三氧化二鋁7075基復(fù)合材料的_摩擦磨損性能研究畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料因其特有的比重輕、比強(qiáng)度與比模量高、耐磨及耐高溫等優(yōu)良性能，在航空航天、電子和汽車制造等行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。研究了原位反應(yīng)生成A1203制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的工藝，其制備條件是:熔體溫度900℃，CuO粉末與Al粉混合均勻，壓制成塊，加入鋁液中攪拌，扒去表面的浮渣，將熔體澆鑄到預(yù)熱的模具中，快速

2、冷卻。顆粒是在基體內(nèi)部原位反應(yīng)生成，顆粒細(xì)小，表面潔凈，與基體結(jié)合良好。</p><p>　　將試樣切割成塊，在摩擦磨損機(jī)上分別設(shè)置20N，30N，40N，50N和轉(zhuǎn)速為80r/min, 100r/min, 110r/min, 120r/min摩擦600s后稱量其磨損量。研究表明加入8% A1203后硬度和磨損性能大大提高，表面磨痕變淺。</p><p>　　關(guān)鍵詞：原位反應(yīng)；顆粒增強(qiáng)體；

3、磨損性能</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Partieulate reinofreed metal martix compositesPossess several additional advantages such as light weight，high speeific strength and stinffess，w

4、ear-resistingand high temperature-resisting. Studing in situ reaction of A1203 particulate reinforced aluminum matrix composite prepared by the process, the preparation conditions are: melt temperature is 900 ℃, CuO powd

5、er mixed with Al powder, pressed into blocks, by adding aluminum liquid mixing, Pa to the surface scum, will melt into warm mold casting </p><p>　　Keywords：In situ reaction；particle reinforcement；Wear</p&

6、gt;<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論5</b></p><p>　　1.1顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料2</p><p>　　1.1.1顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備工藝2</p><p>　　1.1.2顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的原位反應(yīng)制備

7、方法3</p><p>　　1.1.3鋁基原位復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀5</p><p>　　1.1.4顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用及展望6</p><p>　　1.1.5原位反應(yīng)鋁基復(fù)合材料的研究發(fā)展方向7</p><p>　　1.2顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料耐磨性的研究現(xiàn)狀8</p><p>　　1.2.1 增強(qiáng)顆粒的

8、影響9</p><p>　　1.2.2 外加載荷的影響9</p><p>　　1.2.3 外部溫度的影響9</p><p>　　1.2.4 滑動速度的影響10</p><p>　　1.3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料主要表征參數(shù)10</p><p>　　1.3.1摩擦溫度10</p><p>

9、　　1.3.2摩擦系數(shù)10</p><p>　　1.3.3磨損量(耐磨性)10</p><p>　　1.4顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用11</p><p>　　1.5本文研究意義與內(nèi)容11</p><p>　　第二章 試驗(yàn)方案及工藝流程13</p><p>　　2.1原材料與設(shè)備13</p>&

10、lt;p>　　2.1.1原材料13</p><p>　　2.1.2試驗(yàn)設(shè)備14</p><p>　　2.2 原位Al2O3顆粒的制備14</p><p>　　2.3試驗(yàn)流程圖14</p><p>　　2.4試驗(yàn)步驟15</p><p>　　2.4.1試樣制備15</p><p>

11、;　　2.4.2摩擦磨損試驗(yàn)15</p><p>　　2.4試驗(yàn)中的分析測試手段16</p><p>　　2.4.1金相組織觀察16</p><p>　　2.4.2硬度測定16</p><p>　　2.4.3耐磨性測定17</p><p>　　第三章 試驗(yàn)結(jié)果與分析17</p><p&g

12、t;　　3.1 金相組織分析17</p><p>　　3.1.1 基體材料與復(fù)合材料組織的對比17</p><p>　　3.1.2摩擦表面的組織觀察18</p><p>　　3.2硬度測定19</p><p>　　3.3 耐磨性的分析研究19</p><p>　　3.3.17075鋁合金與8%Al2O3/70

13、75摩擦磨損性能的對比19</p><p>　　3.3.2轉(zhuǎn)速對鋁基復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響20</p><p>　　3.3.3載荷對鋁基復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響21</p><p><b>　　結(jié)論22</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)23</b></p>

14、<p><b>　　謝辭25</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　現(xiàn)代科學(xué)的飛速發(fā)展對材料提出了越來越高的要求，除了優(yōu)異的力學(xué)性能外，還希望材料具有某些特殊性能和良好的綜合性能。對于這些要求，單一的金屬、陶瓷、高分子等工程材料往往難以滿足。因此，促進(jìn)人們開發(fā)、研究新的材料，如各種復(fù)合材料，其中

15、金屬基復(fù)合材料因?yàn)榫哂袃?yōu)良的性能而備受人們的重視。特別是航空航天工業(yè)、宇宙空間和海洋開發(fā)事業(yè)的發(fā)展，要求新型的結(jié)構(gòu)材料具有高比強(qiáng)度、高比模量和耐高溫性能，不斷開發(fā)研究增強(qiáng)相（纖維、晶須、顆粒）與樹脂、金屬、陶瓷、碳基體復(fù)合而成的宏觀復(fù)合材料。應(yīng)用比較廣泛的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料主要有高性能熱固樹脂、高性能熱塑樹脂以及熱致液晶高聚物和半互穿網(wǎng)絡(luò)高聚物等基體的復(fù)合材料，這些復(fù)合材料僅適用于350℃以下[l-6]。為了提高材料的使用溫度范圍，

16、現(xiàn)在正掀起一股研究開發(fā)各種陶瓷纖維、晶須、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的熱潮。</p><p>　　在諸多的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中，鋁基復(fù)合材料由于具有密度小、熔化溫度低、高導(dǎo)熱性且成本低等特性，己經(jīng)得到世界范圍內(nèi)的廣泛研究并日趨工業(yè)化。顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是以純鋁或鋁合金為基體，復(fù)合添加一定的顆粒增強(qiáng)相而成的。顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是利用增強(qiáng)相的低密度、高強(qiáng)度、高彈性模量等特點(diǎn)提高了材料的比剛度和比強(qiáng)度；利用增強(qiáng)相的

17、高硬度特點(diǎn)提高了材料的耐磨性能；利用增強(qiáng)相熱膨脹系數(shù)低的特點(diǎn)提高了材料的尺寸穩(wěn)定性和抗熱沖擊性能；同時(shí)鋁基復(fù)合材料具有不吸潮、不老化、氣密性好、耐有機(jī)液體和溶劑侵蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)。在航空航天、汽車、電子、光學(xué)等工業(yè)領(lǐng)域展示了廣泛的應(yīng)用前景，是當(dāng)前金屬基復(fù)合材料理論研究和工程試踐中備受關(guān)注的課題。</p><p>　　1.1顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料</p><p>　　1.1.1顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)

