互不溶Al-Sn合金的纳米相结构及其性能

摘要

本文利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、差示扫描量热仪(DSC)、显微硬度和纳米压痕测试、压溃实验和摩擦磨损试验等实验方法系统研究了机械合金化制备的互不溶Al—Sn合金的纳米相结构及其热学、力学和摩擦学性能。 首先，本文研究了Al—Sn合金在球磨和烧结过程中的组织结构演变。结果表明，通过采用合适的球磨工艺参数，机械合金化方法可以获得纳米级Sn颗粒均匀弥散分布于纳米晶Al基体中的纳米相Al-20wt％Sn合金。随着烧结温度的升高，纳米相Al-20wt％Sn合金中的Sn相逐渐长大。当烧结温度低于Al—Sn共晶温度时，细小的Sn相均匀弥散分布于Al基体中；当烧结温度超过Al—Sn共晶温度时，粗大的Sn相沿粉末颗粒的边界呈网状分布。Sn相的网状分布形态和球磨后粉末颗粒的尺寸分布有关。通过调整球磨工艺改变粉末颗粒的尺寸分布，可以控制Sn相的网状分布形态及网状结构的尺寸，进而改善纳米相Al-20wt％Sn合金高温烧结后的显微组织。通过优化压制烧结工艺，可以显著提高纳米相Al-20wt％Sn合金的致密度，并有效抑制合金中Sn相的长大，使得合金经烧结后依然保持纳米相结构。机械合金化制备的纳米相Al-20wt％Sn合金在合适的压制烧结工艺条件下，其表面可以生长出Sn纳米线。高能球磨、压制力和烧结温度是决定能否生长出Sn纳米线的关键因素，烧结气氛压力和冷却速率是影响Sn纳米线的数量及其长度的重要因素，而保温时间则对Al-20wt％Sn合金表面上Sn纳米线的生长没有明显影响。 其次，本文研究了纳米相Al-20wt％Sn合金体系中各相熔点和共晶点的变化、熔化行为与纳米相结构的关系，并对其熔化行为进行了热力学解释。研究表明，在纳米相Al-20wt％Sn合金中，Al、Sn两相的熔点以及Al—Sn的共晶温度均显著下降。合金中Al基体熔点的显著下降可能是由球磨产生的大量的晶界和相界面导致的无序以及球磨引入的杂质Fe引起的。分布在Al基体中的Sn纳米颗粒的熔化行为可以根据热力学模型中颗粒/基体的界面能来判断，Miedema模型的计算证实了实验中观察到的Sn纳米颗粒熔点下降的现象。在球磨过程中，随着晶粒尺寸的减小以及Sn/Al界面的增加，Al、Sn之间的界面能变得更高，这导致了Al—Sn共晶温度的降低。随着合金组织的不断细化，Al—Sn共晶温度下降的幅度要明显大于Sn相熔化温度的下降幅度。这种现象可能与共晶体系中自由能的温度梯度有关，在更低温度的自由能，其温度梯度更小，当组织细化导致共晶体系中的自由能增加时，共晶温度的下降幅度通常要大于熔点的下降幅度。 此外，本文还研究了Al-Sn合金的纳米相结构对弹性模量、硬度以及抗压强度的影响。研究发现，纳米相Al-20wt％Sn合金的弹性模量随着烧结温度的升高而逐渐降低。这是由于纳米相Al-20wt％Sn合金的致密度随烧结温度的升高而逐渐降低，从而导致其弹性模量随着样品孔隙度的增加而呈线性下降。机械合金化是强化Al-Sn合金非常有效的方法，其制备的Al-20wt％Sn合金的硬度是传统铸造方法制备的Al-Sn合金硬度的2～4倍。当烧结温度低于Al-Sn共晶温度时，Al基体晶粒的细化和Sn纳米颗粒的弥散强化是造成纳米相Al-20wt％Sn合金高硬度的主要原因；当烧结温度超过Al-Sn共晶温度时，Al晶粒的长大降低了Al基体的强度，同时粗大的Sn相沿着Al基体晶界的分布对合金起到了软化作用。球磨后的纳米相Al-20wt％Sn合金的抗压强度要明显高于传统的Al-20wt％Sn系合金的抗压强度，这应该归因于纳米相Al-20wt％Sn合金中Al基体的晶粒细化以及Sn纳米颗粒的弥散强化。纳米相Al-20wt％Sn合金经423K烧结后，其抗压强度达到最高；随着烧结温度继续升高，其抗压强度开始下降；当烧结温度超过Al-Sn共晶温度时，合金的抗压强度急剧下降，这主要是由于Sn相在共晶反应之后沿粉末颗粒边界呈网状分布以及Al、Sn晶粒的显著粗化造成的。 最后，本文研究了机械合金化制备的Al-20wt％Sn合金的微动磨损行为和滑动磨损行为，并探讨了Al-Sn合金的摩擦磨损机理。在微动磨损条件下，Al-20wt％Sn合金的摩擦系数和磨损量均随着载荷的增加而增加，而磨损率则随着载荷的增加而降低，其磨损机理主要是以粘着磨损和氧化磨损为主。与其他温度烧结的Al-20wt％Sn合金相比，在473K烧结1h后的纳米相Al-20wt％Sn合金表现出最优的摩擦磨损性能，这在高载荷下(98 N)尤为显著。在滑动磨损条件下，Al-20wt％Sn合金的摩擦系数在低载荷范围内(49～98 N)随载荷的增加而减小，而在高载荷范围内(98～196 N)随载荷的增加而增大；磨损量随着载荷的增加而增加，但其磨损率却随着载荷的增加而降低。其磨损机理主要是氧化磨损、剥层磨损和磨粒磨损；随着烧结温度的升高以及载荷的增加，剥层磨损逐渐向磨粒磨损转变，而氧化磨损则始终存在。与其他温度烧结的Al-20wt％Sn合金以及相同成分的普通粉末冶金样品相比，723 K烧结的Al-20wt％Sn合金表现出最优的耐磨性能，并且在高载荷下(196 N)尤为显著。423 K烧结的纳米相Al-20wt％Sn合金在196 N载荷下磨损1h后，磨损表面生长出了Sn纳米线，其生长机理被认为和扩散蠕变有关。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2互不溶体系

