熔鑄溫度對(duì)Al3Nb鋁基復(fù)合材料硬度與摩擦磨損性能影響的研究畢業(yè)論文

1、 .PAGE25 / NUMPAGES30 . 本科畢業(yè)論文題 目: 熔鑄溫度對(duì)Al3Nb/鋁基復(fù)合材料硬度與摩擦磨損性能影響的研究摘要尖端科學(xué)技術(shù)在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展可謂是突飛猛進(jìn)，人們對(duì)材料的性能要求越來(lái)越高，在許多方面，例如在設(shè)計(jì)導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、飛機(jī)的承載構(gòu)件時(shí)，理想的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)具有重量輕、強(qiáng)度和模量高的特點(diǎn)，即比強(qiáng)度和比模量要高。鋁基復(fù)合材料各組分之間可協(xié)同作用,取長(zhǎng)補(bǔ)短，彌補(bǔ)了單相材料的缺點(diǎn)，改進(jìn)了單相材料的性能，甚至可產(chǎn)生單一材料所不具有的新性能。Al3Nb金屬間化合物具有低密度、高模量、高熔點(diǎn)、以與好的循環(huán)使用性能等優(yōu)點(diǎn)，如果應(yīng)用于鋁基復(fù)合材料將會(huì)產(chǎn)生廣泛的應(yīng)用前景。本文采用原位

2、反應(yīng)方法制備了Al3Nb/鋁基復(fù)合材料，利用金相顯微鏡、維氏硬度計(jì)、立式萬(wàn)能磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同熔鑄溫度下，Al3Nb/鋁基復(fù)合材料組織、硬度與摩擦磨損性能進(jìn)行分析，得出最佳的熔鑄溫度為850，硬度為63.92HV，并且在接觸壓力為20N、30N、40N、50N、60N下，磨損量為0.00302g、0.00312g、0.00332g、0.00346g、0.00356g。關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗嗖牧?復(fù)合材料,熔鑄溫度AbstractThe development is advanced science and technology in the field of science and technology

3、is make a spurt of progress, peoples requirements on the performance of materials is more and more high, in many aspects, such as the bearing structure design of missile, satellite, aircraft, ideal structural material with characteristics of light weight, high strength and modulus, namely the ratio

4、of strength and modulus to high. Can be synergistic effect, the aluminum matrix composite is divided from each other, to make up for the shortcomings of single phase materials, improved the performance of the single-phase materials, new properties and can generate a single material does not have. Al

5、3Nb intermetallic compounds with low density, high melting point, high modulus, and good cycle performance advantages, if used in the aluminum matrix composite material will produce widespread application prospect. In this paper, Al3Nb/ aluminum matrix composites were prepared by in-situ reaction me

6、thod, using the metallographic microscope, Vivtorinox hardness tester, universal vertical wear test machine to different melting temperatures, Al3Nb/ aluminum matrix composites microstructure, hardness and wear performance analysis, the optimum casting temperature is 850 , hardness is 63.92HV, and t

7、he the contact pressure is 20N, 30N, 40N, 50N, 60N, 0.00302g, 0.00312g, wear as 0.00332g, 0.00346g, 0.00356g.Key words: Single phase material, composite, the casting temperature目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc358971578引言 PAGEREF _Toc358971578 h 1HYPERLINK l _Toc358971579第一章緒論 PAGEREF _Toc3589715

8、79 h 2HYPERLINK l _Toc3589715801.1復(fù)合材料概述 PAGEREF _Toc358971580 h 2HYPERLINK l _Toc3589715811.1.1復(fù)合材料的定義和分類 PAGEREF _Toc358971581 h 2HYPERLINK l _Toc3589715821.1.2金屬基復(fù)合材料的分類和基本性能 PAGEREF _Toc358971582 h 3HYPERLINK l _Toc3589715831.1.3金屬基復(fù)合材料的制備方法 PAGEREF _Toc358971583 h 4HYPERLINK l _Toc3589715841.2金

9、屬基原位復(fù)合材料的概述 PAGEREF _Toc358971584 h 5HYPERLINK l _Toc3589715851.2.1原位復(fù)合材料的定義 PAGEREF _Toc358971585 h 5HYPERLINK l _Toc3589715861.2.2金屬基原位復(fù)合材料的特點(diǎn) PAGEREF _Toc358971586 h 5HYPERLINK l _Toc3589715871.2.3金屬基原位復(fù)合材料的制備方法 PAGEREF _Toc358971587 h 6HYPERLINK l _Toc3589715881.2.4金屬基原位復(fù)合材料的研究趨勢(shì)與展望 PAGEREF _Toc

10、358971588 h 6HYPERLINK l _Toc3589715891.3顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料概述 PAGEREF _Toc358971589 h 7HYPERLINK l _Toc3589715901.3.1顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 PAGEREF _Toc358971590 h 7HYPERLINK l _Toc3589715911.4顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 PAGEREF _Toc358971591 h 8HYPERLINK l _Toc3589715921.4.1顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn) PAGEREF _Toc358971592 h 8HYPERLINK l _Toc35

11、89715931.4.2顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料的制備特點(diǎn) PAGEREF _Toc358971593 h 8HYPERLINK l _Toc3589715941.4.3顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料的增強(qiáng)體 PAGEREF _Toc358971594 h 8HYPERLINK l _Toc3589715951.4.4顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料的應(yīng)用 PAGEREF _Toc358971595 h 9HYPERLINK l _Toc3589715961.5研究意義 PAGEREF _Toc358971596 h 9HYPERLINK l _Toc3589715971.6研究容 PAGEREF _Toc

12、358971597 h 10HYPERLINK l _Toc358971598第二章顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料的制備 PAGEREF _Toc358971598 h 11HYPERLINK l _Toc3589715992.1實(shí)驗(yàn)材料 PAGEREF _Toc358971599 h 11HYPERLINK l _Toc3589716002.1.1增強(qiáng)相選擇 PAGEREF _Toc358971600 h 11HYPERLINK l _Toc3589716012.1.2基體的選擇 PAGEREF _Toc358971601 h 11HYPERLINK l _Toc3589716022.1.3反應(yīng)物

13、的選擇 PAGEREF _Toc358971602 h 11HYPERLINK l _Toc3589716032.2實(shí)驗(yàn)方法與步驟 PAGEREF _Toc358971603 h 12HYPERLINK l _Toc3589716042.3實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備 PAGEREF _Toc358971604 h 12HYPERLINK l _Toc3589716052.4實(shí)驗(yàn)原理 PAGEREF _Toc358971605 h 14HYPERLINK l _Toc3589716062.5實(shí)驗(yàn)過程 PAGEREF _Toc358971606 h 14HYPERLINK l _Toc358971607第三章

14、試驗(yàn)結(jié)果與分析 PAGEREF _Toc358971607 h 17HYPERLINK l _Toc3589716083.1樣品表征 PAGEREF _Toc358971608 h 17HYPERLINK l _Toc3589716093.2性能測(cè)試 PAGEREF _Toc358971609 h 20HYPERLINK l _Toc358971610結(jié)論 PAGEREF _Toc358971610 h 22HYPERLINK l _Toc358971611參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc358971611 h 23HYPERLINK l _Toc358971612致 PAGEREF _To