18、合材料的制備工藝</p><p>　　顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料(MMCs)因其特有的高比強(qiáng)度、高比模量、耐磨及耐高溫等優(yōu)良性能，在航空航天和汽車制造等行業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。長期以來，對MMCs制備工藝的研究一直側(cè)重于傳統(tǒng)的外加增強(qiáng)體與基體復(fù)合的方法，如粉末冶金法、共噴沉積法、中間合金法、液態(tài)金屬浸滲法、擠壓鑄造法等等。這類方法不僅工藝復(fù)雜，成本較高，而且存在增強(qiáng)體與基體之間相容性較差，結(jié)合不良等問題。針對這些情

19、況，近年來發(fā)展起來了一種制備MMCs的新型方法—原位反應(yīng)合成法，原位復(fù)合工藝基本上能克服上述這些問題，己被視為一種具有突破性的新工藝方法而受到普遍重視，原位復(fù)合的概念源于原位結(jié)晶[7-10]。</p><p>　　早在1967年，前蘇聯(lián)A.G.Merzhanov等人[11]用SHS法合成TIB2/Cu功能梯度材料時(shí)，就提出了原位復(fù)合材料的構(gòu)想，但當(dāng)時(shí)尚未引起人們的重視。直到80年代中后期，當(dāng)美國Lanxide公司

20、和Derxel大學(xué)的M.J.Kocazk等人先后報(bào)道了各自研制的原位A12O3/Al和TiC/AI復(fù)合材料及其相應(yīng)的制備工藝后，才正式在世界范圍內(nèi)拉開了原位復(fù)合研究工作的序幕。美國金屬學(xué)會(ASM)分別于1993年和1995年兩次召開了原位復(fù)合材料的國際專題研討會。由此可見，原位MMCs及其制備技術(shù)已成為材料科學(xué)工作者普遍關(guān)注的研究課題。MMCs原位反應(yīng)合成技術(shù)的基本原理是在一定條件下，將粉末或其他材料加入到基體金屬熔液中，通過元素之間

21、或元素與化合物之間的化學(xué)反應(yīng)，在金屬基體（固態(tài)或液態(tài)）內(nèi)原位生成一種或幾種高硬度、高彈性模量的陶瓷增強(qiáng)相。該方法合成的第二相顆粒尺寸小，界面清潔，與基體相容性好，且彌散分布，從而達(dá)到強(qiáng)化金屬基體的目的。 與 MMCs傳統(tǒng)復(fù)合工藝相比，該工藝具有如下特點(diǎn)：增強(qiáng)體是從金屬基體中原位形核、長大，表面無污染，避免了與基體相容性不良的問題，且界面結(jié)合強(qiáng)</p><p>　　1.1.2顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的原

22、位反應(yīng)制備方法</p><p>　　1自蔓延高溫合成法（SHS）</p><p>　　SHS法最初是由前蘇聯(lián)A.G.Mehzrnaov等[12-15]于1967年提出來的，它是利用放熱反應(yīng)放出的熱量維持反應(yīng)的進(jìn)行，使化學(xué)反應(yīng)自動進(jìn)行下去，生成金屬陶瓷或金屬化合物的方法。這種方法中化學(xué)反應(yīng)的引發(fā)有多種方式，最主要的一種是用鎢絲點(diǎn)燃反應(yīng)物的粉末壓坯的一端，引發(fā)反應(yīng)，并向另一端以燃燒波的方式傳播

23、進(jìn)行；另一種學(xué)用的方法叫熱爆，是指用快速加熱的方法使坯塊整體溫度上長至反應(yīng)發(fā)生溫度，坯塊整體幾乎在同時(shí)發(fā)生了放熱反應(yīng)。還有微波引燃法、激光引燃法、化學(xué)爐法等引燃方法。據(jù)報(bào)道，目前用SHS法可獲得包括復(fù)合材料、電子材料、陶瓷材料、金屬間化合物、超導(dǎo)材料等500多種材料。在金屬基復(fù)合材料方面，已制備了原位生成的TiC、TiB、A12O3和SiC等粒子增強(qiáng)的Al、Cu、Ni和Ti等為基體的塊體復(fù)合材料[l6-18]和表面涂層復(fù)合材料。這種方法

24、的明顯優(yōu)勢是節(jié)約能源，制備過程在極短的時(shí)間內(nèi)完成，能獲得亞微米尺寸的增強(qiáng)體，且其熱力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，與基體裁的界面干凈無雜物。但是它的缺點(diǎn)也很明顯：主要在于所制備的材料多為疏松開裂狀態(tài)，制備的控制困難（增強(qiáng)體的尺寸和形狀），目前SHS的致密化研究是該領(lǐng)域的熱</p><p>　　2 XDTM原位生成法</p><p>　　XDTM原位生成法[19-21]是1953年美國Martin Marie

25、tta公司開始研究開發(fā)的制備金屬基復(fù)合材料工藝。它是一種液體與固態(tài)粉末反應(yīng)制備增強(qiáng)相的方法。生成陶瓷相的兩種粉末混合后，在液相金屬中被加熱發(fā)生反應(yīng)生成陶瓷相，并伴有放熱現(xiàn)象發(fā)生。該工藝可以生成顆粒與晶須共同增強(qiáng)或單獨(dú)增強(qiáng)的金屬基和金屬間化合物基復(fù)合材料。XDTM法制備的坯塊可以鑄造成型，還可以再通過傳統(tǒng)金屬加工方法，如擠壓和軋制進(jìn)行二次加工。</p><p>　　另一種常用的工藝可以是先制備出增強(qiáng)體含量很高的母體

26、復(fù)合材料，然后在重熔的同時(shí)加入適量的基體金屬進(jìn)行稀釋，鑄造成型后就可獲得所需增強(qiáng)體含量的MMCs。XDTM法的優(yōu)點(diǎn)有：增強(qiáng)相原位生成，具有熱穩(wěn)定性；增強(qiáng)相的類型，形態(tài)可以選擇和設(shè)計(jì)；各種金屬或金屬間化合物均可以作為基體，從原理上講，XDTM法適用于寬泛的材料體系和成分；復(fù)合材料可以制備成坯錠，能采用傳統(tǒng)金屬后續(xù)加工方法進(jìn)行二次加工處理；工藝簡單，成本低且材料性能良好。XDTM法的缺點(diǎn)較少，基本上與工藝過程的熱力學(xué)限制所導(dǎo)致的成分和增強(qiáng)體

27、限制等有關(guān)，在高溫制備過程中容易出現(xiàn)顆粒的粗化。</p><p>　　目前，XDTM法己制備了TiC/Al、TiB2/Al、TiB2/Al-Li等復(fù)合材料。其今后的發(fā)展方向有：制備高強(qiáng)、導(dǎo)熱導(dǎo)電良好的TiB2增強(qiáng)Cu基復(fù)合材料；制備經(jīng)濟(jì)、耐磨的TiC增強(qiáng)Al基材料；制備功能性多相材料等。美國國防部還把XDTM法應(yīng)用到欽鋁基復(fù)合材料的導(dǎo)彈飛翼，以取代原來的不銹鋼材料。</p><p>　　3

