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原位合成Cu/FeS材料的反应机制与性能研究

梁娜  
【摘要】: 金属基固体自润滑材料是材料科学研究领域的一个重要发展方向,因其在特殊条件下具有优良的摩擦学特性而受到人们的广泛关注,对节约能耗,延长机械使用寿命及提高工作可靠性都有重要意义。FeS具有六方结构,是很好的固体润滑材料。 本文通过反应合成法采用分析纯CuS粉末、机械合金化制备的铁铜合金和工业电解铜粉为原料来制备Cu/FeS复合材料,经X—射线衍射分析和能谱分析表明合成的样品中含有Cu、FeS和Fe_2O_3三相。我们从热力学和动力学的角度研究了反应的机理,通过热力学计算表明该反应是可以自发进行的,同时对反应过程中Cu和Fe可能发生的氧化反应的吉布斯自由能及氧分压进行了计算,解释了生成Fe_2O_3的原因。通过对5%FeS反应过程的差热分析及电导率的测定,分析了反应的动力学过程,计算了反应的激活能。 在实验中,制备了三种不同成分的样品,理论生成FeS的百分含量分别为5%、10%和15%。随着FeS百分含量的提高,材料的致密度和电导率下降,而硬度提高。对合成的样品进行了热压及挤压加工,分析了不同阶段材料的显微组织和性能。从显微组织来看,经热压后,FeS颗粒聚集成片状,随着真应变的加大,FeS颗粒在基体中的分布逐渐弥散,在同一真应变下,FeS百分含量越大,第二相颗粒的弥散度越差。与热压相比,经挤压加工后,材料的致密度、电导率和硬度增大。拉伸试验结果表明:随着真应变的增大,材料的抗拉强度下降,延伸率略有提高。真应变为7.2的15%FeS样品经过热压后,进行了透射电镜分析及摩擦磨损实验研究,透射电镜分析结果表明,FeS的颗粒为球形,样品中存在大量的位错。 摩擦磨损实验通过改变载荷、滑动速度和材料的硬度来研究材料在不同条件下磨损量和摩擦系数的变化,研究了Cu/FeS复合材料的磨损机理。随着载荷的增大材料的磨损量和摩擦系数都增大;滑动速度的增大,会使材料的磨损量和摩擦系数降低;经退火的样品,由于硬度的降低,将加快材料的磨损。通过对Cu/FeS复合材料磨损后表面形貌的分析得知该材料的磨损机制主要以粘着磨损和磨粒磨损为主。


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