15、c358971612 h 25引言材料在人類發(fā)展史上有著舉足輕重的作用，一種新材料的出現(xiàn)，通常會(huì)引起生產(chǎn)力的大幅度提高和生產(chǎn)工具的革新。歷史學(xué)家常把人類的發(fā)展史劃分為石器時(shí)代、器時(shí)代、青銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代。從某種意義來(lái)說，人類的文明史也可以是材料的進(jìn)步史。隨著航空、航天、能源與汽車工業(yè)隨之發(fā)展，人類對(duì)材料性能的要求愈來(lái)愈高.在研究和發(fā)展金屬間化合物發(fā)現(xiàn)具有密度小、熔點(diǎn)高、高溫性能優(yōu)越、化學(xué)穩(wěn)定性良好等特點(diǎn)，在航空、艦艇和航天器與火箭發(fā)動(dòng)機(jī),工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)的高溫部件、核反應(yīng)堆、石油化工設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在近十多年來(lái)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、日本、歐洲為了大力發(fā)展金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料都制定

16、了全國(guó)性的研究計(jì)劃，發(fā)展具有比Ni基高溫合金性能更好的高溫結(jié)構(gòu)材料是他們的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)，尤其注重發(fā)展一種具有溫度和力學(xué)性能介于Ni基高溫合金和高溫瓷材料之間的高溫材料、使用溫度能更高而高溫力學(xué)性能特別是強(qiáng)韌性良好的材料1。金屬鈮熔點(diǎn)較高、延展性和導(dǎo)熱性優(yōu)良,屬于難熔金屬(密度為8.6 gcm3)且密度較低。鈮與鋁形成的金屬間化合物具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、熔點(diǎn)也較高和較低的密度。Nb、A1可作為一種高磁場(chǎng)、高電流下的超導(dǎo)材料來(lái)使用2-3。由于具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)和有限的滑移帶，鈮鋁金屬間化合物的室溫塑性和韌性差，所以，提高延性和增韌是其獲得工業(yè)應(yīng)用的必備條件。制約Nb、A1應(yīng)用的另一個(gè)主要原因是它的抗氧化

17、性能較弱，鈮與其合金材料在空氣氣氛中600以上會(huì)發(fā)生嚴(yán)重氧化，最終導(dǎo)致脆性斷裂。通常要采用合金化或延性相增韌來(lái)避免其室溫脆性，通過合金化和金屬瓷復(fù)合這樣的工藝改善其抗氧化性能。目前研究較多的NbAl系金屬間化合物主要是Nb3A1和NbAl3。Nb3Al金屬間化合物的高溫屈服強(qiáng)度相當(dāng)高，在l200為800MPa，l 300為500MPa。Nb2Al合金很少作為結(jié)構(gòu)材料來(lái)使用，單相Nb2AI相當(dāng)脆且韌脆轉(zhuǎn)折溫度(BDTT)也高于l150。通過元素粉末熱壓反應(yīng)制備單相Nb2AI的壓縮實(shí)驗(yàn)說明，在1 200以下發(fā)生脆性斷裂，但屈服強(qiáng)度比單相Nb3Al合金的屈服強(qiáng)度要高，當(dāng)應(yīng)變速率為110-4 s-1時(shí)

18、，溫度為1300時(shí)為870MPa，溫度為1500時(shí)為290MPa4NbAl。在NbAl系3種金屬間化合物中具有最低的氧化速率5,合金的熔點(diǎn)高、密度低和高溫氧化性能好。這些年，NbAl3合金的高溫抗氧化性能可以通過添加Cr、Y和Si的微合金化過程來(lái)改善6。第一章 緒論1.1復(fù)合材料概述在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的今天，特別是尖端科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，隨之人們對(duì)材料的性能要求也越來(lái)越高，在多個(gè)方面，例如在人造衛(wèi)星、設(shè)計(jì)導(dǎo)彈、飛機(jī)的承載構(gòu)件時(shí)，理想的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)具有重量輕，強(qiáng)度和模量高的特點(diǎn)，即比強(qiáng)度和比模量要高?？墒牵词贡绕胀ㄤ搹?qiáng)度高7倍左右的高強(qiáng)度鋼，由于比重大，但比強(qiáng)度卻很低，要增加構(gòu)件的強(qiáng)度就等于同時(shí)

19、增加其重量，這對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的部件來(lái)說毫無(wú)意義。顯然，傳統(tǒng)的單相材料不能滿足實(shí)際的需求。所以促使人們制備研究出由多相組合的復(fù)合材料，來(lái)提高材料的性能。正是復(fù)合材料各組分之間取長(zhǎng)補(bǔ)短、協(xié)同作用的優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了單相材料的缺點(diǎn)，改進(jìn)了單相材料的性能，甚至可產(chǎn)生單一材料所不具有的新性能。這樣，復(fù)合材料就誕生了。1.1.1復(fù)合材料的定義和分類復(fù)合材料(composite materials)是由兩種或兩種以上的材料通過先進(jìn)的材料制備技術(shù)組合而成的性能優(yōu)異的新材料。一般來(lái)說，復(fù)合材料由基體和增強(qiáng)材料組成。它既能保留原組成材料的主要特色，并通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的性能。其中，增強(qiáng)材料是復(fù)合材料的主要承力者，

20、特別是拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度等力學(xué)性能主要由增強(qiáng)材料承擔(dān)；基體的作用是將增強(qiáng)材料黏合成一個(gè)整體，起到均衡應(yīng)力和傳遞應(yīng)力的作用，使增強(qiáng)材料的性能得到充分發(fā)揮，從而產(chǎn)生一種復(fù)合效應(yīng)，使復(fù)合材料的性能大大優(yōu)于單一材料的性能。復(fù)合材料的性能主要取決于：基體的性能；增強(qiáng)材料的性能；基體與增強(qiáng)材料之間的界面性能。復(fù)合材料的分類方法較多，通常有以下幾種：按材料性能高低分為：常用復(fù)合材料和先進(jìn)復(fù)合材料；按材料用途分為：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料；按增強(qiáng)材料形態(tài)與分布方式分為：纖維連續(xù)增強(qiáng)復(fù)合材料、短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、晶須增強(qiáng)復(fù)合材料、薄片增強(qiáng)復(fù)合材料；按增強(qiáng)材料類型分為：無(wú)機(jī)非金屬增強(qiáng)復(fù)合材料、金屬增強(qiáng)