28、反應(yīng)噴射沉積(RSD)</p><p>　　RSD法是最近發(fā)展起來的新型復(fù)合工藝，典型的方法有：反應(yīng)霧化沉積(RAD)和反應(yīng)低壓等離子噴射沉積(RLPPS)。反應(yīng)霧化噴射沉積是把具有近終形成、快速凝固特點(diǎn)的噴射成形技術(shù)與原位反應(yīng)概念結(jié)合在一起，以制備陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。其基本工藝原理是：熔融的金屬液被霧化成粒徑很小的液滴，它們具有很大的體表面積，同時(shí)又具有一定的高溫，這就為噴射沉積過程中的化學(xué)反應(yīng)提供了驅(qū)

29、動力。借助于液滴飛行過程中與霧化氣體之間的化學(xué)反應(yīng)，或在基體凝固過程中沉積外加粒子或金屬間化合物粒子目前研究最多的是A12O3增強(qiáng)Al基復(fù)合材料，它是在霧化氣體N2中充入適量的O2氣，使霧化過程中大量細(xì)小的液滴表面氧化生成了A12O3膜，這些液滴在沉積過程中，互相碰撞使表面A12O3膜破碎分散，同時(shí)內(nèi)部Al液迅速冷卻凝固，從而形成了A12O3顆粒增強(qiáng)具有快凝微晶特征的鋁基復(fù)合材料。反應(yīng)低壓等離子噴射沉積工藝是將噴射室抽真空后通入等離子氣

30、體（如Ar、He、H等），使氣壓升至數(shù)千帕，并利用等離子弧發(fā)生器使室內(nèi)氣體加熱和電離，在這種高能等離子的轟擊碰撞下，反應(yīng)氣體和噴射的金屬液滴吸收能量而相互發(fā)生反應(yīng)，生成相應(yīng)的陶瓷顆粒，再與</p><p>　　1.1.3鋁基原位復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀</p><p>　　采用廉價(jià)的原料來獲得原位增強(qiáng)顆粒，國內(nèi)外許多科研人員都進(jìn)行了這方面的研究。采用液態(tài)攪拌法比較系統(tǒng)地研究了CuO/Al、ZnO

31、/Al、Cr2O3/Al和SiO2/Al體系的反應(yīng)情況。結(jié)果[22]表明，在1273K時(shí)CuO/Al體系反應(yīng)狀況良好，生成A12O3顆粒，但顆粒分布不是很均勻；ZnO/Al、SiO2/Al體系在無其它添加物的情況下不容易發(fā)生反應(yīng)，但當(dāng)加入少量Mg時(shí)，即可發(fā)生反應(yīng)，有MgA12O4生成；而Cr2O3/Al體系無論是否加入添加物均不發(fā)生反應(yīng)。鋁基體中常采用的原位生成增強(qiáng)顆粒有TiC、TiB2、A12O3等，對于TiC和TiB2，通常的反應(yīng)體

32、系為元素化合物反應(yīng)體系，而A12O3則通過基體鋁與氧化物的置換反應(yīng)生成，制備工藝對復(fù)合材料的微觀組織也存在著影響，選擇不同的制備方法和不同的反應(yīng)體系，所得復(fù)合材料的微觀組織及其性能有著不同的特性。在眾多的研究中，CuO/Al反應(yīng)體系以及其制備工藝研究較多。北京科技大學(xué)的黃贊軍、楊濱等[23]也研究了用CuO/Al體系制備A12O3顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，他們按一定的配比將Al粉與CuO粉混勻，壓制成直徑20mm、高30mm的壓坯，再&l

33、t;/p><p>　　對于SiO2/Al反應(yīng)體系的研究也較多。南京航空航天大學(xué)的朱正吼、葛振寅[25]等采用SiO2/Al體系，將粒徑10～15μm的SiO2粉末與Al粉混合均勻，在模具中輕微冷壓成初坯，利用XDTM工藝，在600℃保溫6h的條件下，成功地制備了A12O3/Al復(fù)合材料：反應(yīng)生成的Si富集在A12O3粒子周圍的基體中，以細(xì)小球形的結(jié)晶體形式析出；A12O3粒子與基體的界面結(jié)合良好，界面形式可能是純物理

34、結(jié)合或共晶界面。大連理工大學(xué)的張守魁、王丹虹等[26]對SiO2/Al體系進(jìn)行的研究是：采用攪拌法將平均直徑為300μm的SiO2粉末在300℃預(yù)熱后加入到720℃的鋁熔體中，鋁液與SiO2顆粒反應(yīng)原位生成A12O3并放熱使熔體溫度升高；A12O3是在SiO2顆粒表面形核并向內(nèi)部長大，還出來的Si在凝固過程中析出，獲得了A12O3/Al復(fù)合材料，其中的硬質(zhì)相分布較均勻。</p><p>　　1.1.4顆粒增強(qiáng)鋁基

35、復(fù)合材料的應(yīng)用及展望</p><p>　　顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有重量輕、比強(qiáng)度及比剛度高、良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能、熱膨脹系數(shù)低、尺寸穩(wěn)定性好、良好的耐磨性能以及良好的斷裂韌性和抗疲勞性能、良好的高溫性能、在較高溫度下不會放出污染環(huán)境的氣體、不吸潮、不老化、氣密性好、耐有機(jī)液體和溶劑侵蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)原材料資源豐富，可用常規(guī)設(shè)備和工藝加工成型，因而成本相對較低。因此，有著極大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景，近年來在復(fù)合材

36、料領(lǐng)域，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在國內(nèi)外倍受重視，發(fā)展迅速。鋁基復(fù)合材料在制造飛機(jī)液壓管、直升機(jī)支架和閥體、衛(wèi)星反動輪等取得了較好的應(yīng)用效果。在兵器工業(yè)中如導(dǎo)彈機(jī)翼、坦克火力控制鏡基片等也有應(yīng)用鋁基復(fù)合材料的；同時(shí)，該材料在汽車制造工業(yè)中也有著廣泛的應(yīng)用，可用于制造發(fā)動機(jī)活塞、剎車盤、連桿和套缸等。日本、德國等己相繼開發(fā)出了適用于高速列車的SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制動盤，美國Ford公司進(jìn)行了鋁基復(fù)合材料轎車制動盤的研制和開發(fā)：國內(nèi)也有關(guān)

37、于采用相關(guān)材料對摩托車制動輪毅和火車、轎車制動盤進(jìn)行研制的報(bào)道。顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料也可用于制造體育用品，諸如自行車鏈、齒輪、高爾夫球桿頭等。其他方面，如用于制造假肢、機(jī)械泵工作室、大型</p><p>　　材料使用過程中，應(yīng)根據(jù)不同工作要求選擇適當(dāng)?shù)暮辖鸹w與增強(qiáng)顆粒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而更好地發(fā)揮出鋁合金基體和增強(qiáng)顆粒的復(fù)合作用和應(yīng)用潛力。同時(shí)，研究開發(fā)新的制備工藝，加強(qiáng)理論基礎(chǔ)研究和試踐探索，并解決復(fù)合材料的再

