都比较短等缺点，尤其是在我国条件恶劣的干旱地区使用时段时间内就要更换，大大地增加成本，对于发展一系列低成本、高性能、寿命长的新型材料是国家迫切的要求。本论文主要是结合国家自然基金项目“高矿化度水质下三氧化二铝颗粒增强铝锰合金复合材料的冲蚀腐蚀机制研究”，批准号：（50861008），通过对颗粒增强铝基复合材料的摩擦磨损性能进行了研究，初步分析了相关的实验现象，为进一步的研究工作奠定基础。本文通过研究铝锰合金以及以它为基体添加Al2O3作为增强体制备的颗粒增强铝基复合材料的摩擦磨损性能，了解材料的摩擦磨损行为以及磨损机制，分析影响材料摩擦磨损性能的主要因素，以期寻找提高材料摩擦磨损性能的途径，扩展材料的使用领域。目前颗粒增强铝基复合材料在军用和民用领域正在发挥着越来越重要的作用。对于航空航天、先进武器系统、医疗器械、汽车工业、电子工业、精密仪器以及和体育用品等方面，颗粒增强铝基复合材料亦有不俗的表现，取得了良好的社会效益和经济效益3。在我国干旱的地区使用大量的节水灌溉部件，每年因摩擦所造成的磨损很大，我们希望在不久的将来由颗粒增强铝基复合材料制成的节水灌溉部件。1.1铝锰合金应用及研究现状1.1.1铝锰合金性能及应用纯铝的力学性能不高，不适宜制作承受较大载荷的结构零件。为了提高铝的力学性能，在纯铝中加入某些合金元素制成铝合金，铝合金仍保持纯铝的密度小和抗腐蚀好的特点，而力学性能比纯铝高的多1。铝合金可以分为变形铝合金和铸造铝合金2。由于本文的需要，主要研究变形铝合金内容。目前主要的变形铝合金如表1.1所示，变形铝合金主要通过熔炼注成铸锭后，再经热挤压加工形成各种型材、棒材、管材和板材来使用。常用变形铝合金中合金元素含量比较低，这样合金中就不会有过多的脆性第二相，影响合金的冷热加工工艺性能3。表1.1 主要的变形铝合金的成分、特点及型号4变形铝合金不能热处理强化铝合金防锈铝Al-Mn抗蚀性、压力加工与焊接性能好、但强度较低3A21Al-Mg5A05可热处理强化铝合金硬铝Al-Cu-Mg力学性能高2A11、2A12超硬铝Al-Cu-Mg-Zn室温强度最高7A04、7A09锻铝Al-Mn-Si-Cu锻造性能好耐热性能好2A14、2A502A70、2A80Al-Cu-Mg-Fe-Ni在铝合金系列中，3XXX系Al合金也就是铝锰系合金，应用的比较广泛，锰是合金中唯一的主合金元素，常见的3XXX系Al合金的牌号和化学成分如表1.2所示4。表1.2常见Al-Mn合金的牌号和化学成分（质量分数%）牌号SiFeCuMnMgZn30030.60.70.050.201.01.50.130040.30.70.251.01.50.81.30.2530050.60.70.301.01.50.20.60.2531050.60.70.300.30.80.20.80.25图1.1 铝锰二元相图从Godeeke和Koster给出的铝锰二元相图6中可以看出：随着合金中锰含量的降低，合金熔点逐渐下降，基本下降到共晶温度6580C，由于我论文中只要研究的锰含量在1.0%左右的变形性铝锰合金，在这个Mn含量主要经历的是铝锰间共晶作用。在658.5共晶温度时，Mn在Al中的最大溶解度为1.82%，随着锰含量的增加，Al-Mn合金强度不断增加，同时Al-Mn合金是非时效硬化合金，即不可热处理强化7。虽然Al-Mn合金的强度是随着Mn含量的增加而提高，但是现代工业中用的Al-Mn合金只含有质量分数为1.0%1.6%的Mn，因为这时不但Al-Mn合金具有高强度，而且有良好的塑性和工艺性能；当Mn含量超过1.6%时，采用常用铸造方法制备的Al-Mn合金会形成粗大、硬脆的Al6Mn化合物,其力学性能和塑性急剧下降，严重得影响合金的机械性能和加工工艺性能8；当Mn含量过低则会明显降低制品的力学性能。有这一现象的主要原因是：锰元素能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，形成MnAl6化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻止作用，同时也起到细化再结晶晶粒。