21、復(fù)合材料、有機(jī)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；按基體材料類型分為：有機(jī)材料基復(fù)合材料、無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料7。1.1.2金屬基復(fù)合材料的分類和基本性能隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)材料的要求越來(lái)越高。在結(jié)構(gòu)材料方面，不但要求強(qiáng)度高，還要求重量輕，在航空航天領(lǐng)域尤其如此。金屬基復(fù)合材料正是為了滿足上述要求而誕生的。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，它具有較高的比強(qiáng)度與比剛度，而與樹脂基復(fù)合材料相比，它又具有優(yōu)良的導(dǎo)電性與耐熱性，與瓷材料相比，它又具有高韌性和高抗沖擊性能。這些優(yōu)良的性能決定了它從誕生之日起就成為新材料家族中的重要一員8 。 金屬基復(fù)合材料是以金屬為基體，以高強(qiáng)度的第二相為增強(qiáng)體而制得的

22、復(fù)合材料9。因此，對(duì)這種材料既可以按基體來(lái)分類，又可以按增強(qiáng)體來(lái)分類： 按基體材料分為：鋁基、鎂基、鋅基、銅基、鈦基、鎳基、耐熱金屬基、金屬間化合物基等復(fù)合材料。目前以鋁基、鎂基、鎳基、鈦基復(fù)合材料發(fā)展較為成熟，已在航空航天、電子、汽車等工業(yè)中應(yīng)用；按增強(qiáng)材料分為：連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料；非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料(包括顆粒、短纖維、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料)；自生增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料(包括反應(yīng)自生和定向自生、大變形)；層板金屬基復(fù)合材料。除此之外，還可以按用途和制備工藝來(lái)分類，按用途可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料；按制備工藝可分為外加增強(qiáng)相復(fù)合材料和原位自生復(fù)合材料。金屬基復(fù)合材料的性能取決

23、于所選用金屬或合金基體和增強(qiáng)體的特性、含量、分布等。通過優(yōu)化組合可以得到具有以下性能的復(fù)合材料。高比強(qiáng)度、高比模量。比強(qiáng)度和比模量是度量材料承載能力的一個(gè)指標(biāo)，比強(qiáng)度愈高，同一零件的自重愈小；比模量愈高，零件的剛性愈大。由于在金屬基體中加入適量的高強(qiáng)度、高模量、低密度的纖維、晶須與顆粒等增強(qiáng)體，明顯提高了復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量。用高比強(qiáng)度、比模量復(fù)合材料制成的構(gòu)件質(zhì)量輕、剛性好、強(qiáng)度高，是航空航天領(lǐng)域理想的結(jié)構(gòu)材料。導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好。金屬基復(fù)合材料中金屬基體占有很高的體積分?jǐn)?shù)，一般在60以上，因此仍保持金屬所特有的良好導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。由它們制成的集成電路底板和封裝件可以迅速有效地把熱量散去，

24、提高了集成電路的可靠性。熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好。金屬基復(fù)合材料中所用的增強(qiáng)體均具有很小的熱膨脹系數(shù)，又具有很高的模量。良好的高溫性能。由于金屬基體的高溫性能比聚合物高很多，增強(qiáng)纖維、晶須、顆粒在高溫下具有很高的高溫強(qiáng)度和模量，因此金屬基復(fù)合材料比金屬基體具有更高的高溫性能；耐磨性好。在金屬基體中加入了大量的瓷增強(qiáng)體，特別是細(xì)小的瓷顆粒。用它們來(lái)增強(qiáng)金屬不僅提高了材料的強(qiáng)度和剛度，也提高了復(fù)合材料的硬度和耐磨性。復(fù)合材料的高耐磨性在汽車、機(jī)械工業(yè)中有重要的應(yīng)用前景，可用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、剎車盤、活塞等重要零件，能明顯提高零件的性能和壽命。良好的斷裂韌性和抗疲勞性能。金屬基復(fù)合材料的斷裂韌性和抗疲

25、勞性能取決于纖維等增強(qiáng)體與金屬基體的界面結(jié)合狀態(tài)，增強(qiáng)體在金屬基體中的分布以與金屬基體、增強(qiáng)體本身的特性，特別是界面狀態(tài)，最佳的界面結(jié)合狀態(tài)既可有效地傳遞載荷，又能阻止裂紋的擴(kuò)展，提高材料的斷裂韌性；據(jù)美國(guó)宇航公司報(bào)道CAl復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度比為0.7左右。不吸潮、不老化、氣密性好。與聚合物相比金屬性質(zhì)穩(wěn)定、組織致密、不存在老化、分解、吸潮等問題，也不會(huì)發(fā)生性能的自然退化；二次加工性能較好?？梢杂行У慕柚F(xiàn)有的各種金屬材料加工工藝設(shè)備實(shí)現(xiàn)金屬基復(fù)合材料的二次加工。1.1.3金屬基復(fù)合材料的制備方法 20世紀(jì)70年代以來(lái)，金屬基復(fù)合材料制造方法日趨成熟，主要可以分為三大類10:固態(tài)法。

26、固態(tài)法是指在金屬基體基本上處于固態(tài)情況下，制成復(fù)合材料的方法。其中包括粉末冶金法、固態(tài)熱壓法、熱等靜壓法、軋制法、熱擠壓法、熱拉拔法和爆炸焊接法等。因?yàn)檎麄€(gè)工藝過程處于較低的溫度，金屬基體和增強(qiáng)體都處于固態(tài)，所以，金屬基體與增強(qiáng)體之問的界面反應(yīng)不嚴(yán)重。液態(tài)法。液態(tài)法是指在金屬基體處于熔融狀態(tài)下與固態(tài)的增強(qiáng)體復(fù)合的制造方法。其中包括擠壓鑄造法、真空吸鑄、液態(tài)金屬浸漬法、真空壓力浸漬法、攪拌復(fù)合法等。為了減少高溫下基體和增強(qiáng)材料之間的界面反應(yīng)，提高基體對(duì)增強(qiáng)材料的浸潤(rùn)性，通常采用加壓滲透、增強(qiáng)材料表面處理、基體中添加合金元素等方法。其他方法。主要包括原位自生法、物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)

27、鍍和電鍍與復(fù)合鍍法等。目前應(yīng)用最廣的是原位自生法，因?yàn)楣虘B(tài)法和液態(tài)法都是采用外加增強(qiáng)體的方法，其中增強(qiáng)體和金屬基體材料在高溫時(shí)將不同程度地發(fā)生界面反應(yīng)和氧化反應(yīng)等有害的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生界面脆性相。另外，金屬基體與增強(qiáng)體之間浸潤(rùn)性差，有時(shí)甚至不浸潤(rùn)，從而影響了復(fù)合材料力學(xué)性能的發(fā)揮。雖然這些都有解決的方法，但復(fù)合材料的制備工藝會(huì)變得相對(duì)復(fù)雜。而在原位自生法制備的金屬基復(fù)合材料中，基體與增強(qiáng)材料間的相容性好、界面干凈、結(jié)合牢固，特別當(dāng)增強(qiáng)材料與基體之間有共格或半共格關(guān)系時(shí)，能非常有效地傳遞應(yīng)力，界面上不生成有害的反應(yīng)產(chǎn)物，因此這種復(fù)合材料有優(yōu)異的力學(xué)性能，越來(lái)越受到大家的青睞11。1.2金屬基原位復(fù)