38、生和回收問題，逐步降低復(fù)合材料的成本和價(jià)格。相信不久的將來，隨著基礎(chǔ)研究的不斷深入及制備技術(shù)的不斷完善，顆粒增強(qiáng)鋁合金基復(fù)合材料必將以其獨(dú)特優(yōu)勢在航空航天、汽車、儀器儀表等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，并取得較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。</p><p>　　1.1.5原位反應(yīng)鋁基復(fù)合材料的研究發(fā)展方向</p><p>　　原位反應(yīng)法制備復(fù)合材料由于增強(qiáng)相是反應(yīng)合成的，內(nèi)生于基體之中，因而具有許多外

39、加強(qiáng)化相增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料所不具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　1．增強(qiáng)體在鋁基體內(nèi)原位形核、長大，表面無污染，與基體間有良好的相容性，界面結(jié)合良好。</p><p>　　2．通過選擇反應(yīng)物的類型、成分來控制增強(qiáng)相種類、大小和數(shù)量，并可以通過工藝來控制其大小和分布，不易出現(xiàn)增強(qiáng)相的團(tuán)聚或偏析。</p><p>　　3．省去了增強(qiáng)體的預(yù)處理，簡化了工藝流程，成本也相

40、對較低。</p><p>　　4．增強(qiáng)相顆粒細(xì)小，往往處于微米級或亞微米級，能保證鋁基復(fù)合材料不但有良好的韌性和高溫性能，而且有很高的強(qiáng)度和彈性模量。</p><p>　　5．能與鑄造工藝相結(jié)合，直接制備形狀復(fù)雜、尺寸變化大的近終形產(chǎn)品。</p><p>　　原位反應(yīng)制備復(fù)合材料的工藝多種多樣，但是，有些工藝不適合規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)，有些工藝的反應(yīng)速度和反應(yīng)生成物的控制

41、較為困難。因此，原位反應(yīng)復(fù)合材料還存在如下問題需要人們?nèi)ヌ剿餮芯浚?lt;/p><p>　　1 研究反應(yīng)生成顆粒的形成機(jī)理，進(jìn)一步完善反應(yīng)熱力學(xué)、動力學(xué)體系。研究控制反應(yīng)過程的方法，以便能控制反應(yīng)速度以及生成顆粒的大小、形狀和分布。增強(qiáng)相的均勻分布是困擾原位鋁基復(fù)合材料研究者的主要問題，雖然已有不少均質(zhì)化方法和大量的過程控制參數(shù)，但尚缺少有說服力的解決方案。</p><p>　　2 在凝固過程

42、中，己形成的增強(qiáng)顆粒在金屬液內(nèi)容易聚結(jié)、偏析，而且對這種混合液的凝固特征，如凝固過程、顆粒在液固界面前沿的行為以及鑄造缺陷產(chǎn)生的機(jī)理和防止措施等，缺乏全面深入的研究，而這些又是獲得優(yōu)質(zhì)復(fù)合材料的基本保證。因此，為了獲得更理想的組織，必須從不同的角度，進(jìn)一步研究反應(yīng)生成顆粒與基體材料的界面特征，以及顆粒在基體凝固過程中的行為，加深對含有顆粒的流變學(xué)的理解，以便能使反應(yīng)生成顆粒更合理地分布于基體材料中。</p><p&g

43、t;　　3 在反應(yīng)過程中伴生的有害化合物也是目前原位鋁基復(fù)合材料制備和研究中難以避免的一個(gè)難題。在反應(yīng)生成所需要的增強(qiáng)相的同時(shí)，有時(shí)在基體中也產(chǎn)生一些有害化合物，如Ti3Al，A14C3，F(xiàn)e3C等，它們常以針狀或條片狀，往往割裂基體，使材料性能下降；而偏析于晶粒邊界的有害化合物則嚴(yán)重影響材料的耐蝕性和抗疲勞性。因此，必須進(jìn)一步研究能抑制這些化合物產(chǎn)生的各種有效措施，或者消除其有害影響，甚至利用這些有害化合物，是今后的一個(gè)重要研究課題。

44、</p><p>　　4 目前有關(guān)原位反應(yīng)生成MMCs的制備工藝過程和所得材料的組織特征的報(bào)道不少，但是還需進(jìn)一步完善各種工藝方法，對所得材料的性能，特別是斷裂韌性、抗疲勞性能和切削加工性能等進(jìn)行全面的分析和研究，為這些材料在試際生產(chǎn)中的應(yīng)用提供更全面的技術(shù)資料。</p><p>　　5 試用化研究問題：研究表明，許多原位MMCs具有優(yōu)越的綜合性能，然而這些研究大部分僅限于試驗(yàn)室，只有進(jìn)一

45、步研究原位反應(yīng)復(fù)合材料的工業(yè)化生產(chǎn)工藝，研究出真正適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的工藝，才能使得原位反應(yīng)復(fù)合材料這一性能優(yōu)良的材料真正得到推廣使用，使其發(fā)揮作用。</p><p>　　1.2顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料耐磨性的研究現(xiàn)狀</p><p>　　響材料耐磨性的因素有很多，既有外部因素，也有內(nèi)部因素。載荷、滑動距離、滑動速度、摩擦表面的溫度、熱處理狀態(tài)、顆粒（種類、大小、數(shù)量、分布等）、表面狀態(tài)、

46、潤滑條件、對偶件情況等等，所有這些因素相互聯(lián)系，共同作用，因此，不能簡單地割裂這些因素，但另一方面，任何研究都不能綜其全部，所以我們只能研究其中的幾個(gè)重要因素。</p><p>　　1.2.1 增強(qiáng)顆粒的影響</p><p>　　顆粒對鋁基復(fù)合材料的影響極其復(fù)雜，不同的顆粒以及相同顆粒在不同條件下，如含量不同、尺寸大小不同、分布情況不同、試驗(yàn)條件不同（平穩(wěn)加載或沖擊加載）等，有時(shí)會有彼此相

47、反的結(jié)論，如前所述，在不同的條件下得出了不同的結(jié)論。最早系統(tǒng)地研究各種不同增強(qiáng)物對復(fù)合材料磨損性能影響的學(xué)者是Sato和Mehrabian，他們[27]研究了SiC、TiC、Si3N2、Al3O2、SiO2、MgO、BN等顆粒增強(qiáng)的Al-4Cu、Al-4Cu-0.75Mg和6061Al復(fù)合材料。除MgO、BN外，其余增強(qiáng)體都較明顯地提高了復(fù)合材料的耐磨性，將這些增強(qiáng)體提高復(fù)合材料耐磨性的效果進(jìn)行比較，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的區(qū)別，而含有MgO、