合金的再结晶温度随着Mn含量的增加相应地提高，由于铝锰合金具有很大的过冷能力，因此在快速冷却结晶时，产生很大的晶内偏析，Mn的浓度在枝晶的中心部位低，而在边缘部位高，当冷加工产品存在明显的Mn偏析时，在退火后易形成粗大晶粒9。总的来说，只要把锰的含量控制在1.0%1.6%范围里，这样锰元素的加入还可以提高铝合金的力学性能而又不会使铝合金的耐蚀、导电、导热性、加工性和抗腐蚀性等下降，所以Al-Mn合金也被广泛地应用于包装材料、热交换材料、感光材料、装饰材料、焊接材料等各个方面3。1.1.2 铝锰合金的研究进展由于铝锰系合金特点，生产和生活中应用很广。近些年来，随着进一步的研究，铝锰合金的性能得到进一步的提高，同时开发利用取得了深层次的、多方面的发展。主要的研究方面：（1）铝锰合金中其它元素的影响10Fe：Fe能溶解于MnAl6中形成（FeMn）Al6化合物，从而降低Mn在Al中溶解度。在合金中加入0.4%-0.7%Fe，但Fe+Mn要保证不大于1.85%，可以有效地细化板材退火的晶粒，否则，形成大量的粗大片状（FeMn）Al6化合物，会显著降低合金的力学性能和工艺性能。Si：Si是有害杂质，Si与Mn形成复杂三元相三元相T(Al12Mn3Si2),该相也能溶解Fe，形成（Al、Fe、Mn、Si）四元相。若合金中Fe和Si同时存在,则先形成骨骼状相(Al12Mn3Si2)或针状相(Al9Fe2Si2),破坏了铁的有利影响。故合金中的Si应控制在0.6%以下11。Cu：合金中含有0.05%-0.5%Cu，可以显著提高其抗拉强度，但含量少量的Cu（0.1%），便能使合金的耐蚀性能降低，故合金中Cu含量应控制在0.2%以下。Mg：少量的Mg（=0.3%）能显著地细化铝锰合金退火后的晶粒，并稍许提高其抗拉强度。但同时也损害了退火材料的表面光泽。稀土元素：稀土元素直接影响着合金再结晶过程，由于稀土元素占据合金点阵中锰元素的位置，使得更多锰以化合物形式析出，(FeMn)Al6相增多，锰在合金中的固溶含量相对降低,使合金再结晶温度降低，同时加速了再结晶过程，使合金再结晶过程提前3。（2） 晶粒细化晶粒细化是对材料的综合性能提高有积极的作用，为了改善和提高铝锰合金的性能,开发了多种晶粒细化的方法。至今，主要的晶粒细化方法有：外来形核质点法(如添加Al-Ti-B、Al-Ti、Al-RE、Al-B等)；内生形核法(如快速凝固法、电磁作用、超声波振动、径转角挤压(ECAP)法等)12-13。一般加入到铝锰合金中细化剂主要是Al-Ti合金、Al-Ti-B合金等。铁、锰可使钛在铝中的溶解度减小,钛过量很容易对合金的性能造成不良影响,故一般钛的含量小于0.15%。加细化剂Al-Ti-B中间合金时,合金中的金属间粒子TiAl3、TiB2和(Al,Ti)B2起异质形核中心的作用,最终形成细小的等轴晶,这些粒子的大小及分布对合金的细化能力起着决定性的作用。在这一些方法中，对于铝合金,等径转角挤压(ECAP)法是优于其他方法。其原理是利用两个相交的等径通道组成的挤压模具，使金属获得最大的塑性纯剪切应变。等径转角挤压法制备的铝锰合金随后经适当的热处理工艺处理后，就可以将铝锰合金的晶粒细化到0.1m以下,显著地提高铝锰合金的硬度及强度，并且细化晶粒保持较高的热稳定性，同时等径转角挤压方法可用于大规模的生产过程14。1.2颗粒增强铝基复合材料研究进展1.2.1颗粒增强铝基复合材料的发展及应用a.铝基复合材料的发展由两种或两种以上不同性质的单一材料,经一定的复合方法所得到多相材料称作复合材料15，而铝基复合材料主要是以铝合金为基体相中加入增强相。这样可以各相之间相互协同、取长补短，由高强度、高模量的强化相来提高铝合金的硬度，耐磨和耐高温等性能，同时保存原有铝合金的性能，综合性地提高材料的物理性能和力学性能。