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毕业论文(编辑修改稿)

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毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

摩擦材料间大量的转移为特征，与载荷、摩擦速度和摩擦温度等因素有很大的关系。 基于 Archard和 Rowe等人 [5152]对粘着磨损机制与相关因素的关系，最后提出一个比较完善的在材料粘着磨损下的体积磨损量公式： 2 1 / 2(1 )msdV WkfdS   （ 21） 式中： mk 为与材料性质有关的系数 ；  为常数 ； f 为摩擦系数 ；  为与表面膜有关的系数 ； s 为材料的屈服极限； sk 为磨损系数。 (2)磨粒磨损 磨粒磨损 [52]主要是由于摩擦界面间存在硬质的外界颗粒或 铝基复合 材料摩 16 擦面上细微凸起物，起到了对 铝基复合 材料表面犁削作用和塑性挤压变形的磨损现象。 在经历颗粒磨损后 铝基复合 材料 摩擦表面主要是以 显微切削和犁沟 的形态存在。 材料 磨粒磨损在很大程度上取决于磨粒硬度 Hm 和 铝基复合材料 硬度 Ha之比 ，再根据 韧塑性 铝基复合 材料的磨粒磨损体积 V 与磨粒硬度的关系大致可分为三个区域 [53]：低磨损区 Hm()Ha。 过渡磨损区 Hm。 高磨损区 Hm。 基于拉宾诺维奇和摩尔等人 [52]对材料磨粒磨损进行一步一步地研究，最后提出了一个比较完善的磨粒磨损模型： 11 2 3V K K K PH  （ 22） 式中： 1K 为磨损粒子形成的总的几率； 2K 为是当磨损粒子形成时磨沟体积的比率； 3K 为磨粒的形状因子； P 为单位面积上的载荷； H 为材料表面的硬度。 由上面公式中可知：磨粒磨损的体积磨损量不仅与正载荷成正比，而与材料摩 擦表面的硬度成反比，还与磨粒的形状大小有关。 (3)氧化磨损 当在较低载荷和滑动速度条件下时， 由于摩擦生热 作用下，摩擦表面与周围氧化物反生氧化反应，造成对 铝基复合 材料的磨损就是氧化磨损机制 [54]。 该机制随着摩擦产生的颗粒使得磨损从二体磨损转向三体磨损。 有研究 发现 [5556]： 在一定 载荷、摩擦速度、摩擦温度等 条件 内 ，脱落的第二相硬质颗粒 被氧化，并 在磨面上可以能起到 “滚珠 ”的作用， 可以形成转移层， 从而对材料的磨损起到一定的减磨作用。 (4)剥层磨损 由 N、 P、 Suh在 1973首次提出的剥层磨损理论 [57]， 该磨损机制主要是通过铝基复合材料磨损 面亚表层裂纹而产生的。 在铝基复合材料磨损过程中， 硬表面与软表面之间的 反复载荷作用下， 产生剪切变形，且不断积累，促进铝基复合材料表面大量的空位形核， 空位合并， 同时裂纹也从 颗粒与基体的界面 开始 形核 ，而后 裂纹慢慢长大，最后 导致长而薄的磨损薄片脱落 [58]。 所以 ， 铝基复合材料磨损下来的磨料一般呈现 大片状磨屑，并有 具有一定 金属光泽。 该磨损机制与载荷、 17 摩擦速度等外界因素和增强相的含量、大小，界面间的结合能力等材料内部因素有关。 有研究 [59]得出简单的剥层磨损计算公式： 4 (1 ) bGbh     （ 23） 式中： h 为磨屑厚度； G 为剪切弹性模量；  为材料波桑比； b 为表面摩擦应力； b 为柏氏矢量。 0()sV Ahs （ 24） 式中： V 为材料磨损体积； s 为滑移距离； 0s 为临界滑移距离； A 为片状磨屑的面积。 18 第 三 章 试验 条件 与试验方法 试验材料 本研究采用工业 A00纯铝 和金属锰粉作为基体材料，作为增强体材料的aAl2O3颗粒， 粒径范围 :￠。 还有作除气剂精炼剂的 MnCl2和后续工作所需要的用作清洗液的酒精，去油污的丙酮，抛光剂 Al2O3溶液，腐蚀剂 4%HF溶液。 