48、BN的復(fù)合材料的耐磨性比基體材料的耐磨性反而要差得多。</p><p>　　1.2.2 外加載荷的影響</p><p>　　關(guān)于載荷對復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響，也有很多研究表明：①高速干摩擦條件下，低載（50N～100N）時(shí)，SiC顆粒含量越高，復(fù)合材料的耐磨性越好，在中、高載（150N～300N）時(shí)，含SiC多的復(fù)合材料反而不及含SiC少的復(fù)合材料耐磨；②低速干摩擦條件下，低載（50N

49、）時(shí)復(fù)合材料的耐磨性遠(yuǎn)高于基體，但隨著載荷的增大，復(fù)合材料不如基體耐磨。</p><p>　　1.2.3 外部溫度的影響</p><p>　　接觸面溫度的變化對于摩擦與磨損過程有很大影響，有可能使表層的物理、化學(xué)特性改變，從而改變潤滑機(jī)制、磨損機(jī)制等。摩擦表面溫度與摩擦副材料的熱物理性能（導(dǎo)熱率,熱容量）、摩擦工況條件及散熱條件有關(guān)。許多研究[28]表明，復(fù)合材料從微量磨損向嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變

50、存在一個(gè)臨界轉(zhuǎn)變溫度。體積分?jǐn)?shù)為15%的SiC增強(qiáng)2618Al復(fù)合材料的臨界溫度在150℃～200℃之間，基體材料的臨界轉(zhuǎn)變溫度在100℃～150℃之間，這是因?yàn)樵鰪?qiáng)體的存在提高了復(fù)合材料的抗軟化和抗咬合性，因而提高了復(fù)合材料的臨界轉(zhuǎn)變溫度。</p><p>　　1.2.4 滑動速度的影響</p><p>　　C.S Lee[29]等研究了Al3O2和SiC顆粒增強(qiáng)6061復(fù)合材料的磨損性

51、能與滑動速度的關(guān)系，研究表明，對于復(fù)合材料來說，當(dāng)滑動速度較低時(shí)(<0.37ms-1)，復(fù)合材料的磨損率比基體材料高；當(dāng)滑動速度進(jìn)一步增加時(shí)，復(fù)合材料的磨損率降低；當(dāng)滑動速度再進(jìn)一步提高(>1.98ms-1)，復(fù)合材料的磨損率比基體材料小得多。</p><p>　　1.3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料主要表征參數(shù)</p><p><b>　　1.3.1摩擦溫度</b>

52、;</p><p>　　摩擦?xí)r，接觸表面的溫度高低和分布情況對摩擦磨損性能影響很大。摩擦副表面溫度的測量方法常用的是熱電偶和遠(yuǎn)紅外輻射測溫，但是對于一些在封閉系統(tǒng)中工作或不斷運(yùn)動的部件，其摩擦表面溫度無法用常規(guī)方法確定，漸漸地又研究出一些特殊的測量方法。上世紀(jì)70年代美國首次采用先進(jìn)的氪化技術(shù)對復(fù)合材料摩擦表面的最高工作溫度作了精確測定。</p><p><b>　　1.3.2摩

53、擦系數(shù)</b></p><p>　　由于復(fù)合材料中強(qiáng)硬相（顆粒）分布在較軟的鋁合金基體上，構(gòu)成了較好的硬軟配合，并減少了發(fā)生粘著的可能性，從而使顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐磨性能。在研究某種材料的摩擦系數(shù)時(shí)，必須注意試驗(yàn)條件和所用的測試設(shè)備，不同的研究人員由于試驗(yàn)條件不同，測試設(shè)備不同，因而得出的摩擦系數(shù)也不一樣。朱和祥[30]等人研究了不同載荷對SiCp/Al復(fù)合材料摩擦性能的影響。結(jié)果表明在干

54、摩擦條件下SiCp/Al復(fù)合材料的摩擦系數(shù)在50N-300N的外加載荷下均高于Al-9Si合金，且SiCp含量越高，摩擦系數(shù)越大。然而另有研究表明，在干摩擦條件下，隨著SiCp含量的增大，SiCp/Al復(fù)合材料的摩擦系數(shù)明顯減小。</p><p>　　1.3.3磨損量(耐磨性)</p><p>　　磨損量是評定材料的耐磨性、控制產(chǎn)品質(zhì)量和研究摩擦磨損機(jī)理的一個(gè)重要指標(biāo)。一般用磨損率來描述材

55、料的耐磨性能，而磨損率是磨損量的倒數(shù)，通常試驗(yàn)中磨損量用試樣的體積磨損量表示。大部分研究結(jié)果表明，復(fù)合材料和基體的磨損量都隨外加載荷的增大而增大，但復(fù)合材料的磨損量隨載荷的增大幅度遠(yuǎn)小于基體（載荷越大，SiCp含量越高，復(fù)合材料的耐磨性越優(yōu)于基體）。但也有研究得出，低載時(shí)復(fù)合材料的耐磨性明顯優(yōu)于基體，但隨著載荷的增大，復(fù)合材料的耐磨性反不如基體。以上所有研究數(shù)據(jù)都是反映材料在平穩(wěn)加載條件下的磨損規(guī)律，而在工程應(yīng)用中的試際工作條件往往是動

56、載的，因此也有人專門研究了動載摩擦工況下顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的耐磨性能。采用單擺劃痕法研究了SiC顆粒增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料的磨損性能，結(jié)論是SiC顆粒增強(qiáng)2024Al復(fù)合材料的抗沖擊磨粒磨損性能比基體合金好，而且是隨著顆粒含量的增加而提高，顆粒尺寸越小，復(fù)合材料的抗沖擊磨粒磨損性能越好。但他們在采用噴砂沖蝕試驗(yàn)裝置研究SiC顆粒增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料的磨損行為時(shí)卻得出了相反的結(jié)論。從以上所述可以看出，不論是摩擦系數(shù)的大小，還是耐磨性能的好壞都

57、是在一定條件下才適用的，由此</p><p>　　1.4顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用</p><p>　　顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由于具有良好的摩擦性能而備受人們關(guān)注，其應(yīng)用范圍也越來越廣。制動器是機(jī)械設(shè)備中不可缺少的部件之一，如飛機(jī)著陸，火車、汽車行駛中的減速、停速,起重設(shè)備的升降、位置的控制等都需要在傳動系統(tǒng)中裝設(shè)制動器。目前多數(shù)采用的是摩擦制動器，即以摩擦力作為制動力，使運(yùn)動物體達(dá)到減速、

58、停止目的。因此制動器具有良好的摩擦穩(wěn)定性是至關(guān)重要的，關(guān)系到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。美國Duralcan公司已用SiCp/Al復(fù)合材料成功地制造了汽車制動盤、汽車發(fā)動機(jī)活塞和齒輪箱等汽車零件。另外，SiCp/Al復(fù)合材料還適合制作汽車驅(qū)動軸、連桿、搖臂等汽車零件。</p><p>　　1.5本文研究意義與內(nèi)容</p><p>　　傳統(tǒng)的外加增強(qiáng)相的復(fù)合工藝簡單，但容易引起顆粒表面污染，使兩相界