28、合材料的概述1.2.1原位復(fù)合材料的定義在金屬基復(fù)合材料制備過程中，往往會(huì)遇到增強(qiáng)材料與金屬基體之間的相容性問題。如果增強(qiáng)體能從金屬基體中直接原位生成，則相容性問題可以得到很好的解決。因?yàn)樵簧傻脑鰪?qiáng)體與金屬基體界面結(jié)合良好，生成相的熱力學(xué)穩(wěn)定性好，不存在基體與增強(qiáng)體之間的潤(rùn)濕和界面反應(yīng)等問題。 早在1967年，前聯(lián)AGMerzhanov等人在用自蔓延高溫合成法(SHS)合成TiB2Cu功能梯度材料時(shí)，提出了原位復(fù)合材料(in situ composites)的構(gòu)想，但當(dāng)時(shí)尚未引起人們的重視。直到80年代中后期，當(dāng)美國(guó)Lanxide公司和Drexel大學(xué)的MJKoczak等人先后報(bào)道了各自研

29、制的原位A1203Al和TiCAl復(fù)合材料與其相應(yīng)的制各工藝后，才正式在世界圍拉開了原位MMCS研究工作的序幕。美國(guó)金屬學(xué)會(huì)(ASM)分別于1993年和1995年兩次召開了原位復(fù)合材料的國(guó)際專題研討會(huì)。由此可見，原位MMCS與其制備技術(shù)已成為材料科學(xué)工作者普遍關(guān)注的研究課題。原位反應(yīng)合成技術(shù)的基本原理是通過元素間或化合物間的化學(xué)反應(yīng)，在金屬基體原位生成一種或幾種高硬度、高彈性模量的瓷增強(qiáng)相，從而達(dá)到增強(qiáng)金屬基體的目的12。1.2.2金屬基原位復(fù)合材料的特點(diǎn)與傳統(tǒng)方法制備出的復(fù)合材料相比，金屬基原位復(fù)合材料具有如下特點(diǎn)：增強(qiáng)體在金屬基體原位形核、長(zhǎng)大，具有強(qiáng)界面結(jié)合、良好的相容性：通過合理的選擇

30、反應(yīng)物可以有效地控制增強(qiáng)相的種類、大小和數(shù)量，并可以通過成形工藝來(lái)控制增強(qiáng)相的分布，這樣就不易出現(xiàn)增強(qiáng)相的團(tuán)聚和偏析；省去了增強(qiáng)體的預(yù)處理，簡(jiǎn)化了工藝流程，因此，成本也相對(duì)降低；能與鑄造工藝結(jié)合，直接制造出形狀復(fù)雜、尺寸變化大的近終形產(chǎn)品；增強(qiáng)相顆粒細(xì)小，往往處于微米級(jí)或微米以下，這樣就保證了材料具有較好的韌性和高溫性能，而且有很高的強(qiáng)度和彈性模量。1.2.3金屬基原位復(fù)合材料的制備方法金屬基原位復(fù)合材料的制備方法很多，依照反應(yīng)物的初始狀態(tài)，可分為固-液反應(yīng)，固-固反應(yīng)，液-液反應(yīng)和氣-液反應(yīng)4種反應(yīng)模式13-15。 (1)固-液反應(yīng)法，固-液反應(yīng)法是目前研究較廣的一種復(fù)合工藝。一般是將反應(yīng)物

31、粉末與金屬熔體混合，使加入粉術(shù)與金屬熔體成分反應(yīng)或自行分解，生成難熔的高硬度質(zhì)點(diǎn)，均勻分散在基體中，形成復(fù)合材料。該復(fù)合工藝的特點(diǎn)是成本較低，反應(yīng)材料種類較多，復(fù)合后的材料組織細(xì)密。固-液反應(yīng)法根據(jù)反應(yīng)原理可分為：直接反應(yīng)法將固態(tài)碳粉或硼粉直接加入到高溫合金熔體中，使C或B同合金熔體中個(gè)別組元反應(yīng)，從而在基體中形成碳化物或硼化物的增強(qiáng)粒子16、17。還原反應(yīng)法該法利用了化學(xué)的還原反應(yīng)原理，即將不穩(wěn)定的化合物加入到合金熔體中，使合金熔體中的組元與加入的化合物發(fā)生熱還原反應(yīng)，生成所需要的更加穩(wěn)定的瓷或金屬間化合物增強(qiáng)相18、19。反應(yīng)擠壓鑄造法該法的基本原理是將基體金屬液擠壓滲透到由反應(yīng)物制成的預(yù)

32、制體中，通過其與基體金屬或其中的某一組元反應(yīng)生成新的增強(qiáng)相，從而達(dá)到強(qiáng)化基體的目的。Fukunaga等首先將反應(yīng)壓鑄法用于自生A1203粒子增強(qiáng)金屬間化合物基復(fù)合材料的制備20。(2)固一固反應(yīng)法，在該工藝中，增強(qiáng)相是由固相組元間的反應(yīng)生成的，通過固相間原子擴(kuò)散來(lái)完成，通常溫度較低，增強(qiáng)相的長(zhǎng)大傾向較小，有利于獲得超細(xì)增強(qiáng)相，但是該工藝效率較低。屬于此方法的復(fù)合工藝有自蔓延高溫合成法 (SHS)、XDTM法、接觸反應(yīng)法、混合鹽反應(yīng)法和機(jī)械合金化(MA)法等。1.2.4金屬基原位復(fù)合材料的研究趨勢(shì)與展望金屬基原位復(fù)合材料作為材料家族的一支新軍，雖然其發(fā)展歷史只有幾十年，但己顯示出強(qiáng)大的生命力。因

33、為它具有高強(qiáng)度、延伸率好，而且具有生產(chǎn)設(shè)備廉價(jià)，工藝簡(jiǎn)單，節(jié)能高效，產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)勢(shì)，所以越來(lái)越受到國(guó)外材料工作者的關(guān)注。但由于金屬基原位復(fù)合材料的研究時(shí)問較短，在制備工藝、增強(qiáng)機(jī)制、材料性能與應(yīng)用等方面還存在一些問題，有待于進(jìn)一步研究與完善。目前，對(duì)金屬基原位復(fù)合材料的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：金屬基原位復(fù)合材料的制備工藝研究和創(chuàng)新；研究增強(qiáng)相的形成機(jī)理，進(jìn)一步完善反應(yīng)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)體系。研究反應(yīng)控制過程的方法，以便能控制反應(yīng)速度以與生成增強(qiáng)相的大小、形狀和分布；進(jìn)一步研究增強(qiáng)體與基體的金屬學(xué)關(guān)系，顯微組織與力學(xué)性能的關(guān)系；進(jìn)一步研究增強(qiáng)相對(duì)材料的強(qiáng)化機(jī)制與增韌機(jī)制。就目前的實(shí)際情況來(lái)看，