以下是几种主要材料的具体成分： （ 1） A00铝成分 表 试验用 A00铝的成分 牌号 化学成分 (%,质量分数 ) Al Fe Si Cu Ca Mg 其它 杂质总和 ≥ ≤ （ 2）锰粉成分 取出一些锰粉 试 样，通过 OXFORD20xx 型能谱分析仪得到图 1 和表 2。 图 金属锰 能谱 面扫描图谱 表 按重量百分比显示的所有结果 谱图 在状态 O Si Mn Se 总的 谱图 1 是 标准偏差 最大 最小 其中 Se 和 Si为杂质，氧的存在是因为锰可与空气中的 氧 形成氧化物带入的， 19 锰的含量为 %。 （ 3） Al2O3 颗粒成分 表 Al2O3 颗 粒杂质成分 杂质 水中溶解物 硫酸盐 氯化物 铁 （ Pb）重金属 碱金属（碱土） 指标（ %） 合格 （ 1）箱式电阻炉 型号： KSY—12—16，编号： 85285，额定电压： 380 伏，频率： 50 赫兹，相数： 3 相，最大输出电流： 30 安培，最大控制功率： 12 千瓦，最高控制温度：1600 摄氏度。 （ 2）井式坩埚电阻炉 型号： KSY1216,额定电压： 380 伏，频率： 50 赫兹，相数： 3 相，最大输出电流： 30 安培，最大控制功率： 千瓦，最高控制温度： 900 摄氏度。 （ 3） XQF2 全自动金相图象分析仪 额定电压： 220 伏，额定功率： 30W，频率： 50 赫兹。 （ 4） 电镜、能谱分析仪 型号： LED1430VP 型扫 描 电 镜 ， OXFORD20xx 型 能 谱 分 析 仪 ，M18XHF22SRA型 X射线衍射仪。 （ 5）硬度计 型号： HR150 布洛维硬度计； HX1000B 视频显示维氏显微硬度计。 （ 6） 摩擦 磨损试验机 型号： M2—20xx 型，最大负载： 20xx 牛顿，上试样轴转速： 转 /分，摩擦力矩测量范围： 0—15 牛顿 米。 （ 7）电光分析天平 型号： TG328A(S),最大称量： 200g,分度值：。 （ 8）冲击试验机 型号： JB30A ， 规格：冲击能量 30/15 公斤米。 20 （ 9）抛光机，读数显微镜，石墨坩 埚，浇铸模具等其它常用工具。 复合材料 及其铝锰合金 的 试样 制备 首先按材料中锰含 量为 1%（质量分数） 的比例来称量相应的材料，准备好所有材料，随后制备 三种材料，即纯铝试样、铝锰合金试样和 Al2O3 颗粒增强铝锰基复合材料试样。 本文中通过搅拌铸造法来制备复合材料。 这种方法中， 搅拌温度、 搅拌时间直接影响着复合材料的 气孔率 ，需提出有效的具体制备工艺流程；保护基体金属液的氧化、除气，加入 除气剂精炼剂的 MnCl2。 材料 试样 的制备工艺流程见图。 图 制备工艺流程图 纯铝材料：将所需 A00 铝锭放入 井 式 电阻 炉熔化加热至 860℃ ，扒渣降温后浇铸成形。 铝锰合金：将所需的 A00 铝锭放入 井 式电阻炉熔化加热至 860℃ ，扒渣后加入金属锰粉粒，用石墨棒连续搅拌 10 分钟，扒渣后加入质量百分含量为 %的除气剂六氯乙烷、精炼剂 MnCl2 粉末，搅拌、降温、浇注成形。 颗粒增强铝锰复合材料：将所需的 00Al 铝锭放入井式电阻炉熔化加热至860℃ ，扒渣后加入金属锰碎片，用石墨棒连续搅拌 10 分钟，扒渣后加入 Al2O3颗粒继续搅拌 10 分钟，加入质量百分含量为 %的除气剂 MnCl2 粉末，搅拌、降温、浇注成形。 21 试验中为了均匀材料的化学成分及组织，细化晶粒，消除内应力，从而获得近于平衡状态的组织，特采用 300℃ 退火保温 1 小时，随炉冷却的热处理工艺。 随后按照实验所需将三种材料切割成一定尺寸外形的小式样以备下一步试验。 （ 1） 试验中采用 OXFORD20xx 型能谱分析仪分析微区成分； LED1430VP型扫描电镜 (SEM)观察所获材料的组织。 （ 2） 硬度测试：试验中采用 HR150 布洛维硬度计测试材料布氏硬度 HBS，载荷为 ,压头为直径 5 ㎜淬火钢球，保压 30s。 （ 3） 冲击韧性测试：试验中采用 JB30A 冲击试验机测试材料的冲击韧性，产生的断口通过 LED1430VP 型扫描电镜 (SEM)观察获得断口形貌。 （ 4） 滑动 磨损测试： 将三种试样在切割机上加工成 8mmⅹ 8mmⅹ 30mm试验件 ，在 M220xx型 滑动 磨损试验机上进行滑动磨损试验。 摩擦副材料用 45钢，尺寸为￠ 40mmⅹ 10mm， 经油淬热处理， 表 面硬度为 48～ 52HRC。 在相应的磨损条件下，经过 42mim的磨损时间后在电光分析天平上测其磨损量。 22 第 四 章 %Mn 复合材料 及其 合金 成分组织及机械性能 在材料的研究试验中，对 材料成分及组织结构 的观察研究是必不可少的部分。 由于材料 成分和组织结构 直接影响着材料的各种性能，同时材料性能的变化就有相应的组织成分的变化，从而可以得到相关的机理。 在加入定量的元素材料下， 材料制备工艺对 于 材料的组织结构 及性能是 主要的影响因数，对于复合材料而言，影响因数还有增强相与基体的润湿性和界面反应。 本实验通过搅拌铸造法制备的 AlMn 合金和 AlMn 基复合材料。 这种制备方法主要通过长时间的搅拌解决增强相与基体的界面问题， 使 增强相能过比较均匀的分布与基体中。 Al2O3 颗 粒增强铝锰基复合材料是一种新型的复合材料，只有通过材料的组织成分观察研究，才能知道 Al2O3 增强颗粒的加入对基体合金的组织影响，为 Al2O3 颗粒增强铝锰基复合材料各性能的变化有相应的理论依据。 对于这类材料其各项组织成分及机械性能的研究提供一些数据，并为对其实际应用有着重大的理论指导意义。 及其 合金 成分及显微组织 材料 成分 （ 1） AlMn 合金成分 由于制备过程中材料的损耗问题，最后材料的成分需要最后的测定。 本文中利用 能谱分析仪测定试验中所制备的 AlMn合金， 可以通过 图 31 面扫描图谱图及表 31， 能 知道 合金中 主要有 Al 、 Mn、 O 三种元素， 并且他们的 重量百分比分别为 %、 %、 %（取 3 个谱图的平均值）； %Mn 含量与设计的 1%相差不大，本文就定义这种合金为 %Mn（ 1）。 其中的氧为外来杂 23 质，可能是在铸造 或 浇铸过程中 铝的氧化和表面形成一些氧化物（主要）。 由于其含量 少量 ，因此不会对材料的性能产生显著的影响。 图 31 AlMn 合金的面扫描图谱 表 31 按重量百分比显示的所有结果 谱图 在状态 O Mn Al 总的 谱图 1 是 谱图 2 是 谱图 3 是 平均 （ 2） Al2O3 颗粒增强 AlMn 复合材料成分 Al2O3 颗粒增强 AlMn 复合材料是在以铝锰合金为基体的基础上加入 Al2O3增强颗粒制备出来的。 从表中可以看出其它元素的变化不大，为对比研究提供了一个前提；而氧的含量出现比较大的增幅，这是由于加入的 Al2O3 颗粒所含氧元素的介入。 图表。 材料 显微组织 从图 （ 34） 中可以看出在制备的 1试样中存在 MnAl6 和 MnAl11 两种铝锰间化合物，这主要是 因为 1试样在凝固的过程中，锰在 a 固溶体中的溶解度随着温度的下降而降低，从而溶解于 Al 面心立方中的 锰会随着温度的下降从晶界析出 ， 形成少量硬脆的 MnAl6 和 MnAl11 化合物 ， 由于 原先加入锰 量 就 很少，形成的铝锰间化合物也很少，并且呈现细小的枝晶，并形成一定的网格状，分布于合 24 金组织之中（如图 33）。 图 33 1试样（即 %Mn 合金 ） 的扫描电镜照片 30 40 50 60 70 80mmmMAAAAIntensity/CPS /(  ) A: AlM :M n Al6m :Al11Mn4 图 34 1试样 （ %Mn 合金 ） X 射线衍射图谱 从图 （ 36） 中可以看出 在制备的 2试样中存在 MnAl6 和 MnAl11 两种铝锰间化合物，还检测出 δ Al2O3 颗粒 的存在。 由于 2试样是以 1试样为基体的，所以 也 存在一定量硬脆的 MnAl6 和 Mn4Al11 化合物，但是 还 通过搅拌法 成功的加入了高硬。