59、面結(jié)合強(qiáng)度不夠高；雖然對增強(qiáng)顆粒進(jìn)行了表面處理、表面改性以及界面結(jié)合強(qiáng)度的研究，使復(fù)合材料的性能有所提高，但這都增加了工藝的復(fù)雜性，提高了產(chǎn)品的成本。原位反應(yīng)法能夠克服以上問題，增強(qiáng)顆粒在基體內(nèi)部生成，表面潔凈，與基體結(jié)合良好，人們對此進(jìn)行了許多的研究。原位反應(yīng)制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備工藝多種多樣，其關(guān)鍵在于適當(dāng)控制原位反應(yīng)來合成所需的增強(qiáng)相。采用較多的Ti+C或Ti+B反應(yīng)體系由于Ti和B昂貴的價(jià)格使研究人員轉(zhuǎn)而尋求廉價(jià)的原料：

60、利用廉價(jià)的金屬氧化物被鋁還原發(fā)生的鋁熱反應(yīng)來獲得增強(qiáng)顆粒，制備A1203顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料成為了目前的研究熱點(diǎn)，人們所采用的氧化物包括CuO、Si02、TiO2、ZnO、Fe2O3、Ni2O3等。這種鋁熱反應(yīng)過程中產(chǎn)生的第二種物質(zhì)作為合金元素進(jìn)入鋁基體，起到了合金化增強(qiáng)作用，但改變了基體的成分。尤其是當(dāng)需要大量的增強(qiáng)相時(shí)，合金相將不可避免地被過量產(chǎn)出，難以被基體所容納，成為材料的有害雜質(zhì)，破壞材料的綜合性能。</p>

61、<p>　　本課題研究的是以CuO粉末與Al粉壓制成塊，通過攪拌使其分散到鋁熔體中，在900℃的高溫下發(fā)生如下分解反應(yīng)：</p><p>　　2Al+3CuO=3Cu+Al2O3（1-6）</p><p>　　生成的A12O3顆粒均勻地分散在鋁熔體中起改善磨損性能的作用。通過測試硬度和摩擦磨損試驗(yàn)來表明加入的Al2O3顆粒起到了增強(qiáng)體的作用。與傳統(tǒng)的復(fù)合工藝相比，該工藝具有以下

62、優(yōu)點(diǎn)：增強(qiáng)體A12O3顆粒是在熔體內(nèi)部通過Al粉與CuO發(fā)生反應(yīng)，因此顆粒表面無污染，避免了與基體相容性差的問題，且生成的氧化鋁顆粒細(xì)小，與基體結(jié)合良好。本課題立足于實(shí)際應(yīng)用，以現(xiàn)有的鋁合金熔煉工藝為基礎(chǔ)，常規(guī)熔煉設(shè)備即可滿足要求，而且制備的復(fù)合材料熔體可澆鑄成錠或直接澆鑄成零件，制備成本低。</p><p>　　第二章 試驗(yàn)方案及工藝流程</p><p><b>　　2.1原材

63、料與設(shè)備</b></p><p><b>　　2.1.1原材料</b></p><p>　　基體材料為7075鋁基復(fù)合材料。成分為硅、鐵、銅、錳、鎂、鉻、鎳、鋅、鈦、其它、鋁，其含量如下表：</p><p>　　表2-1 7075鋁合金的成分</p><p>　　增強(qiáng)體材料為Al2O3，其為Al與 CuO按其

64、摩爾比為1比1混合均勻壓制成塊，用鋁箔包緊然后投入900℃鋁液中經(jīng)攪拌反應(yīng)得到。</p><p>　　輔助材料有Mg粉，鋁箔，除氣塊。其中鋁箔為分析純，其含鋁量大于99.9%，除氣塊為六氯乙烷。Mg粉是助燃劑，使反應(yīng)充分發(fā)生。</p><p><b>　　2.1.2試驗(yàn)設(shè)備</b></p><p>　　試驗(yàn)中所用設(shè)備為：MRS-10A型摩擦磨損

65、機(jī)，XJD-1金相顯微鏡。</p><p>　　其他設(shè)備包括JA2103N型電子天平（最大稱重量200g,精度0.0001）、普通電子秤（最大稱量1000g）、石墨粘土坩堝（內(nèi)徑為90mm）、試樣切割器、石墨棒。</p><p>　　2.2 原位Al2O3顆粒的制備</p><p>　　反應(yīng)方程：2Al+3CuO=3Cu+Al2O3</p><p

66、>　　Al粉與CuO粉末在高溫下發(fā)生原位反應(yīng)生成細(xì)小的Al2O3顆粒，彌散在鋁基體上達(dá)到細(xì)化晶粒提高機(jī)械性能的目的。</p><p><b>　　2.3試驗(yàn)流程圖</b></p><p>　　圖2.1 試驗(yàn)流程圖</p><p><b>　　2.4試驗(yàn)步驟</b></p><p><

67、b>　　2.4.1試樣制備</b></p><p>　　1澆鑄準(zhǔn)備工作。用鋼鋸把盤型7075鋁合金鋸成小塊后分別稱量，按照總量的8%配比Al2O3的Al粉和CuO粉末，將粉末混合均勻壓制成塊，用鋁箔包緊密。</p><p>　　2 熔化澆鑄。將7075鋁合金塊分別放入預(yù)設(shè)為900℃坩堝中放入加熱爐內(nèi)熔化，熔化后用坩堝鉗夾出來，再一塊一塊的加入預(yù)置塊。</p>

68、<p>　　3 原位反應(yīng)。等待加入完畢后，用石墨棒攪拌使反應(yīng)發(fā)生完全。等待反應(yīng)發(fā)生完全加入除氣塊去除水分和雜質(zhì)氣體。</p><p>　　4 邊攪拌邊用不銹鋼絲把雜質(zhì)弄出，直到全部為流動液體，緩慢冷卻。等到冷卻至高于結(jié)晶溫度時(shí)倒入模具中澆鑄成型，同樣方法再澆鑄一組不加預(yù)置塊的作為對比試驗(yàn)。</p><p>　　2.4.2摩擦磨損試驗(yàn)</p><p>　　

69、在MRS-10A摩擦磨損機(jī)上分別設(shè)置20N，30N，40N，50N和轉(zhuǎn)速為80r/min, 100r/min, 110r/min, 120r/min摩擦600s后稱量其磨損量。</p><p>　　1 首先用感應(yīng)天平稱量試樣并記錄，將試樣用膠固定在模具上，然后用卡具固定于磨損機(jī)的上部。</p><p>　　2在摩擦盤內(nèi)放入大小適宜的圓型砂紙用固定，手動摩擦機(jī)下部讓與試樣解除5-6N，讓后“