34、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料具有很強(qiáng)的生命力，并已在汽車等方面初步獲得應(yīng)用。1.3顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料概述顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是金屬基復(fù)合材料的一個(gè)分支，屬于顆料分散相復(fù)合材料的一種。這種復(fù)合材料的增強(qiáng)體是主要的承載者，基體的作用在于傳遞載荷和便于加工?；w材料可以是有色金屬，也可以是黑色金屬。由于顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料可以使用目前已知的金屬做基體，因而其具有性能的可控制性，所以目前已逐漸引起人們的關(guān)注。1.3.1顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料(Particulate Reinforced Metal Matrix Composites，簡(jiǎn)稱PRMMC)是將瓷顆粒增強(qiáng)相外加或自生進(jìn)入金屬

35、基體中得到兼有金屬優(yōu)點(diǎn)(韌性和塑性好)和增強(qiáng)顆粒優(yōu)點(diǎn)(高硬度和高模量)的復(fù)合材料。PRMMC具有增強(qiáng)體成本低，微觀結(jié)構(gòu)均勻，材料各向同性，可采用熱壓、熱軋等傳統(tǒng)金屬加工工藝進(jìn)行加工等優(yōu)點(diǎn)，因而倍受關(guān)注。由于增強(qiáng)顆粒的加入，PRMMC具備了一些不同于基體合金的物理和機(jī)械性能。力學(xué)性能方面，PRMMC的彈性模量隨增強(qiáng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)的增大而增大，強(qiáng)度也有不同程度的增加。延伸率則隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大而減小。材料的拉伸性能則受增強(qiáng)顆粒的尺寸、分布與體積分?jǐn)?shù)等多種因素的影響。磨損性能的提高是PRMMC的重要特性之一，由于碳化物粒子等增強(qiáng)顆粒的存在，PRMMC具有優(yōu)異的耐磨性能。對(duì)PRMMC的磨損性能研究表

36、明，磨損抗力隨著增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加可以顯著增加，且顆粒尺寸越大，其耐磨性越好。1.4顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料1.4.1顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn) 顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、低密度、低熱膨脹系數(shù)和良好的耐磨性等優(yōu)良性能，目前在航空航天與汽車工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。1.4.2顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料的制備特點(diǎn)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的原位合成是通過元素間或化合物間的化學(xué)反應(yīng)，在鋁基體原位生成一種或幾種高硬度高彈性模量的瓷材料增強(qiáng)體，從而達(dá)到增強(qiáng)鋁基體的目的。由于增強(qiáng)體是反應(yīng)合成的，生于基體之中，因而具有許多外加強(qiáng)化相強(qiáng)化鋁基復(fù)合材料所不具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：(1)增強(qiáng)體在鋁基體上原位形

37、核、長(zhǎng)大，具有強(qiáng)界面結(jié)合、良好的相容性；(2)通過選擇反應(yīng)物來(lái)控制增強(qiáng)體種類、大小和數(shù)量，并可以通過工藝來(lái)控制其大小和分布，不易出現(xiàn)增強(qiáng)體的團(tuán)聚和偏析；(3)省去了增強(qiáng)體的預(yù)處理，簡(jiǎn)化了工藝流程，成本也相對(duì)降低：(4)增強(qiáng)體顆粒細(xì)小，往往處于微米級(jí)或微米以下，能保證鋁基復(fù)合材料不但有良好的韌性和高溫性能，而且有很高的強(qiáng)度和彈性模量； (5)能與鑄造工藝結(jié)合，直接制造出形狀復(fù)雜、尺寸變化大的近終形產(chǎn)品。原位反應(yīng)合成的鋁基復(fù)合材料，具有細(xì)晶粒組織結(jié)構(gòu)，生成的增強(qiáng)體細(xì)小，可達(dá)到1微米粒度以下，且增強(qiáng)體與基體合金界面結(jié)合良好，具有優(yōu)良的機(jī)械性能，更高的耐磨性能和高溫性能。1.4.3顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合

38、材料的增強(qiáng)體 原位合成鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)體是由材料部反應(yīng)合成的，相比于外加的增強(qiáng)體，其可選擇的種類較少，其中以粒子形態(tài)的增強(qiáng)體為主。1.4.4顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料的應(yīng)用在航空航天方面，Al356和Al357SiC顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料可制造飛機(jī)液壓管，直升飛機(jī)支架和閥體。2099鋁合金+25SiC材料可以制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零件。美國(guó)DwA特種復(fù)合材料公司用(SiCp)25增強(qiáng)6061鋁合金基復(fù)合材料代替7075鋁合金生產(chǎn)宇航結(jié)構(gòu)導(dǎo)槽、角材，其密度下降了17，用Al357合金+(SiC)20可以制造坦克火力控制鏡的基片和導(dǎo)彈機(jī)翼。在汽車制造方面，幾乎所有的歐美汽車制造廠，在研究采用金屬基復(fù)合材

39、料制造制動(dòng)盤、制動(dòng)鼓。國(guó)已將鋁基復(fù)合材料應(yīng)用于剎車輪，使其重量減少了3060，且導(dǎo)熱性大大改善。顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料還可用于制造自行車、醫(yī)療器具、運(yùn)動(dòng)器械等其他高性能要求的零部件。尤其現(xiàn)在研究較多的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料性能優(yōu)異，用作功能材料，可望在機(jī)械、冶金、建材、電力等工業(yè)部門得到更廣泛的應(yīng)用。1.5研究意義Al、Nb合金是Al基鑄造合金中最重要的一個(gè)系列，占鋁鑄件產(chǎn)量的8590，主要原因是它具有低密度、高強(qiáng)度、另外，焊接、鑄造、耐磨、耐熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于航空、航天和汽車領(lǐng)域。近年來(lái)，原位合成顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料因其一方面具有高的比強(qiáng)度，比剛度，低的熱膨脹系數(shù)，耐磨損，

40、成本低等優(yōu)點(diǎn)，另一方面由于其增強(qiáng)體在熔體反應(yīng)生成，具有尺寸小，界面潔凈無(wú)污染，熱穩(wěn)定性好，且與基體界面相容性好等特點(diǎn)，在航空，航天以與兵器和車輛等領(lǐng)域中，獲得了迅速的發(fā)展，是一種理想的新型結(jié)構(gòu)材料，以成為鋁基復(fù)合材料研究中的一個(gè)重要的研究方向。自反應(yīng)原位生成增強(qiáng)體的鋁基復(fù)合材料是復(fù)合材料領(lǐng)域中的一種新的制備方法，由于具有制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，材料制造成本低等優(yōu)點(diǎn)而日益受到人們的重視。對(duì)于單相增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，日本豐田公司在1983年首次成功地用A12O3A1基復(fù)合材料制備了發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，與原來(lái)鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)活塞相比，質(zhì)量減輕了510，導(dǎo)熱系數(shù)提高了4倍左右。美國(guó)一汽公司研制了用Si