纵观铝基复合材料的发展，从增强相看，最先研究的是硬质颗粒（SiC颗粒、WC颗粒、A1203颗粒等），再次为晶须和纤维（C纤维、SiC晶须等）；从增强相加入的方式看，最先研究的是强制加入，到后来的原位生成，制造技术难度也越来越大，材料综合性能越优良16。b.颗粒增强铝基复合材料的应用 由于铝基复合材料具有良好的综合性能，在很多领域得到广泛应用，如在汽车工业、航空航天、电子等领域。由于理论和技术的日渐成熟，铝基复合材料产品在一些领域已经商业化或正在商业化开发。(1)在汽车工业中的应用：随着汽车工业的发展，对材料的性能的要求越来越高，具有良好的机械性能还保持材料轻量化的特点。由于铝合金是传统的轻质材料，相对应的铝基复合材料也保持轻质的特点，同时还具有需要良好发热耐磨、抗腐蚀、耐热和尺寸稳定性，所以现在的颗粒增强和短纤维增强的铝基复合材料被广泛得用于汽车工业。汽车工业的发展，对材料的要求，这就为铝基复合材料的发展提供了广阔的应用前景15。1983年日本丰田公司利用Al2O3Al复合材料制备了发动机活塞16，比传统铸铁发动机活塞重量减轻了5%-10%，热导性提高了4倍，开启了铝基复合材料进入汽车工业的大门，开始大力研究铝基复合材料的活塞、缸套、连杆和销钉等部件。利用SiCP/Al或SiC/Al复合材料成功地制造了上述的零件，其结果表明新型的铝基复合材料在耐磨性能、降噪性能、散热性能上均比原用材料有很大改善17-18。由于铝基复合材料像铝合金一样具有良好的耐腐蚀性，我国正利用铝基复合材料于摩托车刹车箍上,可以减少因腐蚀而减低刹车效率，同时取得了减轻重量的效果。(2)在航空航天及军工领域的应用：铝基复合材料不会出现高分子复合材料常见的老化现象和在高真空条件下释放小分子的特点，克服了树脂基复合材料在航宇领域中的使用时存在的缺点，成为各国高新技术研究开发的重要领域。6061Al合金/石墨纤维P100板材扩散连接而成的Gr/Al复合材料Hubble太空望远镜的高增益天线悬架。采用无压渗透法制备的碳化硅颗粒/铝基复合材料的热导率可高达180W/(m*K)，从而降低了电子模块的工作温度，减少了冷却的需要，所以被广泛的应用到欧洲“台风”战斗机、EA-6B“徘徊者”预警机、ALE-50型诱饵吊舱等航空器，以及摩托罗拉铱星、火星“探路者”和“卡西尼”深空探测器等航天器中。美国ARCO化学公司所属的先进复合材料分公司ACMC生产的30%-35%。SiC/2024A1复合材料，抗拉强度达800MPa，屈服强度达690MPa，弹性模量高于150GPa，都大大高于基体合金，且热膨胀系数很低，可用来代替Al合金、Ti合金等制造各种飞机结构件，如直升飞机起落架、翼前缘加强筋和大的通用J下弦形梁。(3)在电子器件、精密仪器和光学仪器中的应用：SiCAl基复合材料热膨胀系数和密度低，导热性能良好，因此己用来制造电子器材、散热片等电子器件。美国亚利桑那大学研制了一种超轻空间望远镜，采用SiCA1复合材料制造行架，支架、和副镜等，使重量大大减轻。此外，现己用复合材料制造出了惯性导航系统的精密零件、旋转扫描镜、红外观测镜、激光镜、激光陀螺仪、反射镜、镜子底座和光学仪器托架等精密仪器和光学仪器25。1.2.2颗粒增强铝基复合材料的制备工艺在上世纪60年代，自从铝基复合材料的出现，其制备工艺也不断得到改进，主要是为了使铝基复合材料中强化相更为均匀的分布于基体组织，从而得到更为优秀的力学性能和机械性能。到目前为止，已经有很多的工艺方法来制备铝基复合材料，相对的还比较完善。主要26有：液态法(搅拌铸造、挤压铸造等)、固态法(粉末冶金、机械合金化等)、双相(固/液)法(喷射共沉积、半固态搅拌铸造等)。具体的制备工艺方法如图1-2。图1-2 颗粒增强铝基复合材料的制备工艺分类本文仅对上述几种常见的铝基基复合材料（现今研究的较全面）的制备工艺方法及其特点进行评述。 （1）粉末冶金法：它是最早用来制备金属基复合材料的方法，该方法的原理是将经筛分、混合、冷压固结、除气的增强颗粒物与基体金属粉末充分混合后再经过烧结、热挤压或轧制变形制成零部件的方法27。从上世纪70年代，美国DWA复合材料专业公司就开始研究利用粉末冶金工艺生产SiCp增强铝基复合材料，现已达到商品化。