70、按施加載荷”按鈕施加達(dá)到預(yù)設(shè)載荷。</p><p>　　3 在啟動前保證所有的按鈕復(fù)位。時(shí)間設(shè)為600s，壓力設(shè)為20N，轉(zhuǎn)速為80r/ min。啟動時(shí)同時(shí)按“啟動”、“時(shí)間復(fù)位”與計(jì)算機(jī)上的開始按鈕。計(jì)算機(jī)間隔0.2s記錄一次摩擦系數(shù)與載荷轉(zhuǎn)速的大小。</p><p>　　4等到了預(yù)設(shè)時(shí)間后，機(jī)器自動停下，按“卸載”按鈕，手動搖下磨頭，取下試樣稱量并換砂紙做下一個(gè)試件。</p>

71、;<p>　　多次試驗(yàn)后取其平均值，對比7075鋁合金與8%Al2O3/7075的耐磨性狀況數(shù)據(jù)記錄如下表2-3所示：</p><p>　　表2-3 不同載荷與不同轉(zhuǎn)速下的磨損量</p><p>　　2.4試驗(yàn)中的分析測試手段</p><p>　　試驗(yàn)中運(yùn)用金相顯微鏡、摩擦磨損機(jī)、線切割機(jī)等多種儀器對材料進(jìn)行了分析測試。</p><

72、;p>　　2.4.1金相組織觀察</p><p>　　制備金相試樣，在金相顯微鏡下觀察復(fù)合材料的顯微組織。首先將復(fù)合材料制樣，金相及掃描電鏡觀察試樣制備過程如下：</p><p>　　1 切割:用試樣切割機(jī)切割大小適宜握持和在顯微鏡下觀察的試樣，一般為觀察面10mmx15mm。 </p><p>　　2 磨制:先用600號水砂紙?jiān)陬A(yù)磨機(jī)上預(yù)磨；然后依次使用80

73、0，1000，1200，號水砂紙?jiān)陬A(yù)磨機(jī)磨平。</p><p>　　3 拋光:將預(yù)磨機(jī)上磨后的試樣用粗布進(jìn)行粗拋；再用細(xì)拋光布進(jìn)行精拋。</p><p>　　4 清洗:用脫脂棉沾酒精輕擦，然后吹干試樣表面的酒精。</p><p>　　5 腐蝕：4%的硝酸酒精溶液。</p><p>　　6 觀察分析:用金相顯微鏡觀察組織圖像進(jìn)行分析。</

74、p><p><b>　　2.4.2硬度測定</b></p><p>　　采用HV-300維氏硬度儀測量復(fù)合材料的硬度。</p><p>　　2.4.3耐磨性測定</p><p>　　在MRS-10A型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行復(fù)合材料的耐磨性試驗(yàn)，并且用感量為0.lmg的Sartorius生產(chǎn)的BS124S電子分析天平稱量銷試樣的

75、磨損質(zhì)量。</p><p>　　第三章 試驗(yàn)結(jié)果與分析</p><p>　　3.1 金相組織分析</p><p>　　3.1.1 基體材料與復(fù)合材料組織的對比</p><p>　　下圖為7075鋁合金與8%Al2O3/7075鋁基復(fù)合材料鑄態(tài)時(shí)的組織圖。</p><p>　　圖3.1鑄態(tài)組織(a)7075鋁合金 (b)

76、8%Al2O3/7075鋁基復(fù)合材料</p><p>　　由圖3.1對比可以看出加入Al2O3后組織的晶粒明顯細(xì)化，在澆鑄過程中由于加入Al2O3有效的阻止晶粒的長大，達(dá)到細(xì)晶強(qiáng)化的目的。組織更加均勻化機(jī)械性能提高，Al2O3顆粒可以很好地分散到基體中，分布比較均勻，A12O3顆粒與基體有很好的結(jié)合界面。從其中的金相組織圖可以看出，8%Al2O3/7075鋁基復(fù)合材料中有著與基體合金相似的結(jié)晶組織，對合金的金相組

77、織沒有太大的影響，顆粒也沒有被推擠到結(jié)晶的界面上去。由圖3.1(b)中可以看出，A1203顆粒細(xì)小，接近球形，分散很均勻，在制樣、研磨、拋光過程中顆粒依然與基體牢固地結(jié)合在一起，可見A12O3顆粒與鋁硅合金基體有很好的相容界面，結(jié)合良好。</p><p>　　3.1.2摩擦表面的組織觀察</p><p>　　圖3.2為7075鋁合金與8%Al2O3/7075鋁基復(fù)合材料做摩擦磨損試驗(yàn)后的圖

78、像由圖中可以看出，與基體相比，復(fù)合材料表面的磨痕和犁溝狀條紋較淺。 </p><p>　　圖3.2 7075鋁合金 (a)與8%Al2O3/7075鋁基復(fù)合材料(b)摩擦表面</p><p>　　由圖3.2可看出，復(fù)合材料摩擦表面出現(xiàn)大量由半金屬摩擦材料轉(zhuǎn)移來的物質(zhì)覆蓋整個(gè)摩擦界面?；w材料，圖(a)、(b)都為摩擦表面都呈現(xiàn)劃痕和犁溝痕跡，這主要是由磨粒磨損引起的。由于摩擦材料中有硬質(zhì)

79、顆粒的存在，并且從復(fù)合材料摩擦表層脫落的增強(qiáng)顆粒也會成為磨粒參與三體磨損，在摩擦引起的高溫下，鋁合金基體的強(qiáng)度降低，更容易發(fā)生硬質(zhì)顆粒犁削復(fù)合材料基體的情況。劃痕和犁溝的寬度和深度主要與復(fù)合材料基體的硬度、強(qiáng)度，以及增強(qiáng)顆粒的尺寸、施加載荷的大小、配副摩擦材料中硬質(zhì)點(diǎn)的情況等有關(guān)。隨著復(fù)合材料硬度和強(qiáng)度的提高，磨粒刺入復(fù)合材料基體的深度減小，犁溝的深度和寬度減小，受磨粒磨損控制的磨損量降低。隨著復(fù)合材料強(qiáng)度和表面硬度的逐漸增加，可見圖3

80、.2(a)、(b)的劃痕和犁溝由寬逐漸變細(xì)，相應(yīng)的隨著劃痕變細(xì)，說明摩擦表面受磨粒磨損的程度降低，磨損量減少，這與前一章的試驗(yàn)結(jié)果是一致的。</p><p><b>　　3.2硬度測定</b></p><p>　　硬度是衡量材料軟硬程度的一種力學(xué)性能，一般可以認(rèn)為，硬度是指材料的一個(gè)區(qū)域抵抗變形或破壞的能力。本試驗(yàn)測量復(fù)合材料的維氏硬度，對于每一個(gè)試樣，取五個(gè)不同位置

