描述和实证模型的滑动磨损烧结Aluminium-Graphite复合材料

文摘

Aluminium-graphite使用粉末冶金复合材料合成路线。石墨添加钢筋在0、3、6重量%和复合材料是由P / M。新合成复合材料的微观结构分析进行了使用SEM。研究了复合材料的硬度使用维氏显微硬度测试仪,通过应用负载的1公斤,持续5秒。孔隙度确定的数量。进一步的进行了磨损试验烧结标本使用pin-on-disc穿装置根据ASTM-G99标准。研制了一个回归模型预测试样的磨损率。然后使用SEM磨损图像进行了研究基于响应面方法为了理解各种磨损机制。轻微磨损的研究显示,oxidational磨损、耕作、切割、和塑性变形的主要机制是负责造成磨损。

1。介绍

最近新材料工程领域的重要地位。这些材料预计将满足需求几乎所有的工程领域的应用具有巨大的机械和物理性能。现状,各种工程材料科学家和研究人员正在开发新的将通用的应用程序兼容。各种材料相互结合,产生目的属性在每个世界的一部分;也就是说,新材料的发展给了另一个独特的属性,不同于他们的基础材料。从古老的时代,这个想法一直对人类有效。复合材料使这个概念真的和在一个矩阵添加强化材料有助于增强属性。然而无论是单独与矩阵或强化所需的属性可以实现也可以结合这两种成分的复合材料。复合材料是激动人心的材料找到越来越多的应用于航空航天、国防、交通、通信、电力、电子、娱乐、体育、和许多其他商业和消费产品。近年来,大量的工作已经进行的金属matrix-graphite粒子复合材料表现出低摩擦、低磨损、出色的抗癫痫的属性。 In these composites, graphite presumably improves tribological properties by forming a graphite-rich transfer film on the sliding surfaces [1]。取得了相当大的努力,把润滑颗粒在铝矩阵来提高耐磨性。Aluminium-graphite颗粒复合材料表现出它的潜力作为自润滑材料,提高耐磨性,可加工性,延迟性严重的磨损和发作(2,3]。

金属基复合材料(间)代表了新一代工程材料。bicontinual随着制造技术的发展,更多的间质被发现适合取代一些传统的金属整体合金等各种等级的Al合金在应用程序中,重量轻,节能是重要的设计考虑4,5]。即使他们最近使用带来了极大的影响,他们有更多的由于他们的有用属性比强度、比刚度,耐磨性,耐腐蚀、弹性模量等(4,6]。金属基复合材料(间)结合金属属性(延性和韧性)和陶瓷属性(高强度和模量)拥有更大的力量在剪切和压缩温度和高服务能力。间的广泛使用在航空航天,汽车工业,结构应用增加了在过去的二十年里由于廉价的增援部队的可用性和成本有效的处理路线产生可再生的特性。矩阵之间的边境地带和强化阶段(接口或相间)是一个重要的组成部分,MMC。键之间的界面摩擦压力的两个阶段的发展,物理和化学相互作用,热应力由于热膨胀系数的不匹配矩阵和强化1,7]。在MMC底层界面现象的设计控制热,电气和机械性能是至关重要的。最近承认的陶瓷增援使操纵间的物理和机械性能导致了越来越多的广泛使用这些材料在电子封装和热量管理应用程序。最近的市场预测显示加速增长的前景MMC的使用的材料更广泛理解和很便宜,建议对这类材料一个光明的未来。

间研究和发展大大增加了在过去十年中由于其改进的模量、强度、耐磨性、热阻、抗疲劳强度和改善性能的一致性和性能相比一般无钢筋基体合金(8]。增援部队被添加了外在的或内部的化学反应形成的。间的属性依赖矩阵的属性材料,增援,matrix-reinforcement接口。