在我国由马宗义、毕敬28等人初步的研究了粉末法制备工艺对SiCp/Al复合材料性能的影响，发现了采用封闭非真空热压制备材料可以提高其强度。一系列的制备工序（制粉、冷压固结、烧结）及比较严格的制备条件（温度、压力、真空环境）等的因数可以影响增强相在铝基的分布、结合能，进一步铝基复合材料的性能，同时受这些因数的限制，该方法也不宜制备过大或形状复杂的零件，制备周期长、成本偏高。（2）搅拌铸造法：它是近年来使用最为广泛的制备方法之一。还可以根据搅拌时基体金属的状态，可分为全液态搅拌铸造、半固态搅拌铸造和搅熔铸造29。其原理主要是通过一定速度的搅拌使颗粒增强相与基体金属液混合均匀, 然后浇铸成型，从而得到高综合性能的颗粒增强复合材料的一种制备工艺30。这种工艺具有工序较少，成本较低，对设备要求不高，而且一般增强颗粒物都能适应。丁文江31等人将SiC颗粒加入到铝液中在固液两相区内搅拌，制造成SiC颗粒增强A1基复合材料，测试结果表明，该复合材料具有良好铸造性能，高力学性能，优良耐磨性能等优点。研究表明32：搅拌过程中的温度、加入增强颗粒大小和数量、增强相与基体金属液湿润性问题都对复合材料的组织结构有很大的影响，使材料在制备的过程中很容易吸气而形成气孔等现象，严重的影响该方法制备的复合材料的性能。 (3)喷射沉积法：喷射沉积技术(VCM)33是一种崭新较为成熟的铝基复合材料制备工艺，最初是由20世纪70年代初Swansea大学Singer教授开发，由 Osprey Metals公司投入生产应用34。该工艺就是将液体基体金属在高压惰性气体喷射气流作用下雾化成微细颗粒，并与增强体粉末进行混合，使二者共同快速凝固沉积获得复合材料的一种工艺35。由于具有极高的冷却速度，很大程度上可以避免了增强颗粒与基体金属的界面反应和宏观偏析现象，使材料具有细小的等轴晶组织和优良的综合性能。 (4)原位复合法：它是由高温自蔓延技术不断的发展而演变过来的，原位复合法的工艺原理是：增强相是由事先加入的相应元素或组织与元素间发生反应生成的，且均匀分布于基体中，从而制备出相应的复合材料的一种工艺36。由于强化相是基体内部生成，两者之间界面无污染，原位匹配比较理想，能够争强两相的结合能力，是材料具有良好的热力学性能37。这种工艺的优点在于简化了生产工艺，降低成本、污染小、增强相与基体有很好的结合性。但是该工艺要求加入强化相的反应元素量要精确，需要严格工艺要求使反应生成强化相，这一工艺过程掌握难度大38。表1.3 几种金属基复合材料制备方法的优点和缺点方法优点缺点粉末冶金法基体上不存在界面反应，质量稳定，增强体体积分数（Vf）可较高可选用细小颗粒增强体，增强体分布均匀，可实现近似无余量成型；工艺程序多，制备周期长，成本高，降低成本的可能性小搅拌铸造法工艺简单，设备投资少，生产成本低，可规模化生产；Vf有限（一般不超过20%），颗粒一般不可能小于10um，有界面反应的可能性，增强体分布难以达到均匀化，有气孔，只能制成铸锭，因此需要二次加工；喷射沉积法成型速度快，工艺周期短工艺设备复杂、原材料损失大、成本高，需要后续的加工原位复合法成本反应较低，增强体分布均匀，基体上无界面反应，可以使用传统的金属熔融铸造设备，工艺周期较短；工艺过程要求严格，较难把握，增强相的成分和体积分数不易控制；1.3.1颗粒增强铝基复合材料摩擦磨损机制的研究现状据研究39，材料的磨损、腐蚀和断裂三种主要形式导致了材料失效，其中摩擦磨损主要是由于相互接触的材料在接触面上发生阻碍相对运动，导致表面材料的逐渐消失或转移，所以摩擦磨损就成为在相对运动的机械装置内材料失效的主要原因，各种形式的磨损能引起约7080的设备损坏及3050的能源消耗。随着20世纪60年代科技的发展，铝基复合材料开始被研究，发现了它具有高耐热性、耐磨损性和抗老化性等优异特点，随着复合方法的优化和原理的研究，铝基复合材料在摩擦学领域方面所表现出的优异性能越来越受到人们的重视，人们在试图利用对各种铝合金材料与各种增强相进行复合化以改善其摩擦磨损性能的过程中取得可喜的进展40。