短纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的組織、性能和摩擦學(xué)行為研究.pdf

1、在汽車輕量化和鎂合金日趨廣泛的應(yīng)用背景之下，針對內(nèi)燃式發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件的服役要求，開展了缸套用鎂基復(fù)合材料的工藝開發(fā)、微結(jié)構(gòu)表征、力學(xué)和摩擦學(xué)行為的研究，并進(jìn)行了鎂合金單缸發(fā)動機(jī)缸體的小批量工業(yè)生產(chǎn)。具體的研究過程包括：以Mg-A1系壓鑄耐熱鎂合金和Mg-RE系耐熱鎂合金為基體合金，采用氧化鋁短纖維為增強(qiáng)相，通過擠壓鑄造工藝制備出短纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。對鎂基復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)表征和時效析出相進(jìn)行鑒定，探討鎂基復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制。研究不同預(yù)

2、制件中粘結(jié)劑材質(zhì)對復(fù)合材料微觀組織和性能的影響。研究鎂基復(fù)合材料在干滑動摩擦磨損和潤滑條件下的摩擦學(xué)行為，討論材料內(nèi)在特性和不同工況條件對鎂基復(fù)合材料磨損性能和磨損機(jī)理的影響。研究結(jié)果表明：
　　 通過優(yōu)化擠壓鑄造工藝，獲得的鎂基復(fù)合材料從宏觀組織中未發(fā)現(xiàn)預(yù)制件變形、開裂和成分偏析等缺陷，微觀組織上沒有發(fā)現(xiàn)纖維斷裂和劇烈的界面反應(yīng)現(xiàn)象。復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度相對基體合金有大幅提高，抗拉強(qiáng)度也有所提高。但復(fù)合材料的延伸率下降明顯，這也

3、是導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度的增幅低于屈服強(qiáng)度增幅的原因。鎂基復(fù)合材料的蠕變性能明顯高于基體合金，所制備的復(fù)合材料具有良好的高溫穩(wěn)定性。
　　 短纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的主要斷裂方式包括界面失效和纖維斷裂兩種。在原位拉伸掃描電鏡觀察中發(fā)現(xiàn)：裂紋起源于纖維與基體的界面，進(jìn)一步的裂紋擴(kuò)展主要取決于界面強(qiáng)度，弱界面強(qiáng)度主要為界面失效，強(qiáng)界面強(qiáng)度包括界面失效和纖維斷裂。氧化鋁粘結(jié)劑復(fù)合材料具有比氧化硅粘結(jié)劑復(fù)合材料更高的界面強(qiáng)度，因此其纖維與基體的界面

4、承載能力更強(qiáng)，更多的纖維在拉伸過程中發(fā)生了斷裂。
　　 AE44/Saffil復(fù)合材料的稀土合金化元素，例如Ce和La，主要呈顆粒狀和層片狀分別分布于界面附近和纖維之間的區(qū)域，經(jīng)元素分析和選區(qū)電子衍射分析分別為A12RE和AlnRE3相。含氧化硅粘結(jié)劑復(fù)合材料中的界面反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)鑒定為MgO，為纖維表面的氧化硅粘結(jié)劑與鎂熔體的反應(yīng)產(chǎn)物。含氧化鋁粘結(jié)劑復(fù)合材料中的界面反應(yīng)幾乎可以忽略不計(jì)。
　　 NZ30K/Saffil-1

5、復(fù)合材料在175℃，200℃，和225℃的時效溫度下，達(dá)到峰時效的時間均比基體合金在相同溫度下要提前，峰時效的硬度增量與基體合金的峰時效硬度增量相當(dāng)。T4熱處理（540℃固溶+水淬）對NZ30K/Saffil-1復(fù)合材料的強(qiáng)度和延伸率都沒有很大的改變，說明沒有發(fā)生明顯的界面反應(yīng)現(xiàn)象。而T6熱處理（540℃固溶+水淬+200℃×2h油浴處理）對復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度有明顯提升(129.88MPa到182.42MPa)，抗拉強(qiáng)度也高于基體合金(