2。实验的细节

2.1。材料和方法

复合材料是用金属粉末为原料生产的。使用纯铝粉雾化平均粒径为45μm。石墨粉末的平均粒度是50μm。

2.1.1。制备复合材料

这些复合材料是利用粉末冶金路线,由混合、压实和烧结。

混合的粉末。粉末混合在一个烧杯和搅拌30分钟的时间。

压实。粉末填充到模腔,使用单轴压压实了。模具由死腔,一个上打孔,打孔和顶出杆较低。第一个死腔是放在底部打孔和粉末填充到模腔。然后上打孔是放在应用上打孔模具和压力为了获得绿色紧凑。的获得的契约毫米。压实负荷根据所需的密度是不同的。获得给定的各种载荷不同密度如下所示:低密度(2.47 g / cc) = Load-2 Mpa介质密度(2.56 g / cc) = Load-5 Mpa高密度(2.7 g / cc) = Load-7 Mpa

烧结。烧结(热处理)进行了马弗炉。在烧结前绿色契约有陶瓷涂层,以防止氧化在烧结过程中。契约是第一加热到625°C的温度,在温度约60分钟,然后慢慢冷却炉本身。

2.2。扫描电镜分析

与客观研究绿色复合材料的微结构扫描电镜分析。SEM图像被中央在本地治里大学仪器设备(CIF)。

2.3。显微硬度测试

新合成的复合材料的硬度测量使用维氏硬度测试机。五个监测读数为每个样本以确定机器的可重复性。

2.4。孔隙度测量

孔隙度是衡量使用以下公式: 孔隙度,烧结密度,理论密度。

2.5。密度测量

复合材料的密度是衡量使用阿基米德原理。

2.6。Pin-on-Disc磨损试验

进行了磨损试验标本准备根据ASTM可以标准。根据运行的测试进行了从设计矩阵获得通过改变负载应用以及总滑动距离。滑动速度保持不变是0.3 m / s。

2.7。磨损表面的扫描电镜图像

为了了解各种机制参与穿,SEM分析完成。SEM图像被中央在本地治里大学仪器设备(CIF)。EDX分析也采取磨损表面看到的各种元素理解类型的磨损发生。

3所示。实验设计

实验设计(DOE)或实验设计是任何信息收集的设计练习存在差异,是否实验者的完全控制下。然而,在统计,这些术语通常用于控制实验。正式计划试验通常用于评估物理对象,化学配方结构,组件和材料。其他类型的研究,他们的设计,讨论了民意调查和统计调查的文章(类型的观察性研究),自然实验,和准试验。

3.1。响应面方法

在统计数据,响应面方法(RSM)探讨了几个解释变量之间的关系和一个或多个响应变量。方法介绍了g . e . p .盒子和k·b·威尔逊在1951年。RSM的主要思想是利用一系列设计实验来获得一个最优的响应。盒子和威尔逊建议使用一个二次多项式模型。他们承认这个模型只是一个近似但使用它,因为这样一个模型很容易估计,并应用,即使是知之甚少的过程。

响应面方法是数学和统计技术的集合,用于建模和分析的问题感兴趣的反应是受多个变量和目标是优化此响应。在大多数的RSM问题的形式反应和独立变量之间的关系尚不清楚。因此RSM的第一步是找到一个合适的近似真实的功能y和独立变量之间的关系。通常一个低阶多项式雇佣了一些地区的独立变量。如果响应是由独立变量的线性函数近似函数是一阶模型。如果系统中有一个曲率多项式等必须使用更高程度的二阶模型。几乎所有RSM这些模型使用一个或两个问题。RSM的多事的目标是确定最优操作条件的系统或确定一个地区因素空间操作需求得到满足。

3.2。从RSM设计矩阵

设计矩阵是通过选择四个因素和三个层次,采用RSM 8.0.7.1利用设计专家。

4所示。结果与讨论

4.1。扫描电镜分析

SEM图像(图1(一))描述了微观结构是由大量的气孔密度较低的准备。随着石墨含量的增加气孔的数量会大大减少,如图1 (b)。但是它包含毛孔因为低压缩加载应用在压实。随着密度的增加,孔隙度会降低,因为粮食由于高负载被夷为平地。这个图中可以看到1 (c)。由于更高的负载已应用在石墨粒子凝聚和贱金属形成了一个电影,这将是非常有用的在减少磨损。这是明显的从图1 (d)。