因此，利用铝基复合材料具有优异的耐磨性能代替传统材料可以有效得阻止及减缓摩擦磨损造成危害。对于铝基复合材料，Si02、A1203、纤维、晶须等增强的铝基复合材料由于其优异的耐磨性能、高强度和低密度被普遍应用于刹车盘、活塞等：如美国Duralcan公司已用SiCp/Al复合材料成功地制造了汽车制动盘、汽车发动机活塞和齿轮箱等汽车零件41；在1982年，丰田公司成功地在活塞的上部第一环槽连带顶部边缘局部应用MMC，采用高压铸造法使Al液渗入到装有A1203-SiO2短纤维的预制件环块的行腔中制成纤维体积含量为3.5%8.0%的MMC，由于良好的耐磨性能，使活塞的使用寿命大大提高42。卢德宏,金燕萍等人采用压力浸渍法制备了20%SiC和12%Gr混杂增强A356基复合材料，在与45钢对摩擦条件下，该种复合材料显现了优异的耐磨性,分别是铝硅合金基体的6-8倍和铸铁的1-3倍；对配偶钢的磨损轻微，分别是是铝硅合金基体的1/3-1/39和铸铁的1/2-1/543。随着对金属基复合材料优异的耐磨性能的研究，许多学者试图确定、控制复合材料摩擦学性能的决定性现象，并着手系统化金属基复合材料的摩擦学信息，在此基础上产生许多关于复合材料摩擦、磨损及润滑的重要理论。1.4本文研究目的与主要内容本文所研究的主要是结合国家自然基金项目“高矿化度水质下三氧化二铝颗粒增强铝锰合金复合材料的冲蚀腐蚀机制研究”，50861008，开展对Al2O3颗粒增强铝锰基复合材料在正载荷、磨摩擦时间/距离和干湿环境等影响因素下的滑动摩擦磨损性能的研究。并通过相应的滑动摩擦磨损率和摩擦系数的变化曲线，进一步分析Al2O3颗粒对铝锰合金复合材料的摩擦磨损性能的影响，以其找到提高铝基复合材料滑动摩擦磨损性能的实际可行的方法，为进一步深入的研究工作奠定基础。本文研究的主要内容有：（1） 采用搅拌铸造工艺制备出含锰量为1%左右的铝锰合金和Al2O3颗粒增强铝锰基复合材料，通过相关设备仪器准确地测试出材料的最终组织成分、结构及硬度、冲击韧性等机械性能，并进行两材料间的对比研究。（2） 通过摩擦磨损试验机分别对“A00”铝试样、Al-0.9%Mn合金试样和Al2O3颗粒增强Al-0.97%Mn基复合材料试样进行在正载荷、摩擦环境等变化因素下进行滑动摩擦磨损试验，并通过得到大量磨损率和摩擦系数的试验数据，再根据数据的变化曲线、三种试样数据的对比图和试样摩擦磨损形貌电镜照片，研究载荷、摩擦环境等外部因数和Al2O3颗粒的内部因数分别对增强Al-0.97%Mn基复合材料的滑动摩擦性能的影响和摩擦磨损机制的影响。第二章 试验理论基础2.1 金属材料滑动摩擦原理模型图1.3 两金属材料接触并摩擦的原理模型图1.3上面为两金属材料接触前的微观截面放大图形，由图中我们可以看出两金属材料的表面都不光滑，都是由具有一定的凸蜂与凹谷相互组成。从图1.3下面可以看出，随着相互间的载荷作用下相互的接触，实际两金属材料间不是全部的接触，只有少数的凸峰与另一表面相互接触，所以两材料表面的粗糙度、材料性能、负荷大小以及是否洁净等因素直接影响着表面接触点数，影响着材料的摩擦磨损。当两材料相对的运动时，主要是接触点发生相互的摩擦，凸峰慢慢的被磨平，产生的颗粒部分留在摩擦表面中继续摩擦，进一步破坏材料表面，导致材料失效。2.2 铝基复合材料摩擦磨损的影响因素滑动摩擦磨损是一种材料滑动过程中的磨损形式，不属于材料固有特性。在不同的滑动条件和摩擦环境下，材料的摩擦磨损性能也不经相同，说明材料摩擦磨损性能是与整个系统相关的特性，很多的因素相互的作用44。总的来说，影响磨损过程的因素主要包括外部因素(如载荷、速度、环境因素等)和内部因素(如基体组织、增强相性质等)，同时对于MMCs本身组织结构的复杂性，使得材料磨损性能在许多时候缺乏统一的认识，因此，需要更进一步的研究。这里主要介绍了在本实验中主要考虑的影响因素：正载荷、摩擦时间和干湿摩擦环境。2.2.1正载荷载荷因素对复合材料的摩擦磨损性能有很大的影响，随着载荷增加，材料间由摩擦而生热不能及时导出，使材料表面温度升高，软化基体，摩擦率增加，严重影响材料的摩擦磨损性能45。