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上海交通大学
硕士学位论文
SiC颗粒增强铝基复合材料干摩擦磨损的研究
姓名:康立忠
申请学位级别:硕士
专业:材料学
指导教师:张荻
20080101
摘要
本论文采用 7A04 超硬铝合金作为基体,选用 SiC 颗粒作为复合材料增强相,采
用搅拌铸造法,制备出四种不同 SiC 颗粒百分含量和尺寸的 SiCp/Al 复合材料[MMC1
(7Wt%,10µm),MMC2(14Wt%,10µm),MMC3(14Wt%,30µm),MMC4(20Wt%,
30µm)]。采用 MMW-1 型立式万能摩擦磨损试验机对比研究了复合材料和 40Cr 在
不同外加载荷[5N()、10N()、20N()、30N()]
和滑动速度[(、 m/s、 m/s)]下的室温和高温干磨擦磨损性能(室温、
100℃、150℃、200℃、250℃),并通过扫描电子显微镜和能谱分析研究了 SiCp/Al
复合材料表面磨损形貌、磨损表面成分、磨屑形貌及成分和截面微观形貌,探讨了
其磨擦磨损机理与材料微观组织和性能的关系。
通过本研究可以得出以下主要结论:常温下,滑动速度在 ~ 范围内,
速度的变化对材料的磨损率和摩擦系数的影响都不明显。复合材料的摩擦系数变化
小于 ,磨损率的变化小于 1×10-8m。外加载荷对材料的磨损率影响非常显著,
存在着明显的从轻微磨损向严重磨损转变的临界载荷值。而且该临界载荷受到材料
本身特性的影响,例如 SiC 增强颗粒的尺寸和百分含量。试验数据证明,SiC 颗粒尺
寸在 10~30µm 范围内,颗粒尺寸越大,临界载荷越大;SiC 颗粒百分含量在 7%~20%
范围内,百分含量越大,临界载荷越大。和 40Cr 相比,四种复合材料的常温耐磨擦
磨损性能均优于 40Cr,其中 MMC2~MMC4 耐磨损性能都较大幅度优于 40Cr,MMC1
和 40Cr 的耐磨损性能相近。在低速滑动阶段 40Cr 磨损率较 MMC1 高 ×10-8m;
高速滑动阶段 40Cr 磨损率较 MMC1 低 ×10-8m。中低载荷阶段,40Cr 和 MMC1
耐磨损性能相近;在高载荷阶段,40Cr 磨损率较 MMC1 高 2~3×10-8m。
在高温试验中,温度对四种复合材料的耐磨性能影响较大,试验温度从常温~250
℃,四种复合材料的磨损率都随温度的增加而增加,其中 MMC1 在 250℃下磨损率
比常温时增加了近一个数量级。四种复合材料的磨擦系数随温度增加而增加,变化
趋势和磨损率相似。四种复合材料存在着明显的从轻微磨损到严重磨损的临界转变
i
温度,该临界转变温度受众多因素影响。外加载荷越大(5N~30N 范围内),该临界
转变温度越小;SiC 增强颗粒含量越多(7%~20%范围内),该临界转变温度越大;
SiC 增强颗粒尺寸越大(10µm~30µm 范围内),该临界转变温度越大。
常温下,本试验所用颗粒增强铝基复合材料的磨损机理,可以分为三个阶段:(1)
第一阶段,轻微磨损阶段,主要以磨砺磨损为主;(2)第二阶段,机械混合层形成
阶段,主要以黏着磨损,氧化磨损为主;(3)机械混合层剥落期,主要以剥层磨损
为主。高温条件下,磨损机理和常温时基本相同,只是每个阶段的进程都加快了,
材料磨损前期以黏着磨损为主,后期以氧化磨损和剥层磨损为主,而且后期形成明
显的机械混层,且该机械混合层厚度明显大于常温条件下,通过显微硬度也能证明,
并且在 MML 层下还分布有一定深度的硬化层,其深度在 40~60µm 之间,硬度比基
体大 10~15HV。


关键词:SiC 颗粒增强铝基复合材料,干摩擦磨损,高温磨损,滑动磨损,摩擦学
ii
ABSTRACT
In the present paper, taking 7A04 superhard aluminum alloy as matrix, selecting SiC
particle as reinforcement to prepare 4 different kinds of MMCs (Metal posites)
by Agitation Casting--MMC1(7Wt%, 10µm), MMC2 (14Wt%, 10µm), MMC3 (14Wt%,
30µm), MMC4 (20Wt%, 30µm). By using the MMW-1 abrasion testing machine to study
the tribological