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界面对纤维增强铝硅合金复合材料耐磨性的影响
收录时间:2022-11-25 22:56:09  浏览:0
界面对纤维增强铝硅合金复合材料耐磨性的影响 刘 政 刘小梅 南方冶金学院 教务处 江西 赣州341000 摘 要 利用挤压铸造制备了氧化铝纤维增强铝硅合金复合材料 研究了这种材料的界面对其耐磨性的影响 结果表明 在复合 材料中 纤维与基体结合良好 并对铝硅合金具有增强作用 复合材料的界面可阻滞裂纹扩展 基体中的合金元素有利于形成良好 的界面 改善复合材料的耐磨性 关键词 界面 复合材料 纤维 铝硅合金 耐磨性 Effects of Interface on Wear Resistance of Fiber Reinforced Aluminum2silicon Alloy Composites LIU Zheng LIU Xiao2mei Southern Institute of Metallurgy Ganzhou341000 Jiangxi China Abstract A alumina short fibre reinforced aluminum2silicon alloy composite is manufactured by squeeze casting The effect of the composite s interface on its wear resistance is studied The results show that the fibre has a reinforcing effect on the alloy due to its good combination with the alloy s matrix The composite s interface can prevent cracksfrom propagating and the al2 loy elements in the matrix are favourable to formation of good interface to improve the composite s wear resistance Key Words interface composite fiber aluminum2silicon alloy wear resistance 铝硅合金具有良好的铸造性能 且与各种增强体 的相容性好 是铝基复合材料中广泛应用的基体合金 20世纪80年代初 日本首先将氧化铝短纤维增强铝 硅合金复合材料用于制造汽车发动机活塞 有效地改 善了活塞的耐磨性 抗咬合性和高温强度 1 我国亦 开展了这种复合材料的研究 在应用方面也取得一定 的成绩 2 关于纤维增强铝合金复合材料的耐磨性已 做过许多研究 但是很少涉及到纤维与基体之间的界 面对复合材料耐磨性的影响 在纤维增强铝合金复合 材料中 纤维与基体之间界面的比表面积很大 可高达 数百mm 2 mm 3 这对复合材料的性能是至关重要的 已有研究 3 5 表明 界面的特性对纤维增强铝合金复 合材料的拉伸性能 疲劳性能等有极大影响 而界面对 纤维增强铝合金复合材料的耐磨性的影响 报道不多 Bhansali等人的工作已表明 在Al2O3 Al和SiC Al复合 材料中 前者较后者具有更好的耐磨性 原因是SiC Al 的界面状况不如Al2O3 Al的 界面上存在一脆性层 6 影响了SiC Al复合材料的耐磨性 可见 纤维 基体的 界面对复合材料的磨损过程确有影响 研究纤维增强铝合金复合材料的界面在材料磨损 时的作用 对于改善材料性能 探讨新的耐磨机制无疑 具有积极意义 本文讨论了磨损过程中氧化铝纤维增 强铝硅合金复合材料的界面对材料耐磨性的影响 1 实验过程 1 1 实验材料与试样制备 实验所用纤维为国产氧化铝短纤维 含有80 的 Al2O3 其余为SiO2 纤维直径为3 5 m 纤维长度为 2 20 mm 以铝硅系合金为基体合金 1号合金为 w Si 12 1 的铝硅二元合金 2号合金是在1号合 金基础上添加了0 8 1 5 的镁 铜和镍等合金元 素 这2种合金在液态时都具有良好的流动性 用挤压铸造制备氧化铝纤维增强铝硅合金复合材 