原位自生TiB2/ZL203铝基复合材料的干摩擦磨损行为研究

论文摘要

颗粒增强铝基复合材料以其优异的物理和力学性能，逐渐受到人们的广泛关注。特别是采用原位合成法制备的颗粒增强铝基复合材料，由于其具有耐高温、耐磨损、耐疲劳等优点，被认为是传统铸造耐磨材料的新选择，并已成为当前研究的热点。探索颗粒增强铝基复合材料的制备技术和研究其干摩擦磨损性能，对于颗粒增强金属基复合材料的设计制备具有理论意义和实用价值。本文探索了采用混合盐反应原位自生法制备原位自生TiB2颗粒增强ZL203铝基复合材料（以下简称原位自生TiB2/ZL203复合材料）的新方法，主要研究了原位自生TiB2颗粒对xTiB2/ZL203（x=2、6、8、10wt%）复合材料的铸态组织、力学性能及干摩擦磨损性能的影响，解决了外加颗粒增强铝基复合材料中由于组织不均匀、晶粒粗大、界面污染等缺点，导致复合材料的各项力学性能指标不高及耐磨性能不好等问题。晶相组织分析和力学性能测试结果表明：xTiB2/ZL203复合材料中原位自生的TiB2颗粒尺寸细小，弥散分布于基体中。基体的晶粒尺寸随着TiB2颗粒含量的增加而明显减小，复合材料的组织得到细化。复合材料的硬度、抗拉强度和屈服强度随TiB2颗粒含量的增加而显著提高，但延伸率明显下降。当TiB2颗粒含量达到10%时，该复合材料的抗拉强度为433MPa，屈服强度为335MPa，硬度为238HV，较基体分别提高了66％、60％、118％；其延伸率为2.1%，较基体降低了75%。复合材料的断裂机制为微孔聚集型韧性断裂，强化机理为细晶强化、弥散强化、位错增殖强化和晶界强化。复合材料的室温干滑动摩擦磨损试验结果表明：随TiB2颗粒含量的增加，复合材料的耐磨性显著提高；随外加载荷的增加、滑动速度的提高及滑动时间的延长，复合材料的磨损量呈上升趋势，且TiB2颗粒含量越高，磨损量的增大趋势越不明显；复合材料的磨损量整体上低于基体合金。磨损表面、亚表面及磨屑的分析结果表明，基体和复合材料的磨损现象都是若干种摩擦机制综合作用的结果，随着摩擦条件的改变，材料的磨损机理也随之变化。基体ZL203合金的摩擦机制以粘着磨损为主，伴随有氧化磨损和剥层磨损；复合材料的摩擦机制以磨粒磨损为主，伴随有粘着磨损和剥层磨损。复合材料的耐磨性高于基体合金的原因在于TiB2增强颗粒的加入，TiB2颗粒在复合材料的摩擦过程中起着双重作用，在破裂失效前，起减轻基体粘着的作用；在脱落失效后，起加重磨粒磨损的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 铝基复合材料概述
• 1.3 颗粒增强铝基复合材料的制备方法
• 1.4 原位增强金属基复合材料的发展概况
• 1.4.1 颗粒增强金属基复合材料的发展现状
• 2颗粒增强金属基复合材料的发展现状'>1.4.2 TiB₂颗粒增强金属基复合材料的发展现状
• 1.5 原位增强金属基复合材料的干摩擦磨损性能研究现状
• 1.5.1 摩擦磨损理论
• 1.5.2 影响金属基复合材料磨损的因素
• 1.5.3 原位增强金属基复合材料的干摩擦磨损性能研究现状
• 1.6 研究的目的、意义及研究内容
• 1.6.1 研究的目的和意义
• 1.6.2 研究的主要内容
• 第2章 材料和试验方法
• 2.1 材料准备
• 2.1.1 基体材料
• 2.1.2 反应用盐
• 2.1.3 其它材料
• 2.2 试验设备和仪器
• 2.3 反应原理
• 2.4 试验方法
• 2.4.1 熔铸工艺
• 2.4.2 热处理工艺
• 2.4.3 干滑动摩擦磨损试验
• 2.5 材料的微观组织观察和力学性能测试
• 2.5.1 材料的化学成分检测
• 2.5.2 差热分析（DTA）试验
• 2.5.3 材料的物相分析
• 2.5.4 显微组织观察
• 2.5.5 静载拉伸试验
• 2.5.6 硬度测试
• 2/ZL203 复合材料的组织和力学性能'>第3章 原位自生TiB₂/ZL203 复合材料的组织和力学性能
• 3.1 复合材料的成分与相组成
• 3.1.1 复合材料的成分
• 3.1.2 复合材料的相组成
• 3.2 复合材料的铸态组织
• 2颗粒在基体中的分布和形态'>3.2.1 原位自生TiB₂颗粒在基体中的分布和形态
• 2颗粒对复合材料铸态组织的影响'>3.2.2 原位自生TiB₂颗粒对复合材料铸态组织的影响
• 2颗粒对复合材料组织的细化机理'>3.3 原位自生TiB₂颗粒对复合材料组织的细化机理
• 2颗粒对晶体形核的影响'>3.3.1 原位自生TiB₂颗粒对晶体形核的影响
• 2颗粒对晶粒生长过程的影响'>3.3.2 原位自生TiB₂颗粒对晶粒生长过程的影响
• 3.4 复合材料的室温力学性能
• 3.5 复合材料的断口形貌分析
• 3.6 复合材料的断裂机理分析
• 3.7 复合材料的强化机理
• 3.7.1 细晶强化
• 3.7.2 增强相的弥散强化
• 3.7.3 位错增殖强化
• 3.7.4 晶界强化
• 3.8 本章小结
• 2/ZL203 复合材料的干摩擦磨损性能'>第4章 原位自生TiB₂/ZL203 复合材料的干摩擦磨损性能
• 4.1 引言
• 4.2 试验过程
• 4.2.1 试样制备
• 4.2.2 试验设备
• 4.2.3 试验方案
• 4.3 试验结果与分析
• 4.3.1 基体合金和复合材料磨损数据分析
• 4.3.2 基体合金和复合材料磨面形貌分析
• 4.3.3 基体合金和复合材料磨屑形貌分析
• 4.3.4 基体合金和复合材料亚表层形貌及面扫描结果
• 4.4 本章小结
• 第5章 摩擦磨损机理分析
• 5.1 引言
• 5.2 不同摩擦条件下的摩擦机制
• 5.2.1 不同载荷条件下的摩擦机制
• 5.2.2 不同滑动时间下的摩擦机制
• 5.2.3 不同滑动速度下的摩擦机制
• 5.3 摩擦表面材料转移层分析
• 5.4 磨损亚表层分析
• 5.4.1 亚表层面扫描结果分析
• 5.4.2 亚表层中裂纹的形成原因
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