lizhenhua毕业论文(4)(5)

1第一章绪论1.1课题来源及研究意义随着科学技术不断发展，现代社会对材料综合性能的要求越来越高，尤其在航空航天、汽车工业、精密仪器等工业领域。在这种背景下，颗粒增强铝基复合材料以其具有高比强度、比刚度、低热膨胀系数、良好耐磨性能等优异性能受到各国科研机构及人们的广泛关注和研究。至今，在很多实际应用中，亦有不俗的表现，取得了良好的社会效益和经济效益。我们这里主要颗粒增强铝基复合材料在较高抗腐蚀性和耐磨性上的应用，主要表现在将铝基复合材料应用在输送管道和刹车轮、活塞等需要搞耐磨性的重要部件。同时随着国家的大兴节水灌溉工程，需要大量的配套设备，包括喷灌机具、管材、灌水器、过滤器和防渗塑膜等，但是由普通铸铁、铝合金、黄铜等传统材料制备出来的配套设备都存在没有很好的稳定摩擦性能，使用寿命都比较短等缺点，尤其是在我国条件恶劣的干旱地区使用时段时间内就要更换，大大地增加成本，对于发展一系列低成本、高性能、寿命长的新型材料是国家迫切的要求。本论文主要是结合国家自然基金项目“高矿化度水质下三氧化二铝颗粒增强铝锰合金复合材料的冲蚀腐蚀机制研究”，批准号：（50861008），通过对颗粒增强铝基复合材料的摩擦磨损性能进行了研究，初步分析了相关的实验现象，为进一步的研究工作奠定基础。本文通过研究铝锰合金以及以它为基体添加Al2O3作为增强体制备的颗粒增强铝基复合材料的摩擦磨损性能，了解材料的摩擦磨损行为以及磨损机制，分析影响材料摩擦磨损性能的主要因素，以期寻找提高材料摩擦磨损性能的途径，扩展材料的使用领域。目前颗粒增强铝基复合材料在军用和民用领域正在发挥着越来越重要的作用。对于航空航天、先进武器系统、医疗器械、汽车工业、电子工业、精密仪器以及和体育用品等方面，颗粒增强铝基复合材料亦有不俗的表现，取得了良好的社会效益和经济效益[3]。在我国干旱的地区使用大量的节水灌溉部件，每年因摩擦所造成的磨损很大，我们希望在不久2的将来由颗粒增强铝基复合材料制成的节水灌溉部件。1.1铝锰合金应用及研究现状1.1.1铝锰合金性能及应用纯铝的力学性能不高，不适宜制作承受较大载荷的结构零件。为了提高铝的力学性能，在纯铝中加入某些合金元素制成铝合金，铝合金仍保持纯铝的密度小和抗腐蚀好的特点，而力学性能比纯铝高的多[1]。铝合金可以分为变形铝合金和铸造铝合金[2]。由于本文的需要，主要研究变形铝合金内容。目前主要的变形铝合金如表1.1所示，变形铝合金主要通过熔炼注成铸锭后，再经热挤压加工形成各种型材、棒材、管材和板材来使用。常用变形铝合金中合金元素含量比较低，这样合金中就不会有过多的脆性第二相，影响合金的冷热加工工艺性能[3]。表1.1主要的变形铝合金的成分、特点及型号[4]变形铝合金不能热处理强化铝合金防锈铝Al-Mn抗蚀性、压力加工与焊接性能好、但强度较低3A21Al-Mg5A05可热处理强化铝合金硬铝Al-Cu-Mg力学性能高2A11、2A12超硬铝Al-Cu-Mg-Zn室温强度最高7A04、7A09锻铝Al-Mn-Si-Cu锻造性能好耐热性能好2A14、2A502A70、2A80Al-Cu-Mg-Fe-Ni在铝合金系列中，3XXX系Al合金也就是铝锰系合金，应用的比较广泛，锰是合金中唯一的主合金元素，常见的3XXX系Al合金的牌号和化学成分如表1.2所示[4]。表1.2常见Al-Mn合金的牌号和化学成分（质量分数%）牌号SiFeCuMnMgZn30030.60.70.05~0.201.0~1.50.130040.30.70.251.0~1.50.8~1.30.2530050.60.70.301.0~1.50.2~0.60.2531050.60.70.300.3~0.80.2~0.80.253图1.1铝锰二元相图从Godeeke和Koster给出的铝锰二元相图[6]中可以看出：随着合金中锰含量的降低，合金熔点逐渐下降，基本下降到共晶温度6580C，由于我论文中只要研究的锰含量在1.0%左右的变形性铝锰合金，在这个Mn含量主要经历的是铝锰间共晶作用。