料 先将短纤维制成圆柱形的纤维预制件 经干燥 预热 后 置入模具中 在适当的工艺条件下使液态铝硅合金浸 渗纤维预制件 凝固 ***后 可获得纤维体积率 Vf 为 8 24 的氧化铝纤维增强铝硅合金复合材料 1 2 性能检验与磨损试验 利用金相显微镜和扫描电镜观察氧化铝纤维增强 铝硅合金复合材料的显微组织 纤维分布 纤维与基体 第23卷第3期 2003年06月 矿 冶 工 程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol 23 3 June 2003 收稿日期 2002212208 第一作者 男 教授 工学硕士 1995 2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 的界面 用电子探针分析界面微区成分 在HB 3000 型布氏硬度计上和HX 1000型显微硬度计上测试了 复合材料的硬度 在XP 200型磨损试验机上进行磨损试验 复合 材料及基体材料加工成 34 mm 7 mm的圆环试样 对磨件为 34 mm的圆环 材料为38CrMoAl 经氮化处 理 硬度为HRC65 摩擦时滑动速度为0 5 m s 磨损 时间为45 min 载荷为20 40 80 N 用20号机油润 滑 取各种条件下3次试验结果的平均值作为磨损 值 用扫描电镜观察和分析摩擦表面 2 实验结果 2 1 复合材料的显微组织与界面 用金相显微镜对2种基体的复合材料试样进行了 观察 结果表明在2种基体的复合材料中 都可见纤 维在基体中分布均匀 部分硅相依附在纤维表面形核 长大 见图1 这表明利用挤压铸造制备氧化铝纤维增 强铝硅合金复合材料是可行的 氧化铝纤维与硅相之间 存在一定的共格界面 为硅相的非自发形核提供了衬 底 7 可细化硅相尺寸 有利于改善复合材料的性能 利用扫描电镜对复合材料做了进一步的观察 结 果表明在1号合金基体中 纤维与基体接触紧密 两者 图1 复合材料的显微组织 图2 1号合金复合材料的界面 图3 2号合金复合材料的界面 间的界面清晰 在界面上未见发生化学反应的迹象 见 图2 文献 8 研究了氧化铝短纤维 铝硅合金复合材 料 认为如果基体是铝硅二元合金 在界面上所发生的 只是纤维表层中的二氧化硅的还原 结果有利于基体 合金中的初生硅和共晶硅在纤维表面形核长大 9 图 3是2号合金基体复合材料的铸态组织及其界面 图 3与图2相比较 在纤维 基体界面上有较明显的化学 反应迹象 Marumo和Pask等人 10 认为在陶瓷增强金 属复合材料中 适当的化学反应能够促进金属润湿陶 瓷 从图3可见在2号合金基体复合材料的界面上发 生了化学反应 由于2号合金中含有一定量的镁 铜 等合金元素 许多研究工作 3 5 8 11 都指出 在复合材 料的制备过程中 基体中的镁等合金元素优先吸附在 纤维 铝液界面上 进行化学反应 形成一些新相 以减 少固液界面能 利于铝液润湿纤维 用电子探针对复 合材料的界面做了微区成分分析 结果表明在纤维周 围富 集 了 镁 铜 等 界 面 上 产 生 了 镁 铝 尖 晶 石 MgAl2O4 等物相 8 至于合金元素镍 未检测到在界 面上富集 过去的研究结果亦表明镍不会吸附在纤维 铝液界面上 8 但可与铝 铜等元素形成复杂化合物 呈骨骼状分布在晶界上 对基体起强化作用 可从另一 方面改善材料的硬度和耐磨性 2 2 复合材料的硬度 硬度是衡量金属表面抵抗局部压入变形或刻划破 裂的能力 对复合材料来说 它可以直观地反映增强 体 如纤维 与基体的复合状况 复合良好 增强体可 起到增强作用 且增强体加入量越多 复合材料的硬度 愈高 反之 则低 表1列出了不同Vf的复合材料与 基体的硬度 表2列出了氧化铝纤维增强铝硅合金复 合材料组成物的显微硬度 由表1和表2可看出 尽 管铝合金较软 但是氧化铝纤维的硬度很高 与基体复 合后 复合材料的硬度较铝合金的硬度显著提高 而且 66矿 冶 工 程第23卷 1995 2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 无论哪种基体的复合材料 随着Vf的增加 复合材料 的硬度都增高 表1 复合材料与基体的硬度 HB Vf 1号合金2号合金 056 6102 8133 15105148 