SiCp-AL復合材料摩擦學特性及其分形研究.pdf

1、本文采用“冷壓燒結+熱擠壓”的粉末冶金方法制備出Al/SiCp(130hm)、Al/SiCp(14μm)復合材料，研究其制備工藝、力學性能。采用LeicaMEF4M型光學顯微鏡，觀察增強相分布、組織致密性；采用配有ANI0000型X射線能譜儀的JXA-840A型掃描電鏡，觀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復合材料摩擦磨損性能特征、機理及SiCp尺寸、含量的影響規(guī)律；亞微米SiCp超微粒子的增強

2、效應。
　　 本文采用WYKONT1100型非接觸光學輪廓儀，觀察分析試樣磨損表面三維形貌，并采用德國生產的PerthometerS3P表面粗糙度儀測量試樣表面粗糙度，采集的數據作為分形研究的原始數據。在深入分析現有分形維數測定方法的基礎上，應用W-M函數模型作為模擬磨損表面輪廓分形模型；用結構函數法作為計算分形維數的方法，研究實測樣塊磨損表面輪廓的分形特征及分形維數D與傳統(tǒng)粗糙度參數的關系。
　　 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效應（機理）及其對復合材料力學及摩擦學性能的影響，Al粉的粒度為100～200目（約75～150微米）。
　　 SiCp/Al系復合材料性能測試表明，抗拉強度隨SiCp體積含量的增高而增加，伸長率則隨SiCp體積含量和尺寸的增加而減小，SiCp/Al系復合材料均具有良好的塑性，亞微米SiCp/Al的抗拉強度、抗壓強度和伸長率均優(yōu)于純Al和微

4、米SiCp/Al；在SiCp含量較少時，隨SiCp尺寸增加，其抗壓強度增加；而SiCp體積含量較多時，微米SiCp/Al復合材料的抗壓強度開始下降，但亞微米SiCp/Al復合材料的抗壓強度仍在增加，由力學性能測試結果可見亞微米SiCp具有明顯的超微粒子增強效應。
　　 從SiCp/Al復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復合材料的斷裂機制既有以SiCp/Al交界面

5、的減聚力而萌生空洞，隨后空洞生長、聚集而斷裂，形成韌窩，然后聯合而發(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力集中，產生空洞，隨后空洞生長、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。
　　 摩擦學性能研究表明，在本研究的載荷范圍內，復合材料的磨損機制是粘著磨損、微切削和剝層的共同作用，SiCp對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、復合材料的耐磨性增加；5％volSiCp(130nm)/Al對對磨件的磨損量很小，同載荷下僅為SiCp(14μm)/Al復合材料的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。
　　 無論純Al還是SiCp/Al復合材料，其摩擦表面都存在富Fe機械混合層，機械混合層對減少SiCp脫落和粘著現象是有利的，但層內有分層現象，脆性大，易開裂剝落。
　　 在150

7、N載荷下，SiCp/Al與純Al五種材料的摩擦系數均隨時間的增加呈下降趨勢，并趨于穩(wěn)定；純Al的起始摩擦系數和穩(wěn)定摩擦系數均最小，且其跑合期也最短；隨時間的增加，摩擦系數的穩(wěn)定值隨SiCp的含量和粒度的增加而增加，而且SiCp(14μm)/A1的摩擦系數均大于SiCp(130nm)/Al和純Al。SiCp/Al與純Al的磨損量隨時間延長而增加，12小時后，5％volSiCp(130nm)/Al和5％volSiCp(14μm)/Al的磨損

8、增幅明顯小于其他材料，達24小時時，5％volSiCp(130nm)/Al的磨損量已小于1.5％volSiCp(14μm)/Al?？梢酝普摚谳^小載荷條件下，超微粒子對抗疲勞磨損有一定的增強效應，5％volSiCp(130nm)/Al的抗疲勞磨損性能有優(yōu)于1.5％volSiCp(14μm)/Al的趨勢。
　　 分形研究表明，復合材料磨損表面具有分形特性，分形維數D越大，輪廓曲線越復雜，同時D與傳統(tǒng)的粗糙度評定參數輪廓算術平均偏差

9、、輪廓最大高度有一定的對應關系，但線性關系不明顯，因此不能相互取代。
　　 通過SiC/Al復合材料磨損表面形貌分形特性的試驗結果分析可知：磨損表面輪廓具有統(tǒng)計自仿射分形特性，SiCp/Al復合材料表面輪廓分形維數與磨損量具有一定的關系，D在某一范圍內，磨損量隨分形維數的增大而增大。根據Al、SiCp(130nm)/Al、SiCp(14um)/Al復合材料的磨損表面SEM形貌，也可以得出復合材料的磨損表面SEM形貌越精細，分形維