41、C顆粒增強(qiáng)的A1、Si、Mg基復(fù)合材料制成的剎車輪；Dural公司采用攪拌熔鑄法研制了A12O36061Al復(fù)合材料，用作汽車傳動(dòng)軸，與鋼傳動(dòng)軸相比，不平衡臨界速度提高了14，在國(guó)，工業(yè)大學(xué)，交通大學(xué)，大學(xué)等對(duì)復(fù)合材對(duì)A12O3、TiB2、TiC、SiC等單一顆粒增強(qiáng)Al基復(fù)合材料進(jìn)行了大量的研究，然而單一增強(qiáng)體已經(jīng)不能完全滿足材料需要具備更高性能的要求，因此開發(fā)具有更多性能的鋁基復(fù)合材料是當(dāng)今材料發(fā)展的必然趨勢(shì)，對(duì)于多相增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究目前已經(jīng)引起了很多學(xué)者的青睞，而對(duì)于AL-Nb間化合物的研究卻更是少見，目前也只是只是在AL-Ni，AL-Mg，Al-Fe，進(jìn)行過研究，而用反應(yīng)鑄造法制

42、備Nb-Al鋁基復(fù)合材料的研究卻很少有人涉與。由于Nb-AL原位反應(yīng)生成的AL3Nb金屬間化合物具有優(yōu)越的性質(zhì)，作為增強(qiáng)顆粒，與鋁相容性很好，是理想的增強(qiáng)顆粒，所以研究它無(wú)疑對(duì)AL-Nb化合物增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究增加更多的參考價(jià)值，本文采用反應(yīng)鑄造法原位合成Al3Nb顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，也正是基于增強(qiáng)體優(yōu)越的性質(zhì)，以與反應(yīng)鑄造原位合成制備技術(shù)成本較低，工藝簡(jiǎn)單，容易操作。1.6研究容主要研究容為原位復(fù)合材料的制備工藝、增強(qiáng)相尺寸控制、原位復(fù)合材料的最佳成分選擇、常溫力學(xué)性能檢測(cè)、增強(qiáng)相與基體界面的金屬學(xué)特征、增強(qiáng)機(jī)制的分析和討論。研究Al-Nb系統(tǒng)，以純鋁為機(jī)體，分別采用熔體反應(yīng)方法制備(

43、Al3Nb)復(fù)合材料，分別探討了不同的反應(yīng)工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料組織性能的影響，通過實(shí)驗(yàn)方案，熔鑄溫度對(duì)鋁基復(fù)合材料性能的影響因素進(jìn)行了研究，并最終找到最佳的熔鑄溫度。采用光學(xué)顯微鏡觀察Al3Nb顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的形貌與分布、顆粒的大小等。采用硬度計(jì)測(cè)試不同熔鑄溫度的硬度力學(xué)性能。立式萬(wàn)能磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試不同熔鑄溫度的耐摩擦磨損程度。從而通過顯微組織的關(guān)系對(duì)Al3Nb顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行分析。鈮與鋁形成的金屬間化合物具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、較高的熔點(diǎn)和較低的密度。這種材料與目前廣泛研究和應(yīng)用的FeAl系、NiAl系、TiAl系相比，具有更高的熔點(diǎn)和適中的密度，是一種潛在的高溫結(jié)構(gòu)材料。

44、同時(shí)，NbA1也可作為一種高電流、高磁場(chǎng)下的超導(dǎo)材料來(lái)使用。由于具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)和有限的滑移帶，鈮鋁金屬間化合物的室溫塑性和韌性差，因此，提高延性和增韌是其獲得工業(yè)應(yīng)用的必備條件。第二章顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料的制備2.1實(shí)驗(yàn)材料本實(shí)驗(yàn)所需合金材料成分如下：不同熔鑄溫度對(duì)對(duì)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的影響實(shí)驗(yàn)用的基體為工業(yè)純鋁（99.5%），鈮粉（Nb)純度：99.9%，粒度：300目，以下圖表為工業(yè)純鋁的成分。（試樣總質(zhì)量為100g）表2-1 試驗(yàn)用工業(yè)純鋁的化學(xué)成分表，wt%AlFeSiCuCa其他99.50.30.250.020.030.032.1.1增強(qiáng)相選擇在過去幾十年，大量的研究者都集

45、中在瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究中。相對(duì)傳統(tǒng)鋁合金而言，其可以大大改善材料的機(jī)械性能，然而，這些材料有以下不足：基體與瓷增強(qiáng)相的熱膨脹系數(shù)相差很大、高的脆性。金屬間化合物與鋁基體的熱膨脹系數(shù)相近，相對(duì)瓷而言，有小的脆性。金屬間化合物作為增強(qiáng)相的復(fù)合材料在復(fù)合材料的研究中，也是一個(gè)有吸引的領(lǐng)域。2.1.2基體的選擇 它具有低密度、高模量、高熔點(diǎn)、以與好的循環(huán)使用性能等優(yōu)點(diǎn)，所以鈮的三鋁金屬間化合物可以很好的應(yīng)用于鋁基復(fù)合材料中。最使人們感興趣的是Al3Nb，其密度 (4.54gcm3)，高熔點(diǎn)(1605)這些是SiC所不具有的。2.1.3反應(yīng)物的選擇本課題采用原位反應(yīng)法制備復(fù)合材料，反應(yīng)物在熔體與基

46、體發(fā)生反應(yīng)生成增強(qiáng)相。為實(shí)驗(yàn)的可行性與經(jīng)濟(jì)性，反應(yīng)物的選擇有：Nb粉和純鋁加入Nb摩擦磨損測(cè)試2.2實(shí)驗(yàn)方法與步驟原 料 熔煉，澆鑄 試樣加工特性測(cè)試金相觀察硬度測(cè)試2.3實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備1.熔煉、澆鑄與熱處理設(shè)備：（1）高溫箱式加熱用電阻爐 型號(hào)：RJX-4-13額定功率：4kw 頻率：50Hz額定溫度：1350接線方式： 并聯(lián)穩(wěn)定電壓：30-100伏 生產(chǎn)廠家：第二電爐制造廠（2）粘土坩堝，坩堝鉗，耐火磚（3）金屬型模具 直徑：22mm 長(zhǎng)度：90mm2. 拋光機(jī)； 金相試樣拋光機(jī)型號(hào)：P-2型 拋盤直徑：200 mm 轉(zhuǎn)速：1400 r/min電動(dòng)機(jī)：0.18KW、220V、50HZ3.金

47、相砂紙，拋光粉，拋光膏4. 電子秤5.硬度計(jì)：用來(lái)測(cè)試顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的硬度。維氏硬度計(jì)（HVS-320） 組成：工作臺(tái)升降系統(tǒng)，載物塔臺(tái)轉(zhuǎn)換與全自動(dòng)加荷機(jī)構(gòu)，圖像顯示系統(tǒng)。 功能：測(cè)定黑色金屬，硬度和金，有機(jī)金屬表面滲氮層，非金屬材料的維氏度.6.MM-W1型立式萬(wàn)能磨損試驗(yàn)機(jī)MM-W1型立式萬(wàn)能磨損試驗(yàn)機(jī)是由主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、各種摩擦副專用夾具、油盒與加熱器、摩擦力矩測(cè)定系統(tǒng)、摩擦副下副盤升降系統(tǒng)、彈簧式微機(jī)施力系統(tǒng)、操作面板系統(tǒng)以與試驗(yàn)機(jī)減震墊鐵等部分組成。主要技術(shù)指標(biāo)：軸向試驗(yàn)力工作圍 10-100N試驗(yàn)力示值相對(duì)誤差 1%測(cè)定最大摩擦力矩 2.5Nm摩擦力矩示值相對(duì)誤差 2%主軸無(wú)級(jí)變速