6、212.77MPa到257.50MPa)。經(jīng)TEM和HRTEM觀察，發(fā)現(xiàn)峰時效的析出相為β”相，均勻地分布在基體之中，沒有沿纖維附近偏聚。過時效處理（540℃固溶+水淬+200℃×8h油浴處理）的增強(qiáng)相仍為β”相。
　　 纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的干滑動摩擦磨損量始終都低于其基體合金，且含垂直分布纖維復(fù)合材料的磨損量一直都低于含平行纖維的復(fù)合材料，含氧化硅粘結(jié)劑復(fù)合材料的磨損速率始終要高于含氧化鋁粘結(jié)劑復(fù)合材料。隨著干滑動距離的增加

7、，AE44基體合金及其復(fù)合材料的體積磨損量相應(yīng)增大，與之相對應(yīng)鋼球的磨損量也同時增加。載荷的增加使得基體合金及其復(fù)合材料的干滑動磨損速率都有所增加，同時對應(yīng)的鋼球的磨損速率相應(yīng)增加，鋼球表面的犁溝也加深。隨著干滑動速度的增加，AE44基體合金及其復(fù)合材料的磨損速率先降低后升高。基體合金存在臨界速度可能是因?yàn)橛杉庸び不礁邷剀浕倪^渡。復(fù)合材料在低速滑動摩擦范圍內(nèi)(5~10cm/s)的磨損速率隨著滑動速率增加而下降，主要原因可能是斷裂的纖

8、維成為磨粒減小了摩擦系數(shù)。當(dāng)滑動速度達(dá)到15cm/s左右時，滑動接觸表面所積累的熱量不能及時擴(kuò)散出去，造成磨痕附近的溫度急劇上升，導(dǎo)致復(fù)合材料磨損速率的增加。當(dāng)滑動速度達(dá)到20cm/s時，各復(fù)合材料的磨損速率趨于一致。環(huán)境溫度在100℃條件下，AE44/Saffil-1復(fù)合材料的磨痕中的犁溝寬度比室溫條件下更寬，犁溝邊部有唇邊現(xiàn)象，磨損機(jī)制為剝層磨損。當(dāng)溫度升高到200℃時，在磨痕表面發(fā)現(xiàn)了明顯的唇邊現(xiàn)象，犁溝寬度也進(jìn)一步增大，說明發(fā)生

9、了劇烈的剝層磨損現(xiàn)象。伴有劇烈塑性變形現(xiàn)象，說明還伴有粘著磨損和高溫軟化磨損機(jī)制。采用聚焦離子束截取磨痕截面的方法驗(yàn)證了AE44/Saffil-1復(fù)合材料的干滑動摩擦磨損機(jī)制：輕微磨損包括氧化磨損和兩種磨粒磨損機(jī)制，劇烈磨損包括磨粒磨損、剝層磨損、高溫軟化和粘著磨損。
　　 潤滑條件下，AE44/Saffil-1復(fù)合材料在垂直方向的超微磨損機(jī)制演變過程為：磨損初期為表層纖維的磨粒磨損和纖維邊緣的破碎，逐步擴(kuò)展為纖維高度的降低和斷

10、裂，以及斷裂纖維與基體的剝離，最后發(fā)展為基體的劇烈磨粒磨損。AE44/Saffil-1復(fù)合材料在平行方向的超微磨損機(jī)制演變過程為：磨損初期表層的纖維磨粒磨損和界面失效，纖維的破碎、剝落和基體的劇烈磨粒磨損。
　　 優(yōu)化后低速壓鑄工藝制備AE44/Saffil復(fù)合材料單缸發(fā)動機(jī)缸的關(guān)鍵參數(shù)為：沖頭壓射速度（預(yù)制件浸漬時對應(yīng)的沖頭浸漬速度）低于2.Sm/s，沖頭壓力約90MPa，澆注溫度高于730℃，預(yù)制件預(yù)熱溫度高于450℃，系統(tǒng)