24159 表2 复合材料组成物的显微硬度 HV Al2O3纤维Si相1号合金2号合金 1 2491 03166 1108 2 3 复合材料的磨损 图4是复合材料的磨损量 W与载荷的相互关 系 由图可见 复合材料较基体合金具有更优良的耐 磨性 随着载荷的增加 基体合金的磨损量迅速增大 而无论是哪种基体的复合材料 其磨损量增加很缓慢 图5是在不同载荷下 Vf对复合材料磨损率WR 单位 摩擦距离上的磨损失重 的影响规律 由图可见 在不 同载荷下 随着Vf增加 WR单调下降 而各条曲线的 下降趋势各不相同 载荷较大时 复合材料的WR随着 Vf的增加而下降的趋势较载荷小的时候更明显 这表 明氧化铝纤维增强铝硅合金复合材料相对于基体合金 在较大载荷作用下 具有更优良的耐磨性 3 讨 论 磨损是物体之间相互摩擦的必然结果 从热力学 角度来看 磨损过程是不可逆的 是一个能量消耗过 程 12 磨损时 由于摩擦副之间硬度的差异 由 剥层 理论 13 可知 较硬的对磨件在较软的磨损试样表面 滑动时 结果在磨损试样的亚表层产生较多的位错塞 图4 载荷与复合材料磨损量的关系 V f 15 图5 纤维体积率与复合材料磨损率的关系 积 并于一定条件下形成空*** 连续滑动时 磨损试样 在高的接触应力作用下 产生塑性流变 使空***增多和 *** 继而形成微裂纹 在接触应力持续作用下 这些 微裂纹要扩展 达到一定尺寸后 就会使裂纹上下的金 属脱离 形成层状磨屑 材料内部产生微裂纹后 裂纹 扩展的动力是裂纹形成时所释放出的弹性应变能 它 来源于摩擦过程中的能量转换 存储在材料内部 14 引起材料的弹 塑性变形 导致***产生 如空*** 微裂 纹等 并驱动这些***扩展 若裂纹扩展时 以某种机 制松弛裂纹前端所***的弹性应变能 以减小应力集 中程度 使裂纹钝化 裂纹就难以扩展 那么材料被剥 离破坏的程度可大大减轻 表现出较好的耐磨性 界 面是纤维增强复合材料极其重要的组成部分 它的传 递 吸收 阻挡等功能对材料的性能有极大影响 磨损 时 复合材料中的裂纹扩展将受到纤维 基体界面的阻 滞 因为裂纹前端的最大应力接近基体的抗拉强度 低于纤维的断裂应力 裂纹扩展至界面时 在应力集 中作用下 基体与纤维发生脱粘 改变了裂纹走向 沿纤 维表面纵向扩展 界面脱粘和基体中产生局部塑性变 形使应力集中得以松弛 界面脱粘还增加了断面表面 积 可吸收更多的弹性应变能 消耗裂纹扩展动力 使裂 纹扩展减慢或停止 显然 界面的这种耗能机制与界面 结合状况有关 纤维与基体结合得越好 界面的耗能作 用越强 可使材料不至于产生较大的 剥层 破坏 从而 表现了优良的耐磨性能 复合材料中纤维体积率越高 纤维 基体的界面越多 阻滞裂纹扩展的作用越大 复合 材料的耐磨性越好 见图 4 图4和表1显示了不同基体复合材料的磨损结果 和硬度 由图表可见 与1号合金基体的复合材料相 比 2号合金基体的复合材料具有更高的硬度和耐磨 性 复合材料的磨损量随着基体硬度的增高而降低 氧化铝纤维与铝合金基体的结合强度可用铝液润湿纤 76第3期刘 政等 界面对纤维增强铝硅合金复合材料耐磨性的影响 1995 2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 维的粘附功Wa来表示 Wa lg sg ls 其中 lg sg和 ls分别表示液相与气相 固相与气相和液相 与固相之间的界面张力 Wa越大 表示铝合金与氧 化铝纤维结合得越好 若将基体与纤维剥离 需消耗 更多的能量 在2号合金中 镁 铜 镍等合金元素不 但可强化基体 而且对形成良好的纤维 基体界面亦有 重要影响 制备复合材料时 镁 铜等合金元素还可富 集在界面上 进行化学反应 形成MgAl2O4 CuAl2O4等 新相 以减少固液界面能 增强氧化铝纤维与铝合金的 结合 3 5 8 在1号合金基体的复合材料中 TEM和 STEM研究的结果表明 纤维 基体界面上没有反应产 物存在 15 纤维 基体的界面结构主要是基体与氧化铝 纤维的机械嵌合 结合强度与氧化铝纤维和硅之间的 共格对应有关 8 界面发生脱粘时 2号合金基体的 复合材料可吸收更多的弹性应变能 材料被剥离破坏 的程度大大减轻 当Vf相同时 无论是在较小载荷 下 还是在较大载荷下 2号合金基体的复合材料都具 有优良的耐磨性 