48、圍 12000rmin試驗(yàn)介質(zhì) 油，水，泥漿，磨料等加熱器工作圍 室溫200試驗(yàn)機(jī)時(shí)間顯示與控制圍 10s999min試驗(yàn)機(jī)主電機(jī)輸出最大力矩 5Nm設(shè)備主要功能：M M-W1型立式萬(wàn)能磨損試驗(yàn)機(jī)在一定的接觸壓力下，具有滾動(dòng)，滑動(dòng)或滑滾復(fù)合運(yùn)動(dòng)的摩擦形式，可在極低速或高速條件下，用來(lái)評(píng)定潤(rùn)滑劑，金屬，塑料，涂層，橡膠，瓷等材料的摩擦磨損性能。7.金相顯微鏡：對(duì)原位合成的復(fù)合材材料進(jìn)行金相組織觀察。對(duì)其中幾臺(tái)進(jìn)行下介紹：蔡司光學(xué)顯微鏡（德國(guó)Axioimager）組成：又反射光照明器，聚焦轉(zhuǎn)換器，觀察筒和載物臺(tái)等部分組成功能：觀察金屬組織，拍攝圖像，同時(shí)可進(jìn)行組織分析。奧林巴斯倒置式系統(tǒng)金相顯微鏡

49、（日本GX51F金相顯微鏡） 組成：光學(xué)系統(tǒng)，反射光照明器，電子系統(tǒng)，聚焦系統(tǒng)，物鏡轉(zhuǎn)換器，觀察筒和載物臺(tái)部分組成。 功能：可在不同的放大倍數(shù)下觀察金相組織，拍攝圖像，其倒置載物臺(tái)放寬了對(duì)樣品的形狀要求，不用考慮物體非觀察面的平整和高低情況，用于觀察較厚的和較大的金屬材料等的載面，同時(shí)利用系統(tǒng)轉(zhuǎn)換可以分析樣品的金相組織，如晶粒度的評(píng)級(jí)，第二相的面積測(cè)量，層深長(zhǎng)度測(cè)量等。2.4實(shí)驗(yàn)原理 Nb-Al 合金在熔煉過程中，由于鈮和鋁的密度和熔點(diǎn)存在很大的差異，容易導(dǎo)致低熔點(diǎn)元素的揮發(fā)， Nb 和氣氛氣體、坩鍋或模具之間的反應(yīng), 從而影響合金收率。電子束熔煉、真空或氬電弧熔煉、等離子電弧熔煉是熔鑄Nb-

50、Al 合金的常用方法。熔煉時(shí)，由于其能量高導(dǎo)致Al 的揮發(fā)很嚴(yán)重,難以獲得所需要的合金成分；所以Nb-Al 合金在熔煉過程中比較苛刻，對(duì)設(shè)備要求比較嚴(yán)格。本實(shí)驗(yàn)選擇電阻爐進(jìn)行爐料的熔煉。2.5實(shí)驗(yàn)過程1.爐料的配料、熔煉與澆鑄過程按照實(shí)驗(yàn)試件所需爐料的配比將原材料在鉗工臺(tái)上使用手鋸進(jìn)行切割配制，將配好的爐料按試件編號(hào)準(zhǔn)備好。配好爐料后開始給電阻爐升溫，本組實(shí)驗(yàn)需要兩個(gè)電阻爐，一號(hào)高溫電阻爐用于爐料的熔煉，二號(hào)中溫電阻爐用于金屬型模具的預(yù)熱。實(shí)驗(yàn)前先將坩堝預(yù)熱使坩堝中的水分蒸發(fā)掉。將二號(hào)電阻爐升溫至200將金屬型模具放入其進(jìn)行預(yù)熱處理。將一號(hào)爐升溫至1100，待爐溫穩(wěn)定后將將盛有一定量工業(yè)純鋁鋁

51、塊的石墨坩堝放入高溫電阻爐中。設(shè)置變量熔鑄溫度750、800、850、 900制備復(fù)合材料，反應(yīng)物選擇10%的Nb（占鋁的百分含量），且加入冰晶石(六氟鋁酸鈉Na3AlF6)與Nb比為1:4，投入到坩堝中，攪拌10分鐘，使它們充分反應(yīng)，保溫40分鐘，再充分的攪拌，澆入預(yù)熱鋼質(zhì)模具中，等到澆鑄后的試件冷卻后將其從模具中取出。然后制成金相試樣。熔鑄溫度 表2-2試樣編號(hào)保溫時(shí)間(min)攪拌時(shí)間(min)熔鑄溫度（）1#40107502#40108003#40108504#40109002金相試樣的制備(1)將從鑄件上取下的試樣先用鋼銼將其表面較深的鋸痕與氧化層除去，再在砂輪機(jī)上倒出角度大約為45

52、的倒角，防止精拋時(shí)毛邊刮蹭精拋布造成不必要的劃痕。(2)在水平工作臺(tái)上依次使用砂粒度為500、800、1200、1500、2000的金相水磨砂紙將樣品的平面磨光，直到試件表面無(wú)明顯劃痕時(shí)（也就是在磨制一段時(shí)間后將試樣沿磨制方向旋轉(zhuǎn)90。，使新磨痕與舊劃痕垂直，直到舊劃痕完全消失為止），再更換下一型號(hào)更細(xì)的砂紙。每更換一次砂紙都要將試件表面清洗干凈，防止上一次粗砂紙的砂粒殘留于細(xì)砂紙上在磨制時(shí)形成不必要的劃痕。(3)砂紙打磨后的無(wú)劃痕的試件就可以粗拋光了。在拋光機(jī)的拋盤上裝上粗拋光布，將裝水的礦泉水瓶中加入拋光粉，使其均勻混合。在拋光過程中一邊打磨試件。一邊不斷地向拋光布上噴灑混有拋光粉的水。直

53、到試件表面較為光潔且無(wú)劃痕。 (4)粗拋光后就可以精拋光了，同粗拋光一樣，只不過在拋光過程中需要使用精拋光布，而且要在試件表面涂抹拋光膏（拋光膏可以更好的打磨試樣表面的劃痕），并需要不斷地向精拋光布上噴灑混有洗潔精的水。直到試件表面光亮如鏡，無(wú)明顯劃痕和水痕就可以進(jìn)行下一步的腐蝕了。3. 金相腐蝕本組試件所用腐蝕劑是體積分?jǐn)?shù)為0.5%的HF，腐蝕過程屬于化學(xué)腐蝕。化學(xué)腐蝕就是將精拋光好的磨光面在化學(xué)腐蝕劑中腐蝕一定時(shí)間，從而顯示其試樣組織形貌。腐蝕原理是由于晶界上原子排列不規(guī)則，具有較高自由能，所以晶界易受腐蝕而呈凹溝，使組織顯示出來(lái)，在顯微鏡下可以看到多邊形的晶粒。先將腐蝕液配好放置于器皿中