1.2.1互不溶体系的基本特征

1.2.2互不溶体系合金中的亚稳态结构

1.2.3互不溶体系合金的性能

1.3机械合金化

1.3.1机械合金化的机制

1.3.2机械合金化中非平衡相的形成

1.4纳米相合金的性能

1.4.1热学性能

1.4.2力学性能

1.4.3摩擦学性能

1.5互不溶Al-Sn系合金及其在轴承上的应用

1.5.1 Al-Sn系合金的制备技术及组织结构特点

1.5.2 Al-Sn系合金的力学性能

1.5.3 Al-Sn系合金的摩擦学性能

1.6本课题的研究意义及主要内容

第二章实验方法与数据处理

2.1引言

2.2纳米相Al-Sn合金制备

2.2.1机械合金化

2.2.2压制和烧结

2.3组织结构分析

2.4性能测试

2.4.1热分析

2.4.2力学性能

2.4.3微动磨损性能

2.4.4滑动磨损性能

第三章Al-Sn合金的纳米相结构

3.1引言

3.2 Al-Sn合金在球磨过程中的组织结构演变

3.2.1 Fritsch-P5球磨机制备Al-Sn合金

3.2.2 QM-2SP球磨机制备Al-Sn合金

3.3 Al-Sn合金在烧结过程中的组织结构演变

3.3.1压制烧结工艺对Al-Sn合金致密度的影响

3.3.2压制烧结工艺对Al-Sn合金组织结构的影响

3.4 Al-Sn合金中Sn纳米线的生长与机理

3.4.1 Sn纳米线的生长形貌

3.4.2 Sn纳米线生长的影响因素

3.4.3 Sn纳米线的生长机理

3.5本章小结

第四章纳米相Al-Sn合金的熔化行为

4.1引言

4.2熔点和共晶点的变化

4.3熔化行为与纳米相结构的关系

4.4熔化行为的热力学解释

4.5本章小结

第五章软相Sn对Al-Sn合金力学性能的影响

5.1引言

5.2弹性模量

5.3硬度

5.4抗压强度

5.5本章小结

第六章机械合金化制备的Al-Sn合金的摩擦学性能

6.1引言

6.2 Al-Sn合金的微动磨损行为

6.2.1微动磨损性能

6.2.2微动磨损机理

6.3 Al-Sn合金的滑动磨损行为

6.3.1滑动磨损性能

6.3.2滑动磨损机理

6.3.3磨损表面上Sn纳米线的生长

6.4本章小结

全文总结

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