81、測硬度值，將其平均值作為材料的硬度值。表3.1為所測材料的硬度(HV) </p><p>　　表3.1 7075鋁合金與含8%Al2O3/7075鋁基復(fù)合材料維氏硬度表</p><p>　　在表3.1中基體材料的平均硬度為79.28而加入Al2O3后硬度提高了原來的兩倍還多，由于Al2O3顆粒附在基體晶界或者晶內(nèi)，在澆鑄石有效地阻止了晶粒長大，還有就是Al2O3顆粒本身硬度比較高，這也是材

82、料硬度提高的一個(gè)重要因素。</p><p>　　3.3 耐磨性的分析研究</p><p>　　3.3.17075鋁合金與8%Al2O3/7075摩擦磨損性能的對比</p><p>　　隨著基體中Al2O3含量的增加，材料的磨損量如表 所示：</p><p>　　表3.2 不同成分材料的摩擦磨損量</p><p>　　

83、表3.2為7075鋁合金與含8%Al2O3/7075鋁基復(fù)合材料磨損量對比。由試驗(yàn)結(jié)果可見，三種不同Al2O3硅含量的復(fù)合材料的磨損率隨著基體Al2O3含量的增加而降低。這是因?yàn)殡S著復(fù)合材料基體Al2O3含量的提高，材料的硬度提高，摩擦表面體抗磨粒犁削的能力增強(qiáng)。由于復(fù)合材料磨損率降低，脫落到摩擦面間的Al2O3顆粒減少，由硬質(zhì)顆粒引起的對摩擦材料的磨粒磨損減少，故隨著Al2O3含量的增加，摩擦材料的磨損率也下降。氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基或鋁

84、硅合金基復(fù)合材料是在軟的鋁或鋁合金基體上分布著硬質(zhì)的氧化鋁顆粒。由于氧化鋁的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁或鋁合金基體，在摩擦開始后，復(fù)合材料表面的基體首先被磨掉，而使氧化鋁顆粒暴露在材料表面，與對偶面直接接觸，起到了承受載荷、防止對磨材料與基體的接觸、保護(hù)基體材料的作用。當(dāng)基體對氧化鋁顆粒的約束力不足以抵抗摩擦力對顆粒的作用時(shí)，氧化鋁顆粒就會發(fā)生脫落，脫落的顆粒在磨面上可以起到“滾珠”的作用，從而對復(fù)合材料的磨損起到一定的減磨作用。隨著氧化鋁含量的增

85、加，磨面上的氧化鋁顆粒就越多，起的“承受載荷”和“滾珠效應(yīng)”的作用就越大，從而減磨作用就越明顯。</p><p>　　3.3.2轉(zhuǎn)速對鋁基復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響</p><p>　　滑動速度的法向載荷是影響摩擦行為的重要外在因素。人們最初認(rèn)為系數(shù)與滑動速度和載荷無關(guān)。但后來一系列試驗(yàn)結(jié)果表明[12]，不同材料的摩擦系數(shù)隨著滑動速度和載荷的變化而表現(xiàn)出不同的摩擦磨損機(jī)制。且不同滑動速度和

86、載荷條件下，其他摩擦磨損影響因素的作用程度也不同，摩擦系數(shù)與載荷之間通常表現(xiàn)出復(fù)雜的關(guān)系?？疾旎瑒铀俣群洼d荷對摩擦系數(shù)的影響，要考慮具體的摩擦材料和外部條件的作用。</p><p>　　圖3.2不同轉(zhuǎn)速對摩擦系數(shù)(a)與磨損量(b)的影響</p><p>　　由圖3.2(a)可知：隨著轉(zhuǎn)速的提高，試樣的摩擦系數(shù)趨于平緩，在0.38-0.45之間，這表明材料的磨擦損性能穩(wěn)定，加入Al2O3后

87、使得材料的摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定，提高了材料的穩(wěn)定性。由圖3.2(b)可知在基體材料加入Al2O3后，大大提高了材料耐磨性能，圖3.2(b)中B曲線代表基體材料隨轉(zhuǎn)速變化的磨損量，C曲線是加入Al2O3后材料的磨損量，可見加入Al2O3減少磨損磨損量大約一倍有余。從結(jié)果中可以看出，復(fù)合材料的磨損量和磨損率隨著氧化鋁顆粒含量的增加而降低，說明基體中加入增強(qiáng)體氧化鋁后，提高了復(fù)合材料的耐磨性能;并且表明材料的耐磨性能隨著氧化鋁顆粒含量的增加而增強(qiáng)

88、。</p><p>　　3.3.3載荷對鋁基復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響</p><p>　　圖3.3為在90r/min速度下，法向載荷對摩擦系數(shù)的影響。圖中摩擦系數(shù)分別為以相同初始速度進(jìn)行制動試驗(yàn)10次，取10次摩擦系數(shù)的平均值。由圖3.3(a)可見，隨著載荷的增加，摩擦系數(shù)除了20N較低外總體趨勢平緩，基本保持在0.38到0.45范圍內(nèi)。</p><p>　　圖3

89、.3 不同載荷對材料摩擦磨損量(a)與摩擦系數(shù)(b)的影響</p><p>　　如圖3.3(b)所示，隨著載荷的增加，復(fù)合材料的磨損率沒有太大變化，但基本趨勢趨于升高。致密化過后的復(fù)合材料由于總體硬度和強(qiáng)度都較高，其整體承受載荷能力較高，在本文試驗(yàn)條件下，載荷的增加并沒能使復(fù)合材料的磨損機(jī)制發(fā)生大的變化，因此復(fù)合材料磨損率表現(xiàn)出增加的趨勢。摩擦材料的磨損率隨著制動載荷的增加，在載荷達(dá)到30N時(shí)磨損率增加明顯，說明

90、該載荷下，由于溫升較快，高溫使摩擦材料性能下降，導(dǎo)致磨損率增加。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本次試驗(yàn)是在7075基加入Al2O3作為增強(qiáng)體顆粒來提高材料的性能，通過本次試驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：</p><p>　　1 作為增強(qiáng)體顆粒的Al2O3大大提高了材料的硬度，耐磨性。</p><p&g

91、t;　　2 用Al粉與CuO作為前驅(qū)體原位生成A12O3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，A12O3顆粒細(xì)小，為近似球形，能夠均勻分布地在基體中。</p><p>　　3 隨著基體中A12O3含量的增加，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)越來越穩(wěn)定，磨損量越來越低，磨損性能提高。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 沃丁柱，李順林.復(fù)

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105、我要謝我的指導(dǎo)老師劉慧敏教授，本論文是在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)和親切關(guān)懷下順利完成的。導(dǎo)師淵博的專業(yè)知識，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，嚴(yán)以律己、寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實(shí)無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠(yuǎn)。從他身上我學(xué)到了很多學(xué)習(xí)方法及為人處世的道理，值此論文完成之際，謹(jǐn)向?qū)煻嗵靵碓趯W(xué)術(shù)上的諄諄教導(dǎo)與生活上的關(guān)心致以崇高的敬意和衷心的感謝！</p><p>　　在論文寫作過程中，研究生宋振東