所以一般复合材料存在临界载荷，当超越一定的临界载荷时，复合材料的磨损机制就会发生改变，而引起材料磨损严重，磨损率急剧增加。Alpas通过对SiC20vol.%/A356和Al2O320vol.%/6061等复合材料体系的系统研究46，发现了载荷作用下复合材料的摩擦磨损呈现“三阶段”的规律：在较低正载荷下时，复合材料首先从磨损接触面积小，第二相颗粒承担主要载荷，保护了基体，磨损机制以显微切削为主，再到载荷产生正压力足以压碎第二相颗粒，使其失去作用，基体开始出现大的塑性变形，主要磨损机制为剥落磨损，最后在高载荷下，摩擦过程产生的热量大幅度增加，使得摩擦副的表面温度急剧升高，材料软化严重，磨损率急剧增加，主要磨损机制为粘着和剥层磨损。向对于复合材料的基体而言，复合材料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，提高了发生严重磨损的临界载荷。2.2.2摩擦磨损时间/距离随着摩擦磨损时间/距离推移，复合材料的摩擦磨损率越来越大，主要是由于材料摩擦表面连续摩擦，接触点慢慢的磨平且摩擦面增多，摩擦系数也随之变大，所以材料设备在长时间的运转下，零件难免由于摩擦磨损而失效。翟秋亚，徐锦锋47等人发现随着滑动距离增加，Al2O3纤维增强铝基复合材料摩擦表面相互作用，摩销前端变形量增大，出现形变坑，同时剥离出来的坚硬Al2O3磨粒并镶嵌于其中，很容易在摩擦表面产生犁沟，从而加速铝基复合材料的磨损。2.2.3干湿摩擦环境干湿摩擦环境因素对材料的摩擦磨损性能有很大的影响，磨损机制也会有不同的改变。如在水环境下，主要是在摩擦表面吸附着水起到一定的润滑作用以及水能冷却摩擦表面的温度，减少基体的软化，塑性变形也变少，同时水也有利于磨粒从摩擦表面间流出，减轻了材料的摩擦磨损48。贾均红49等人通过对Ni-SiC-石墨系复合材料在水环境中的摩擦学性能，发现复合材料在水环境中的摩擦系数比干摩擦降低了一半左右,磨损率仅为干摩擦下的1/15,磨损主要表现为机械微切削。2.3铝基复合材料摩擦磨损原理 材料间的摩擦必然会导致材料的磨损，并且磨损过程很复杂，不同的外界影响因素都可能出现不同的磨损机制，造成的破坏程度也不同。以基体材料磨损破坏的程度和过程等角度对磨损进行分类，把复合材料的磨损原理划分为：(1)粘着磨损，(2)磨粒磨损，(3)氧化磨损，(4)剥层磨损。 (1)粘着磨损粘着磨损50是铝基复合材料摩擦表面相对运动过程中，由于载荷作用下表面接触点会有塑性变形和摩擦产生瞬间高温，使两种材料产生粘着，造成一个表面材料逐渐分离出来并转移到另一个表面的现象。该磨损机制主要以涂抹、胶合等形式出现，以摩擦材料间大量的转移为特征，与载荷、摩擦速度和摩擦温度等因素有很大的关系。基于Archard和Rowe等人51-52对粘着磨损机制与相关因素的关系，最后提出一个比较完善的在材料粘着磨损下的体积磨损量公式： （2-1）式中：为与材料性质有关的系数；为常数；为摩擦系数；为与表面膜有关的系数； 为材料的屈服极限；为磨损系数。(2)磨粒磨损磨粒磨损52主要是由于摩擦界面间存在硬质的外界颗粒或铝基复合材料摩擦面上细微凸起物，起到了对铝基复合材料表面犁削作用和塑性挤压变形的磨损现象。在经历颗粒磨损后铝基复合材料摩擦表面主要是以显微切削和犁沟的形态存在。材料磨粒磨损在很大程度上取决于磨粒硬度Hm和铝基复合材料硬度Ha之比，再根据韧塑性铝基复合材料的磨粒磨损体积V与磨粒硬度的关系大致可分为三个区域53：低磨损区Hm>(1.2-1.3)Ha;过渡磨损区0.8Ha<Hm<1.2Ha;高磨损区Hm <0.8Ha。基于拉宾诺维奇和摩尔等人52对材料磨粒磨损进行一步一步地研究，最后提出了一个比较完善的磨粒磨损模型： （2-2）式中：为磨损粒子形成的总的几率；为是当磨损粒子形成时磨沟体积的比率；为磨粒的形状因子；为单位面积上的载荷；为材料表面的硬度。