见图4 在Hitachi S 570扫描电镜上观察了复合材料的 磨损表面 图6是复合材料磨损表面的扫描电镜照 片 从图中可看出在磨损表面上分布较浅的犁沟和片 状磨屑 磨损表面象被层层剥离 图7是复合材料表 面上的纤维 基体界面的扫描电镜照片 在界面上可 观察到一些裂纹沿界面分布 可以推断 在摩擦力的 作用下 基体中的裂纹扩展至纤维 基体界面时 由于 界面脱粘改变了裂纹走向 并消耗了大部分的弹性应 变能 使裂纹扩展受阻或停止 材料的磨损程度大大减 轻 这种消耗裂纹扩展能量的机制是基体合金所不及 的 在性能上使得复合材料较基体合金具有更优异的 耐磨性 当纤维之间的基体在摩擦力作用下被剥离 后 纤维突出在磨损表面 支承对磨件 继续摩擦 载 荷就可能使纤维断裂或剥落 见图8 磨损表面变得 粗糙 表面能增大 从磨损的能量传递过程来看 这需 要吸收更多的摩擦能 亦有利于改善材料的耐磨性能 图6 复合材料的磨损面 图7 磨损面上的纤维 基体界面 图8 磨损面上的纤维 4 结 论 1 用挤压铸造法制备的氧化铝纤维增强铝硅合 金复合材料具有良好的显微组织 氧化铝纤维与基体 结合紧密 它们之间存在明显的界面层 2 氧化铝纤维对铝硅合金具有增强作用 随着纤 维体积率的增加 复合材料的硬度显著提高 3 磨损时 复合材料可通过界面消耗裂纹扩展能 量 阻滞裂纹扩展 减轻材料的破坏程度 与基体合金 相比 氧化铝纤维增强铝硅合金复合材料具有优异的 耐磨性 4 不同基体的氧化铝纤维增强铝硅合金复合材 料的磨损结果不一样 当基体为多元铝硅合金时 复合 材料的耐磨性更优良 这与基体中的合金元素参与了 化学反应并形成良好界面有关 参考文献 1 堂本忠 高性能 用 合金 自动车技术 1983 37 884 889 2 周彼德 佟国栋 氧化铝短纤维增强铝合金活塞性能的研究 铸 造 1991 8 5 9 3 Fishkis M Interface and Fracture Surfaces in Saffil Al2Mg2Cu Metal2ma2 trix Composites J Mater Sci 1991 26 2651 2661 下转第72页 86矿 冶 工 程第23卷 1995 2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co Ltd All rights reserved 4 结 论 1 对考虑外冷效应的铸轧辊套温度场进行了数 学描述 在铸锭铸轧时 辊套的热传导问题为一有限 域内的边值问题 2 运用Galerkin方法求得的铸轧辊套温度场的近 似分析解 使用较方便 精度满足工程要求 该结果不 仅可以应用于辊套的温度场分析 也可用于辊套的热 应力分析计算 参考文献 1 Ben QL Producing Thin Strips by Twin2Roll Casting2Part I Process As2 pects and Quality Issues JOM 1995 48 5 29 33 2 Shin Y K Kang T Reynolds T et al Development of Twin Strip Caster for Sheet Ironmaking and Steelmaking 1995 22 1 35 44 3 Ghosh M Sen N Paul A et al Development of Laboratory Scale Thin Caster and Investigation of Direct Casting of AISI 304 Stainless Steel Ironmaking and Steelmaking 2000 27 4 310 316 4 Nikolai Z Mihail V Wear of Roll Surface in Twin2roll Casingof 4 5 Si Steel Strip ISIJ 2000 40 6 589 596 5 G irgensohn A Buchner A R Tacke KH Twin Roll Strip Castingof Low Carbon Steel Ironmaking and Steelmaking 2000 27 4 317 323 6 K opp R Some