短纖維增強鎂基復合材料的組織、性能和摩擦學行為研究.pdf

1、在汽車輕量化和鎂合金日趨廣泛的應用背景之下，針對內(nèi)燃式發(fā)動機關鍵部件的服役要求，開展了缸套用鎂基復合材料的工藝開發(fā)、微結構表征、力學和摩擦學行為的研究，并進行了鎂合金單缸發(fā)動機缸體的小批量工業(yè)生產(chǎn)。具體的研究過程包括：以Mg-A1系壓鑄耐熱鎂合金和Mg-RE系耐熱鎂合金為基體合金，采用氧化鋁短纖維為增強相，通過擠壓鑄造工藝制備出短纖維增強鎂基復合材料。對鎂基復合材料的微結構表征和時效析出相進行鑒定，探討鎂基復合材料的強化機制。研究不同預

2、制件中粘結劑材質對復合材料微觀組織和性能的影響。研究鎂基復合材料在干滑動摩擦磨損和潤滑條件下的摩擦學行為，討論材料內(nèi)在特性和不同工況條件對鎂基復合材料磨損性能和磨損機理的影響。研究結果表明：
　　 通過優(yōu)化擠壓鑄造工藝，獲得的鎂基復合材料從宏觀組織中未發(fā)現(xiàn)預制件變形、開裂和成分偏析等缺陷，微觀組織上沒有發(fā)現(xiàn)纖維斷裂和劇烈的界面反應現(xiàn)象。復合材料的屈服強度相對基體合金有大幅提高，抗拉強度也有所提高。但復合材料的延伸率下降明顯，這也

3、是導致抗拉強度的增幅低于屈服強度增幅的原因。鎂基復合材料的蠕變性能明顯高于基體合金，所制備的復合材料具有良好的高溫穩(wěn)定性。
　　 短纖維增強鎂基復合材料的主要斷裂方式包括界面失效和纖維斷裂兩種。在原位拉伸掃描電鏡觀察中發(fā)現(xiàn)：裂紋起源于纖維與基體的界面，進一步的裂紋擴展主要取決于界面強度，弱界面強度主要為界面失效，強界面強度包括界面失效和纖維斷裂。氧化鋁粘結劑復合材料具有比氧化硅粘結劑復合材料更高的界面強度，因此其纖維與基體的界面

4、承載能力更強，更多的纖維在拉伸過程中發(fā)生了斷裂。
　　 AE44/Saffil復合材料的稀土合金化元素，例如Ce和La，主要呈顆粒狀和層片狀分別分布于界面附近和纖維之間的區(qū)域，經(jīng)元素分析和選區(qū)電子衍射分析分別為A12RE和AlnRE3相。含氧化硅粘結劑復合材料中的界面反應產(chǎn)物經(jīng)鑒定為MgO，為纖維表面的氧化硅粘結劑與鎂熔體的反應產(chǎn)物。含氧化鋁粘結劑復合材料中的界面反應幾乎可以忽略不計。
　　 NZ30K/Saffil-1

5、復合材料在175℃，200℃，和225℃的時效溫度下，達到峰時效的時間均比基體合金在相同溫度下要提前，峰時效的硬度增量與基體合金的峰時效硬度增量相當。T4熱處理（540℃固溶+水淬）對NZ30K/Saffil-1復合材料的強度和延伸率都沒有很大的改變，說明沒有發(fā)生明顯的界面反應現(xiàn)象。而T6熱處理（540℃固溶+水淬+200℃×2h油浴處理）對復合材料的屈服強度有明顯提升(129.88MPa到182.42MPa)，抗拉強度也高于基體合金(

6、212.77MPa到257.50MPa)。經(jīng)TEM和HRTEM觀察，發(fā)現(xiàn)峰時效的析出相為β”相，均勻地分布在基體之中，沒有沿纖維附近偏聚。過時效處理（540℃固溶+水淬+200℃×8h油浴處理）的增強相仍為β”相。
　　 纖維增強鎂基復合材料的干滑動摩擦磨損量始終都低于其基體合金，且含垂直分布纖維復合材料的磨損量一直都低于含平行纖維的復合材料，含氧化硅粘結劑復合材料的磨損速率始終要高于含氧化鋁粘結劑復合材料。隨著干滑動距離的增加

7、，AE44基體合金及其復合材料的體積磨損量相應增大，與之相對應鋼球的磨損量也同時增加。載荷的增加使得基體合金及其復合材料的干滑動磨損速率都有所增加，同時對應的鋼球的磨損速率相應增加，鋼球表面的犁溝也加深。隨著干滑動速度的增加，AE44基體合金及其復合材料的磨損速率先降低后升高?；w合金存在臨界速度可能是因為由加工硬化到高溫軟化的過渡。復合材料在低速滑動摩擦范圍內(nèi)(5~10cm/s)的磨損速率隨著滑動速率增加而下降，主要原因可能是斷裂的纖

8、維成為磨粒減小了摩擦系數(shù)。當滑動速度達到15cm/s左右時，滑動接觸表面所積累的熱量不能及時擴散出去，造成磨痕附近的溫度急劇上升，導致復合材料磨損速率的增加。當滑動速度達到20cm/s時，各復合材料的磨損速率趨于一致。環(huán)境溫度在100℃條件下，AE44/Saffil-1復合材料的磨痕中的犁溝寬度比室溫條件下更寬，犁溝邊部有唇邊現(xiàn)象，磨損機制為剝層磨損。當溫度升高到200℃時，在磨痕表面發(fā)現(xiàn)了明顯的唇邊現(xiàn)象，犁溝寬度也進一步增大，說明發(fā)生

9、了劇烈的剝層磨損現(xiàn)象。伴有劇烈塑性變形現(xiàn)象，說明還伴有粘著磨損和高溫軟化磨損機制。采用聚焦離子束截取磨痕截面的方法驗證了AE44/Saffil-1復合材料的干滑動摩擦磨損機制：輕微磨損包括氧化磨損和兩種磨粒磨損機制，劇烈磨損包括磨粒磨損、剝層磨損、高溫軟化和粘著磨損。
　　 潤滑條件下，AE44/Saffil-1復合材料在垂直方向的超微磨損機制演變過程為：磨損初期為表層纖維的磨粒磨損和纖維邊緣的破碎，逐步擴展為纖維高度的降低和斷

10、裂，以及斷裂纖維與基體的剝離，最后發(fā)展為基體的劇烈磨粒磨損。AE44/Saffil-1復合材料在平行方向的超微磨損機制演變過程為：磨損初期表層的纖維磨粒磨損和界面失效，纖維的破碎、剝落和基體的劇烈磨粒磨損。
　　 優(yōu)化后低速壓鑄工藝制備AE44/Saffil復合材料單缸發(fā)動機缸的關鍵參數(shù)為：沖頭壓射速度（預制件浸漬時對應的沖頭浸漬速度）低于2.Sm/s，沖頭壓力約90MPa，澆注溫度高于730℃，預制件預熱溫度高于450℃，系統(tǒng)