由上面公式中可知：磨粒磨损的体积磨损量不仅与正载荷成正比，而与材料摩擦表面的硬度成反比，还与磨粒的形状大小有关。(3)氧化磨损当在较低载荷和滑动速度条件下时，由于摩擦生热作用下，摩擦表面与周围氧化物反生氧化反应，造成对铝基复合材料的磨损就是氧化磨损机制54。该机制随着摩擦产生的颗粒使得磨损从二体磨损转向三体磨损。有研究发现55-56：在一定载荷、摩擦速度、摩擦温度等条件内，脱落的第二相硬质颗粒被氧化，并在磨面上可以能起到“滚珠”的作用，可以形成转移层，从而对材料的磨损起到一定的减磨作用。 (4)剥层磨损由N、P、Suh在1973首次提出的剥层磨损理论57，该磨损机制主要是通过铝基复合材料磨损面亚表层裂纹而产生的。在铝基复合材料磨损过程中，硬表面与软表面之间的反复载荷作用下，产生剪切变形，且不断积累，促进铝基复合材料表面大量的空位形核，空位合并，同时裂纹也从颗粒与基体的界面开始形核，而后裂纹慢慢长大，最后导致长而薄的磨损薄片脱落58。所以，铝基复合材料磨损下来的磨料一般呈现大片状磨屑，并有具有一定金属光泽。该磨损机制与载荷、摩擦速度等外界因素和增强相的含量、大小，界面间的结合能力等材料内部因素有关。有研究59得出简单的剥层磨损计算公式： （2-3）式中：为磨屑厚度；为剪切弹性模量；为材料波桑比；为表面摩擦应力；为柏氏矢量。 （2-4）式中：为材料磨损体积；为滑移距离；为临界滑移距离；为片状磨屑的面积。第三章 试验条件与试验方法2.1 试验材料本研究采用工业A00纯铝和金属锰粉作为基体材料，作为增强体材料的a-Al2O3颗粒，粒径范围:<0.053mm。还有作除气剂精炼剂的MnCl2和后续工作所需要的用作清洗液的酒精，去油污的丙酮，抛光剂Al2O3溶液，腐蚀剂4%HF溶液。以下是几种主要材料的具体成分：（1）A00铝成分表2.1 试验用A00铝的成分牌号化学成分(%,质量分数)Al Fe Si Cu Ca Mg 其它 杂质总和Al99.70 99.7 0.20 0.13 0.01 0.03 0.03 0.03 0.30（2）锰粉成分取出一些锰粉试样，通过OXFORD-2000型能谱分析仪得到图1和表2。图2.1 金属锰能谱面扫描图谱表2.2 按重量百分比显示的所有结果谱图在状态OSiMnSe总的谱图 1是4.320.1894.940.55100.00标准偏差0.000.000.000.00最大4.320.1894.940.55最小4.320.1894.940.55其中Se和Si为杂质，氧的存在是因为锰可与空气中的氧形成氧化物带入的，锰的含量为94.94%。（3）Al2O3颗粒成分 表2.3 Al2O3颗粒杂质成分 杂质水中溶解物硫酸盐氯化物铁（Pb）重金属碱金属（碱土）指标（%）0.5合格0.010.010.0050.52.2试验相关设备（1）箱式电阻炉型号：KSY1216，编号：85285，额定电压：380伏，频率：50赫兹，相数：3相，最大输出电流：30安培，最大控制功率：12千瓦，最高控制温度：1600摄氏度。（2）井式坩埚电阻炉型号：KSY-12-16,额定电压：380伏，频率：50赫兹，相数：3相，最大输出电流：30安培，最大控制功率：7.5千瓦，最高控制温度：900摄氏度。（3）XQF-2全自动金相图象分析仪额定电压：220伏，额定功率：30W，频率：50赫兹。（4）电镜、能谱分析仪型号：LED-1430VP型扫描电镜，OXFORD-2000型能谱分析仪，M18XHF22-SRA型X射线衍射仪。（5）硬度计型号：HR-150布洛维硬度计；HX-1000B视频显示维氏显微硬度计。（6）摩擦磨损试验机型号：M22000型，最大负载：2000牛顿，上试样轴转速：360.180转/分，摩擦力矩测量范围：015牛顿·米。（7）电光分析天平型号：TG328A(S),最大称量：200g,分度值：0.1mg。（8）冲击试验机型号：JB30A ， 规格：冲击能量30/15公斤米。（9）抛光机，读数显微镜，石墨坩埚，浇铸模具等其它常用工具。