Current Development Trends in Metal2forming Technology Journal of Materials Processing Technology 1996 60 1 1 9 7 钟 掘 超常物理场下材料制备机械的基础研究 中国机械工 程 2000 11 1 2 55 58 8 *** 蒋国昌 中国钢铁工业的现状和发展 中国工程科学 2000 2 7 1 9 9 Kang C G K in YD A Thermal Elastic2Plastic Finite2Element Analysis to Roll2Life Prediction on the Twin Roll Strip Continuous Casting Process Metallurgical and Materials Transactions B 1997 28 12 1213 1225 10 Saitoh T Hojo H Kang C G Two2Dimensional Model for Twin2Roll Continuous Casting Metallurgical and Materials Tranactions B 1989 20B 3 381 390 11 金珠海 赫冀成 徐广隽 双辊连续铸轧工艺中流场 温度场和 热应力场的数值计算 金属学报 2000 36 4 391 394 12 熊勇刚 云 忠 王桥医 等 快速超薄铸轧机铸轧辊变形热力 耦合计算 中国有色金属学报 2002 12 3 529 533 13 Straatsma E N K ool W H Katgerman L Heat Transfer in the Single2 Roll Strip Casting Process Light Metals 1999 919 923 14 Y iannopoulos A Ch Anifantis N K Dimarogonas A D Thermal Stress Optimization in Metal Polling Journal of Thermal Stresses 1997 20 569 590 15 Tseng A A T ong S Lin F H Thermal Stresses of Rotating Rolls in Rolling Processign Journal of Thermal Stresses 1989 12 427 450 16 Arvid B E Rudolf R Prospects of Thin Gauge High2speed Strip Casting Technology Light Metals 1994 1197 1203 17 高 志 肖 刚 钟 掘 外冷在铝材铸轧过程中的作用机理 中南工业大学学报 2001 32 2 192 195 18 Hsu P T Yang Y T Chen C K A Three2Dimensional Inverse Problem of Estimating the Surface Thermal Behavior of the Working Roll in Roll2 ing Process Transactionsof the ASME J Manu Sci and Eng 2000 122 2 76 82 19 Takeshi Y Hiroshi A Hiroshi K Heat Transfer and Roll Surface Tem2 perature in the Hot Rolling of Aluminum Sheet Transactions of the ASME J Tribology 1999 121 10 753 760 20 Ye X Samarasekera I V The Role of Spray Cooling on Thermal Behav2 ior and Crown Development in Hot2Strip Mill Work Rolls Iron and Steelmaker 1994 21 7 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