在658.5℃共晶温度时，Mn在Al中的最大溶解度为1.82%，随着锰含量的增加，Al-Mn合金强度不断增加，同时Al-Mn合金是非时效硬化合金，即不可热处理强化[7]。虽然Al-Mn合金的强度是随着Mn含量的增加而提高，但是现代工业中用的Al-Mn合金只含有质量分数为1.0%~1.6%的Mn，因为这时不但Al-Mn合金具有高强度，而且有良好的塑性和工艺性能；当Mn含量超过1.6%时，采用常用铸造方法制备的Al-Mn合金会形成粗大、硬脆的Al6Mn化合物,其力学性能和塑性急剧下降，严重得影响合金的机械性能和加工工艺性能[8]；当Mn含量过低则会明显降低制品的力学性能。有这一现象的主要原因是：锰元素能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，形成MnAl6化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻止作用，同时也起到细化再结晶晶粒。合金的再结晶温度随着Mn含量的增加相应地提高，4由于铝锰合金具有很大的过冷能力，因此在快速冷却结晶时，产生很大的晶内偏析，Mn的浓度在枝晶的中心部位低，而在边缘部位高，当冷加工产品存在明显的Mn偏析时，在退火后易形成粗大晶粒[9]。总的来说，只要把锰的含量控制在1.0%~1.6%范围里，这样锰元素的加入还可以提高铝合金的力学性能而又不会使铝合金的耐蚀、导电、导热性、加工性和抗腐蚀性等下降，所以Al-Mn合金也被广泛地应用于包装材料、热交换材料、感光材料、装饰材料、焊接材料等各个方面[3]。1.1.2铝锰合金的研究进展由于铝锰系合金特点，生产和生活中应用很广。近些年来，随着进一步的研究，铝锰合金的性能得到进一步的提高，同时开发利用取得了深层次的、多方面的发展。主要的研究方面：（1）铝锰合金中其它元素的影响[10]Fe：Fe能溶解于MnAl6中形成（FeMn）Al6化合物，从而降低Mn在Al中溶解度。在合金中加入0.4%-0.7%Fe，但Fe+Mn要保证不大于1.85%，可以有效地细化板材退火的晶粒，否则，形成大量的粗大片状（FeMn）Al6化合物，会显著降低合金的力学性能和工艺性能。Si：Si是有害杂质，Si与Mn形成复杂三元相三元相T(Al12Mn3Si2),该相也能溶解Fe，形成（Al、Fe、Mn、Si）四元相。若合金中Fe和Si同时存在,则先形成骨骼状α相(Al12Mn3Si2)或针状β相(Al9Fe2Si2),破坏了铁的有利影响。故合金中的Si应控制在0.6%以下[11]。Cu：合金中含有0.05%-0.5%Cu，可以显著提高其抗拉强度，但含量少量的Cu（0.1%），便能使合金的耐蚀性能降低，故合金中Cu含量应控制在0.2%以下。Mg：少量的Mg（=0.3%）能显著地细化铝锰合金退火后的晶粒，并稍许提高其抗拉强度。但同时也损害了退火材料的表面光泽。稀土元素：稀土元素直接影响着合金再结晶过程，由于稀土元素占据合金点阵中锰元素的位置，使得更多锰以化合物形式析出，(FeMn)Al6相增多，锰在合5金中的固溶含量相对降低,使合金再结晶温度降低，同时加速了再结晶过程，使合金再结晶过程提前[3]。（2）晶粒细化晶粒细化是对材料的综合性能提高有积极的作用，为了改善和提高铝锰合金的性能,开发了多种晶粒细化的方法。至今，主要的晶粒细化方法有：外来形核质点法(如添加Al-Ti-B、Al-Ti、Al-RE、Al-B等)；内生形核法(如快速凝固法、电磁作用、超声波振动、径转角挤压(ECAP)法等)[12-13]。一般加入到铝锰合金中细化剂主要是Al-Ti合金、Al-Ti-B合金等。铁、锰可使钛在铝中的溶解度减小,钛过量很容易对合金的性能造成不良影响,故一般钛的含量小于0.15%。加细化剂Al-Ti-B中间合金时,合金中的金属间粒子TiAl3、TiB2和(Al,Ti)B2起异质形核中心的作用,最终形成细小的等轴晶,这些粒子的大小及分布对合金的细化能力起着决定性的作用。