2.3颗粒增强铝锰基复合材料及其铝锰合金的试样制备首先按材料中锰含量为1%（质量分数）的比例来称量相应的材料，准备好所有材料，随后制备三种材料，即纯铝试样、铝锰合金试样和Al2O3颗粒增强铝锰基复合材料试样。本文中通过搅拌铸造法来制备复合材料。这种方法中，搅拌温度、搅拌时间直接影响着复合材料的气孔率，需提出有效的具体制备工艺流程；保护基体金属液的氧化、除气，加入除气剂精炼剂的MnCl2。材料试样的制备工艺流程见图2.2。图2.2 制备工艺流程图纯铝材料：将所需A00铝锭放入井式电阻炉熔化加热至860，扒渣降温后浇铸成形。铝锰合金：将所需的A00铝锭放入井式电阻炉熔化加热至860，扒渣后加入金属锰粉粒，用石墨棒连续搅拌10分钟，扒渣后加入质量百分含量为0.3%的除气剂六氯乙烷、精炼剂MnCl2粉末，搅拌、降温、浇注成形。颗粒增强铝锰复合材料：将所需的00Al铝锭放入井式电阻炉熔化加热至860，扒渣后加入金属锰碎片，用石墨棒连续搅拌10分钟，扒渣后加入Al2O3颗粒继续搅拌10分钟，加入质量百分含量为0.3%的除气剂MnCl2粉末，搅拌、降温、浇注成形。2.4试验方法试验中为了均匀材料的化学成分及组织，细化晶粒，消除内应力，从而获得近于平衡状态的组织，特采用300退火保温1小时，随炉冷却的热处理工艺。随后按照实验所需将三种材料切割成一定尺寸外形的小式样以备下一步试验。（1）试验中采用OXFORD-2000型能谱分析仪分析微区成分；LED-1430VP型扫描电镜(SEM)观察所获材料的组织。（2）硬度测试：试验中采用HR-150布洛维硬度计测试材料布氏硬度HBS，载荷为62.5kg,压头为直径5淬火钢球，保压30s。（3）冲击韧性测试：试验中采用JB30A冲击试验机测试材料的冲击韧性，产生的断口通过LED-1430VP型扫描电镜(SEM)观察获得断口形貌。（4）滑动磨损测试：将三种试样在切割机上加工成8mm8mm30mm试验件，在M2-2000型滑动磨损试验机上进行滑动磨损试验。摩擦副材料用45#钢，尺寸为40mm10mm，经油淬热处理，表面硬度为4852HRC。在相应的磨损条件下，经过42mim的磨损时间后在电光分析天平上测其磨损量。第四章 Al-0.97%Mn复合材料及其合金成分组织及机械性能3.1引言 在材料的研究试验中，对材料成分及组织结构的观察研究是必不可少的部分。由于材料成分和组织结构直接影响着材料的各种性能，同时材料性能的变化就有相应的组织成分的变化，从而可以得到相关的机理。在加入定量的元素材料下，材料制备工艺对于材料的组织结构及性能是主要的影响因数，对于复合材料而言，影响因数还有增强相与基体的润湿性和界面反应。本实验通过搅拌铸造法制备的Al-Mn合金和Al-Mn基复合材料。这种制备方法主要通过长时间的搅拌解决增强相与基体的界面问题，使增强相能过比较均匀的分布与基体中。Al2O3颗粒增强铝锰基复合材料是一种新型的复合材料，只有通过材料的组织成分观察研究，才能知道Al2O3增强颗粒的加入对基体合金的组织影响，为Al2O3颗粒增强铝锰基复合材料各性能的变化有相应的理论依据。对于这类材料其各项组织成分及机械性能的研究提供一些数据，并为对其实际应用有着重大的理论指导意义。3.2材料及其合金成分及显微组织3.2.1材料成分（1）Al-Mn合金成分由于制备过程中材料的损耗问题，最后材料的成分需要最后的测定。本文中利用能谱分析仪测定试验中所制备的Al-Mn合金，可以通过图3-1面扫描图谱图及表3-1，能知道合金中主要有Al 、Mn、O三种元素，并且他们的重量百分比分别为94.87%、0.90%、4.23%（取3个谱图的平均值）；0.90%Mn含量与设计的1%相差不大，本文就定义这种合金为Al-0.90%Mn（1#）。其中的氧为外来杂质，可能是在铸造或浇铸过程中铝的氧化和表面形成一些氧化物（主要）。由于其含量少量，因此不会对材料的性能产生显著的影响。图3-1 Al-Mn合金的面扫描图谱表3-1 按重量百分比显示的所有结果谱图在状态OMnAl总的谱图 1是4.180.8894.94100.00谱图 2是4.820.9094.28100.00谱图 3是