4.2。显微硬度测试

从图2可以看出,随着%的石墨含量的增加,复合材料的硬度会下降。这是归因于石墨粒子的软性质由于它使硬度计压头容易复合。

这是清楚地看到从图3随着密度增加复合材料的硬度增加。这是由于这样的事实,在较高压缩加载晶粒结构发生应变硬化效应由于硬度的增加。

4.3。孔隙度测量

已经观察到的从图4,随着石墨含量的增加孔隙度降低。这是归因于石墨粒子的柔和自然容易填充孔隙结构中。

气孔的体积会随着密度的增加而减少。这是由于谷物的高压缩负载由于夷为平地从而减少孔隙。这可以从图5。

4.4。Pin-on-Disc磨损试验

从图6推断,随着负载的增加,磨损率增加。随着负载的增加,表面微凸体之间的接触压力的增加,从而增加了穿。磨损率也在滑动的距离增加而增加。随着滑动距离增加滑动接触的面积会增加从而导致增加磨损。这就是从Archard磨损模型 从图7它可以观察到,随着负载的增加,磨损率增加。随着负载的增加,表面微凸体之间的接触压力增加,从而增加了穿。与石墨含量增加石墨粒子得到凝聚从而形成薄膜从而减少磨损。随着密度的增加,硬度增加,毛孔得到降低从而提高复合材料的耐磨性,可以观察到从图11。

进行了磨损试验标本准备根据ASTM可以标准。根据获得的运行进行了测试从设计矩阵表2通过改变负载应用以及总滑动的距离。滑动速度保持不变是0.3 m / s。各种参数和水平如表所示1和3。

复合材料的硬度值在不同石墨含量和不同密度如表所示4。

从图8它可以观察到,随着负载的增加,磨损率增加。随着负载的增加,表面微凸体之间的接触压力增加,从而增加了穿。随着密度的增加,硬度增加,毛孔得到减少从而降低磨损率。

从图9结果表明,磨损率随滑动距离的增加。随着滑动距离增加滑动接触的面积会增加从而导致增加磨损。与石墨含量增加石墨粒子得到凝聚从而形成薄膜从而减少磨损。

图10证明了磨损率随滑动距离的增加。随着滑动距离增加滑动接触的面积会增加从而导致增加磨损。随着密度的增加,硬度增加,毛孔得到降低从而提高复合材料的耐磨性。

与石墨含量增加石墨粒子得到凝聚从而形成薄膜从而减少磨损。随着密度的增加,硬度增加,毛孔得到降低从而提高复合材料的耐磨性。

4.5。回归模型

回归方程得到RSM分析基于实验穿损失表达 回归分析表明,二阶回归模型充分代表磨损率的过程变量。自从外加负载系数和滑动距离是积极的,体重增加而增加应用的负载和增加滑动的距离。

4.6。磨损表面的扫描电镜图像

从微观结构图像如图12(一个)可以说,在低负载条件轻微磨损,耕作,oxidational穿是主要的机制。EDX证实氧化物粒子的存在反映了oxidational穿的存在。

从微观结构图像如图13可以说,在低负载条件轻微磨损,耕作,oxidational穿是主要的机制。EDX证实氧化物粒子的存在也反映了oxidational穿和石墨粒子由于切割出来行动。

图14表明在高加载轻微磨损会转化为严重的磨损造成塑性变形最终导致破损的纤维。

图15表明,石墨粒子的存在阻止了纤维断裂后塑性变形。

5。结论

(1)复合材料合成使用粉末冶金技术。(2)SEM照片显示,在低密度孔隙度呈现通常是高的。在更高的密度由于毛孔得到更高的压缩载荷大大减少。(3)从SEM图像很明显,随着石墨含量的增加,孔隙度会降低。这是因为软石墨粒子占据了空洞。(4)硬度试验表明,随着石墨粒子增加硬度的降低。这是归因于软石墨粒子的性质使意愿复合表面很容易。(5)复合材料的硬度密度增加而增加。这是由于应变硬化效应由于硬度增加。(6)磨损试验表明,磨损率增加而增加负载和滑动距离和随石墨含量和密度的增加而减小。(7)磨损表面的SEM形貌显示,轻微磨损,严重磨损由于塑性变形,耕作,切割,oxidational穿是主要的机制。(8)实证二阶回归模型开发将有助于预测复合材料的磨损率。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

引用

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