在这一些方法中，对于铝合金,等径转角挤压(ECAP)法是优于其他方法。其原理是利用两个相交的等径通道组成的挤压模具，使金属获得最大的塑性纯剪切应变。等径转角挤压法制备的铝锰合金随后经适当的热处理工艺处理后，就可以将铝锰合金的晶粒细化到0.1μm以下,显著地提高铝锰合金的硬度及强度，并且细化晶粒保持较高的热稳定性，同时等径转角挤压方法可用于大规模的生产过程[14]。1.2颗粒增强铝基复合材料研究进展1.2.1颗粒增强铝基复合材料的发展及应用a.铝基复合材料的发展由两种或两种以上不同性质的单一材料,经一定的复合方法所得到多相材料称作复合材料[15]，而铝基复合材料主要是以铝合金为基体相中加入增强相。这样可以各相之间相互协同、取长补短，由高强度、高模量的强化相来提高铝合金的硬度，耐磨和耐高温等性能，同时保存原有铝合金的性能，综合性地提高材料6的物理性能和力学性能。纵观铝基复合材料的发展，从增强相看，最先研究的是硬质颗粒（SiC颗粒、WC颗粒、A1203颗粒等），再次为晶须和纤维（C纤维、SiC晶须等）；从增强相加入的方式看，最先研究的是强制加入，到后来的原位生成，制造技术难度也越来越大，材料综合性能越优良[16]。b.颗粒增强铝基复合材料的应用由于铝基复合材料具有良好的综合性能，在很多领域得到广泛应用，如在汽车工业、航空航天、电子等领域。由于理论和技术的日渐成熟，铝基复合材料产品在一些领域已经商业化或正在商业化开发。(1)在汽车工业中的应用：随着汽车工业的发展，对材料的性能的要求越来越高，具有良好的机械性能还保持材料轻量化的特点。由于铝合金是传统的轻质材料，相对应的铝基复合材料也保持轻质的特点，同时还具有需要良好发热耐磨、抗腐蚀、耐热和尺寸稳定性，所以现在的颗粒增强和短纤维增强的铝基复合材料被广泛得用于汽车工业。汽车工业的发展，对材料的要求，这就为铝基复合材料的发展提供了广阔的应用前景[15]。1983年日本丰田公司利用Al2O3∕Al复合材料制备了发动机活塞[16]，比传统铸铁发动机活塞重量减轻了5%-10%，热导性提高了4倍，开启了铝基复合材料进入汽车工业的大门，开始大力研究铝基复合材料的活塞、缸套、连杆和销钉等部件。利用SiCP/Al或SiC/Al复合材料成功地制造了上述的零件，其结果表明新型的铝基复合材料在耐磨性能、降噪性能、散热性能上均比原用材料有很大改善[17-18]。由于铝基复合材料像铝合金一样具有良好的耐腐蚀性，我国正利用铝基复合材料于摩托车刹车箍上,可以减少因腐蚀而减低刹车效率，同时取得了减轻重量的效果。(2)在航空航天及军工领域的应用：铝基复合材料不会出现高分子复合材料常见的老化现象和在高真空条件下释放小分子的特点，克服了树脂基复合材料在航宇领域中的使用时存在的缺点，成为各国高新技术研究开发的重要领域。76061Al合金/石墨纤维P100板材扩散连接而成的Gr/Al复合材料Hubble太空望远镜的高增益天线悬架。采用无压渗透法制备的碳化硅颗粒/铝基复合材料的热导率可高达180W/(m*K)，从而降低了电子模块的工作温度，减少了冷却的需要，所以被广泛的应用到欧洲“台风”战斗机、EA-6B“徘徊者”预警机、ALE-50型诱饵吊舱等航空器，以及摩托罗拉铱星、火星“探路者”和“卡西尼”深空探测器等航天器中。美国ARCO化学公司所属的先进复合材料分公司ACMC生产的30%-35%。SiC/2024A1复合材料，抗拉强度达800MPa，屈服强度达690MPa，弹性模量高于150GPa，都大大高于基体合金，且热膨胀系数很低，可用来代替Al合金、Ti合金等制造各种飞机结构件，如直升飞机起落架、翼前缘加强筋和大的通用J下弦形梁。(3)在电子器件、精密仪器和光学仪器中的应用：SiC／Al基复合材料热膨胀系数和密度低，导热性能良好，因此己用来制造电子器材、散热片等电子器件。美国亚利桑那大学研制了一种超轻空间望远镜，采用SiC／A1复合材料制造行架，支架、和副镜等，使重量大大减轻。此外，现己用复合材料制造出了惯性导航系统的精密零件、旋转扫描镜、红外观测镜、激光镜