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SiC_p/Al复合材料摩擦学特性及其分形研究

戈晓岚  
【摘要】:本文采用“冷压烧结+热挤压”的粉末冶金方法制备出Al/SiCp (130nm)、Al/SiCp (14μm)复合材料,研究其制备工艺、力学性能。采用Leica MEF4M型光学显微镜,观察增强相分布、组织致密性;采用配有AN10000型X射线能谱仪的JXA-840A型扫描电镜,观察分析拉伸试样断口表面、摩擦磨损表面和摩擦磨损亚表层等;研究了SiCp/Al复合材料摩擦磨损性能特征、机理及SiCp尺寸、含量的影响规律;亚微米SiCp超微粒子的增强效应。 本文采用WYKO NT1100型非接触光学轮廓仪,观察分析试样磨损表面三维形貌,并采用德国生产的Perthometer S3P表面粗糙度仪测量试样表面粗糙度,采集的数据作为分形研究的原始数据。在深入分析现有分形维数测定方法的基础上,应用W-M函数模型作为模拟磨损表面轮廓分形模型;用结构函数法作为计算分形维数的方法,研究实测样块磨损表面轮廓的分形特征及分形维数D与传统粗糙度参数的关系。 本研究选用SiCp大小为14微米和130纳米两种,其含量选用1.5vol%和5vol%,以研究不同粒度范围增强效应(机理)及其对复合材料力学及摩擦学性能的影响,Al粉的粒度为100-200目(约75-150微米)。 SiCp/Al系复合材料性能测试表明,抗拉强度随SiCp体积含量的增高而增加,伸长率则随SiCp体积含量和尺寸的增加而减小,SiCp/Al系复合材料均具有良好的塑性,亚微米SiCp/Al的抗拉强度、抗压强度和伸长率均优于纯Al和微米SiCp/Al;在SiCp含量较少时,随SiCp尺寸增加,其抗压强度增加;而SiCp体积含量较多时,微米SiCp/Al复合材料的抗压强度开始下降,但亚微米SiCp/A 1复合材料的抗压强度仍在增加,由力学性能测试结果可见亚微米SiCp具有明显的超微粒子增强效应。 从SiCp/Al复合材料拉伸断口形貌,可得出断口呈韧性特征,随SiCp含量和尺寸的增加,其韧窝尺寸增大。SiCp/Al复合材料的断裂机制既有以SiCp/Al交界面的减聚力而萌生空洞,随后空洞生长、聚集而断裂,形成韧窝,然后联合而发展致基体合金撕裂为主要方式断裂;也有因SiC颗粒的脆断引起的应力集中,产生空洞,随后空洞生长、聚集诱发裂纹而断裂。且随SiC颗粒尺寸的增加,第二种断裂倾向增加。 摩擦学性能研究表明,在本研究的载荷范围内,复合材料的磨损机制是粘着磨损、微切削和剥层的共同作用,SiCp对材料粘着磨损有一定的抑制作用;随着SiCp粒度和含量的增大,粘着磨损减弱,SiCp/Al基复合材料的耐磨性增加;5%volSiCp (130nm)/Al对对磨件的磨损量很小,同载荷下仅为SiCp (14μm)/Al复合材料的1/2-1/8,是中低载荷下较理想的耐磨材料;5 vol%SiCp (14μm)/Al是较高载荷下较理想的耐磨材料。 无论纯Al还是SiCp/Al复合材料,其摩擦表面都存在富Fe机械混合层,机械混合层对减少SiCp脱落和粘着现象是有利的,但层内有分层现象,脆性大,易开裂剥落。 在150N载荷下,SiCp/Al与纯Al五种材料的摩擦系数均随时间的增加呈下降趋势,并趋于稳定;纯Al的起始摩擦系数和稳定摩擦系数均最小,且其跑合期也最短;随时间的增加,摩擦系数的稳定值随SiCp的含量和粒度的增加而增加,而且SiCp(14μm)/Al的摩擦系数均大于SiCp(130nm)/Al和纯Al。SiCp/Al与纯Al的磨损量随时间延长而增加,12小时后,5%volSiCp(130nm)/Al和5%volSiCp(14μm)/Al的磨损增幅明显小于其他材料,达24小时时,5%vol SiCp(130nm)/Al的磨损量已小于1.5%volSiCp(14μm)/Al。可以推论,在较小载荷条件下,超微粒子对抗疲劳磨损有一定的增强效应,5%volSiCp(130nm)/Al的抗疲劳磨损性能有优于1.5%volSiCp(14μm)/Al的趋势。 分形研究表明,复合材料磨损表面具有分形特性,分形维数D越大,轮廓曲线越复杂,同时D与传统的粗糙度评定参数轮廓算术平均偏差、轮廓最大高度有一定的对应关系,但线性关系不明显,因此不能相互取代。 通过SiCp/Al复合材料磨损表面形貌分形特性的试验结果分析可知:磨损表面轮廓具有统计自仿射分形特性,SiCp/Al复合材料表面轮廓分形维数与磨损量具有一定的关系,D在某一范围内,磨损量随分形维数的增大而增大。根据Al、SiCp(130nm)/Al、SiCp(14μm)/Al复合材料的磨损表面SEM形貌,也可以得出复合材料的磨损表面SEM形貌越精细,分形维数亦趋于增大。因此表面轮廓分形维数可以作为颗粒增强金属基复合材料表面质量评价。 研究表明,结构函数法是计算分形维数一种有效的方法;复合材料磨损表面的分形研究,是摩擦学研究的有效辅助手段;借助测量材料磨损表面分形维数来预测材料的磨损存在一定的可行性。


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