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1、本文采用“冷壓燒結(jié)+熱擠壓”的粉末冶金方法制備出Al/SiCp(130hm)、Al/SiCp(14μm)復(fù)合材料,研究其制備工藝、力學(xué)性能。采用LeicaMEF4M型光學(xué)顯微鏡,觀(guān)察增強(qiáng)相分布、組織致密性;采用配有ANI0000型X射線(xiàn)能譜儀的JXA-840A型掃描電鏡,觀(guān)察分析拉伸試樣斷口表面、摩擦磨損表面和摩擦磨損亞表層等;研究了SiCp/Al復(fù)合材料摩擦磨損性能特征、機(jī)理及SiCp尺寸、含量的影響規(guī)律;亞微米SiCp超微粒子的增強(qiáng)
2、效應(yīng)。
本文采用WYKONT1100型非接觸光學(xué)輪廓儀,觀(guān)察分析試樣磨損表面三維形貌,并采用德國(guó)生產(chǎn)的PerthometerS3P表面粗糙度儀測(cè)量試樣表面粗糙度,采集的數(shù)據(jù)作為分形研究的原始數(shù)據(jù)。在深入分析現(xiàn)有分形維數(shù)測(cè)定方法的基礎(chǔ)上,應(yīng)用W-M函數(shù)模型作為模擬磨損表面輪廓分形模型;用結(jié)構(gòu)函數(shù)法作為計(jì)算分形維數(shù)的方法,研究實(shí)測(cè)樣塊磨損表面輪廓的分形特征及分形維數(shù)D與傳統(tǒng)粗糙度參數(shù)的關(guān)系。
本研究選用SiCp大
3、小為14微米和130納米兩種,其含量選用1.5vol%和5vol%,以研究不同粒度范圍增強(qiáng)效應(yīng)(機(jī)理)及其對(duì)復(fù)合材料力學(xué)及摩擦學(xué)性能的影響,Al粉的粒度為100~200目(約75~150微米)。
SiCp/Al系復(fù)合材料性能測(cè)試表明,抗拉強(qiáng)度隨SiCp體積含量的增高而增加,伸長(zhǎng)率則隨SiCp體積含量和尺寸的增加而減小,SiCp/Al系復(fù)合材料均具有良好的塑性,亞微米SiCp/Al的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均優(yōu)于純Al和微
4、米SiCp/Al;在SiCp含量較少時(shí),隨SiCp尺寸增加,其抗壓強(qiáng)度增加;而SiCp體積含量較多時(shí),微米SiCp/Al復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度開(kāi)始下降,但亞微米SiCp/Al復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度仍在增加,由力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)亞微米SiCp具有明顯的超微粒子增強(qiáng)效應(yīng)。
從SiCp/Al復(fù)合材料拉伸斷口形貌,可得出斷口呈韌性特征,隨SiCp含量和尺寸的增加,其韌窩尺寸增大oSiCp/Al復(fù)合材料的斷裂機(jī)制既有以SiCp/Al交界面
5、的減聚力而萌生空洞,隨后空洞生長(zhǎng)、聚集而斷裂,形成韌窩,然后聯(lián)合而發(fā)展致基體合金撕裂為主要方式斷裂;也有因SiC顆粒的脆斷引起的應(yīng)力集中,產(chǎn)生空洞,隨后空洞生長(zhǎng)、聚集誘發(fā)裂紋而斷裂。且隨SiC顆粒尺寸的增加,第二種斷裂傾向增加。
摩擦學(xué)性能研究表明,在本研究的載荷范圍內(nèi),復(fù)合材料的磨損機(jī)制是粘著磨損、微切削和剝層的共同作用,SiCp對(duì)材料粘著磨損有一定的抑制作用;隨著SiCp粒度和含量的增大,粘著磨損減弱,SiCp/Al基
6、復(fù)合材料的耐磨性增加;5%volSiCp(130nm)/Al對(duì)對(duì)磨件的磨損量很小,同載荷下僅為SiCp(14μm)/Al復(fù)合材料的1/2~1/8,是中低載荷下較理想的耐磨材料;5vol%SiCp(14μm)/Al是較高載荷下較理想的耐磨材料。
無(wú)論純Al還是SiCp/Al復(fù)合材料,其摩擦表面都存在富Fe機(jī)械混合層,機(jī)械混合層對(duì)減少SiCp脫落和粘著現(xiàn)象是有利的,但層內(nèi)有分層現(xiàn)象,脆性大,易開(kāi)裂剝落。
在150
7、N載荷下,SiCp/Al與純Al五種材料的摩擦系數(shù)均隨時(shí)間的增加呈下降趨勢(shì),并趨于穩(wěn)定;純Al的起始摩擦系數(shù)和穩(wěn)定摩擦系數(shù)均最小,且其跑合期也最短;隨時(shí)間的增加,摩擦系數(shù)的穩(wěn)定值隨SiCp的含量和粒度的增加而增加,而且SiCp(14μm)/A1的摩擦系數(shù)均大于SiCp(130nm)/Al和純Al。SiCp/Al與純Al的磨損量隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加,12小時(shí)后,5%volSiCp(130nm)/Al和5%volSiCp(14μm)/Al的磨損
8、增幅明顯小于其他材料,達(dá)24小時(shí)時(shí),5%volSiCp(130nm)/Al的磨損量已小于1.5%volSiCp(14μm)/Al。可以推論,在較小載荷條件下,超微粒子對(duì)抗疲勞磨損有一定的增強(qiáng)效應(yīng),5%volSiCp(130nm)/Al的抗疲勞磨損性能有優(yōu)于1.5%volSiCp(14μm)/Al的趨勢(shì)。
分形研究表明,復(fù)合材料磨損表面具有分形特性,分形維數(shù)D越大,輪廓曲線(xiàn)越復(fù)雜,同時(shí)D與傳統(tǒng)的粗糙度評(píng)定參數(shù)輪廓算術(shù)平均偏差
9、、輪廓最大高度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,但線(xiàn)性關(guān)系不明顯,因此不能相互取代。
通過(guò)SiC/Al復(fù)合材料磨損表面形貌分形特性的試驗(yàn)結(jié)果分析可知:磨損表面輪廓具有統(tǒng)計(jì)自仿射分形特性,SiCp/Al復(fù)合材料表面輪廓分形維數(shù)與磨損量具有一定的關(guān)系,D在某一范圍內(nèi),磨損量隨分形維數(shù)的增大而增大。根據(jù)Al、SiCp(130nm)/Al、SiCp(14um)/Al復(fù)合材料的磨損表面SEM形貌,也可以得出復(fù)合材料的磨損表面SEM形貌越精細(xì),分形維
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