54、，然后將拋光好的金相試樣光面用清水或酒精清洗干凈并吹干，然后置于腐蝕液中。由于本實(shí)驗(yàn)鋁基合金試樣其他合金元素含量很少所腐蝕時(shí)間不易確定，因此每腐蝕5s后即用清水沖洗，然后用電吹風(fēng)吹干或用過濾紙將表面水分吸干，再在顯微鏡下觀察組織形貌，如此類推直到晶界清晰可見為止。其過程大致為：清洗試樣表面并吹干計(jì)時(shí)腐蝕清洗腐蝕面吹干組織形貌觀察。注意事項(xiàng)：1.腐蝕前一定確保試樣拋光面光亮如鏡，無(wú)贓物，無(wú)劃痕，否則腐蝕后拋光面有許多黑色污點(diǎn)，而且劃痕會(huì)更加清晰可見嚴(yán)重影響組織形貌的觀察和組織的分析。2. 一般情況下經(jīng)過腐蝕的表面會(huì)由光亮如鏡變得光澤灰暗，隱約有一層白色的霧，所以一定掌握好腐蝕時(shí)間。3.在配置腐蝕

55、液和腐蝕過程中一定要佩戴橡膠手套以防灼傷皮膚。4.金相組織觀察 腐蝕好的試樣進(jìn)行金相組織觀察。本組實(shí)驗(yàn)使用奧林巴斯倒置式系統(tǒng)金相顯微鏡（日本GX51F金相顯微鏡），將試樣分別在100,200,500和1000倍下進(jìn)行觀察。第三章 試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1樣品表征1.金相觀察 圖3-1 不同處理狀態(tài)下鋁基原位復(fù)合材料的金相顯微組織a為純鋁組織，b為熔鑄溫度750組織在熔鑄溫度為750組織與純鋁的組織圖對(duì)比可以看出有少量Al3Nb顆粒增強(qiáng)體生成分布于鋁基中，其含量較少且分布不均勻，Al3Nb顆粒增強(qiáng)體多成點(diǎn)鏈狀分布于鋁基中，所以在此溫度大量的Nb粉和純鋁并沒有完全反應(yīng)生成Al3Nb顆粒溶于基體中。而沉

56、積于熔體底部。圖3-2 不同處理狀態(tài)下鋁基原位復(fù)合材料的金相顯微組織a為純鋁組織，b為熔鑄溫度800組織在熔鑄溫度為800組織與純鋁的組織圖對(duì)比可以看出有Al3Nb顆粒增強(qiáng)體生成分布于鋁基中，其含量較少且分布較為均勻，Al3Nb顆粒增強(qiáng)體成團(tuán)球狀分布于鋁基中，所以在此溫度下鋁基中溶解的Al3Nb顆粒增強(qiáng)體量有所提高。圖3-3 不同處理狀態(tài)下鋁基原位復(fù)合材料的金相顯微組織a為純鋁組織，b為熔鑄溫度850組織在熔鑄溫度為850組織與純鋁的組織圖對(duì)比可以看出有大量的Al3Nb顆粒增強(qiáng)體生成分布于鋁基中，大部分粒狀的Al3Nb顆粒增強(qiáng)體多成團(tuán)狀聚集分布于鋁基中，即其分部彌散程度較差，并且分布也不均勻，

57、但在此溫度下鋁基中溶解的Al3Nb顆粒增強(qiáng)體量很多。圖3-4 不同處理狀態(tài)下鋁基原位復(fù)合材料的金相顯微組織a為純鋁組織，b為熔鑄溫度900組織在熔鑄溫度為900組織與純鋁的組織圖對(duì)比可以看出幾乎沒Al3Nb顆粒增強(qiáng)體生成分布于鋁基中，再此溫度下Al3Nb顆粒增強(qiáng)體很少溶于鋁基體中 ，所以在此溫度大量的Nb2O5粉和純鋁并沒有完全反應(yīng)生成Al3Nb顆粒溶于基體中。而沒有反應(yīng)的Nb是沉積于熔體底部。圖3-5不同處理狀態(tài)下鋁基原位復(fù)合材料的金相顯微組織a為熔鑄溫度750組織，b為熔鑄溫度800組織，c為熔鑄溫度850組織，d為熔鑄溫度900組織在不同溫度下隨著熔鑄溫度的提高Al3Nb顆粒增強(qiáng)體生成分

58、布于鋁基中，成先增加后減少的趨勢(shì)：1.在熔鑄溫度為750組織,有少量Al3Nb顆粒增強(qiáng)體生成分布于鋁基中，其含量較少且分布不均勻，Al3Nb顆粒增強(qiáng)體多成點(diǎn)鏈狀分布于鋁基中。2.在熔鑄溫度為800組織,有少量Al3Nb顆粒增強(qiáng)體生成分布于鋁基中，其含量較少且分布較為均勻，Al3Nb顆粒增強(qiáng)體成團(tuán)球狀分布于鋁基中。3.在熔鑄溫度為850組織,Al3Nb顆粒增強(qiáng)體生成分布于鋁基中，大部分粒狀的Al3Nb顆粒增強(qiáng)體多成團(tuán)狀聚集分布于鋁基中。4.在熔鑄溫度為900組織,幾乎沒Al3Nb顆粒增強(qiáng)體生成分布于鋁基中，再此溫度下Al3Nb顆粒增強(qiáng)體很少溶于鋁基體中 。3.2性能測(cè)試1.摩擦磨損測(cè)試一定的接觸

59、壓力下，具有滾動(dòng)，滑動(dòng)或滑滾復(fù)合運(yùn)動(dòng)的摩擦形式，可在極低速或高速條件下，用來(lái)評(píng)定潤(rùn)滑劑，金屬，塑料，涂層，橡膠，瓷等材料的摩擦磨損性能。在轉(zhuǎn)速為150r/min，時(shí)間為三分鐘的磨損下進(jìn)行：1#的磨損測(cè)試（單位：g）表3-1接觸壓力(N)12345平均值200.00310.00320.00320.00320.00330.00320300.00330.00320.00330.00320.00340.00328400.00350.00360.00340.00340.00350.00348500.00360.00350.00370.00360.00360.00360600.00380.00370.00

60、390.00400.00380.003842#的磨損測(cè)試（單位：g）表3-2接觸壓力(N)12345平均值200.00300.00310.00310.00320.00300.00308300.00320.00320.00310.00320.00320.00318400.00330.00340.00330.00340.00330.00334500.00350.00340.00350.00340.00360.00348600.00350.00350.00360.00370.00360.003583#的磨損測(cè)試（單位：g）表3-3接觸壓力(N)12345平均值200.00300.00290.0031