feal基自润滑复合材料的制备和性能研究(附件)【字数：13663】
摘 要摘 要 Fe-Al基金属化合物有着良好的抗氧化性和耐腐蚀性，并且它的密度小，成本低，因此它极有可能成为一种新型高温结构材料。近年来，围绕改善Fe3Al合金的室温脆性和低的断裂抗力的研究很多，然而，对以Fe-Al金属间化合物为基体的自润滑复合材料的研究较少。本论文主要研究了Fe-Al基自润滑复合材料的制备方法以及制得的复合材料的各方面性能，旨在加强对Fe-Al基自润滑复合材料的认识。 本论文首先采用机械合金结合真空热压烧结制备了Fe3Al合金粉末，利用化学沉淀的方法制备出了Ba0.25Sr0.75SO4沉淀并置于干燥箱中烘干得到了它的固体粉末。然后将固体润滑剂粉末和合金粉末按照比例混合球磨后置于热压烧结炉中进行真空热压烧结，得到了Fe3Al-Ba0.25Sr0.75SO4自润滑复合材料。实验中主要研究了制备的Fe3Al-Ba0.25Sr0.75SO4自润滑复合材料的相组成，微观形貌，硬度，抗弯强度和抗压强度，以及真空环境下的摩擦磨损性能，并据此深入分析了复合材料的磨损和润滑机理。 通过实验，发现制得的Fe3Al-Ba0.25Sr0.75SO4自润滑复合材料的硬度比Fe3Al合金的硬度低，但强度和韧性并没有很大的差距。除此以外，自润滑复合材料的摩擦磨损性能明显优于Fe3Al合金，固体润滑剂的加入极大地降低了材料的摩擦系数，且固体润滑剂的含量越高，摩擦系数越小。在滑动速度不变的真空环境下，随着载荷的增加Fe3Al合金的摩擦磨损率变化很大，且摩擦磨损系数都处于一个较高值，而自润滑复合材料的摩擦磨损率变化不大，摩擦磨损系数很低。关键词Fe-Al基金属化合物；固体润滑剂；自润滑复合材料；摩擦磨损
目 录
第一章 绪 论 3
1.1 课题背景 3
1.2 Fe3Al系金属间化合物简介 3
1.2.1 Fe3Al金属间化合物的室温脆性 4
1.2.2 Fe3Al金属间化合物的合金化 5
1.2.3 Fe3Al金属间化合物的摩擦学性能 5
1.2.4 Fe3Al金属间化合物的抗氧化和抗硫化性能 6
1.3 固体润滑剂 7
1.4 固体自润滑复合材料 8
1.4.1 固体自润滑复合材料的前景展望 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
8
1.4.2 固体自润滑复合材料的分类 9
1.4.3 金属基固体自润滑复合材料的制备技术 10
1.5 现阶段存在的问题 11
1.6 本次课题研究的意义以及研究内容 11
第二章 实验材料及实验步骤 12
2.1 实验设备 12
2.2 实验材料的前期准备 13
2.2.1 固体润滑剂的制备 13
2.2.2 Fe3Al合金粉末的制备 14
2.2.3 Fe3AlBa0.25Sr0.75SO4复合材料的制备 15
2.2.4 实验试样的制备 15
2.3 试样的性能测试 15
2.3.1 材料的成分及微观结构 15
2.3.2 力学性能测试 16
2.3.3 试样的摩擦学性能测试 16
第三章 结果与讨论 18
3.1 Fe3AlBa0.25Sr0.75SO4复合材料的组织结构和微观形貌 18
3.2 复合材料的力学性能 19
3.3 材料的摩擦学性能分析 20
3.3.1 摩擦系数随载荷变化的曲线 20
3.3.2 磨损率随载荷变化的曲线 21
实验结论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
第一章 绪 论
1.1 课题背景
近年来，由于航空航天等高新产业的迅速发展，对材料的耐高温耐磨损的性能要求越来越高，已经超出了金属材料等基础性材料的使用界限。复合材料，作为集众家之长于一身的材料，能够满足一些特殊条件下的材料性能要求。而金属间化合物基复合材料，作为近年来新兴的一种材料，有着良好的物理力学性能。除此以外，它还兼备了金属材料抗拉强度高和陶瓷材料的高温耐腐蚀等性能，有着很广泛的应用前景。制备以金属间化合物为基体的复合材料，深入研究它的力学性能和摩擦学性能，并据此研发出新的具有高的强度，低的摩擦系数和磨损率的材料，是材料研究界和现代制造业的当务之急。
在论文中，我选用FeAl基自润滑复合材料作为研究对象，目的在于研究自润滑复合材料的制备工艺，并且深入研究真空环境下的自润滑材料的摩擦磨损系数的影响条件及磨损机制，从而为制备出新型的耐摩擦磨损材料提供可能。
1.2 FeAl系金属间化合物简介
由于金属间化合物存在着严重的脆性，所以对于它的实用性研究一直没有太大的进展。在20世纪70年代末期，材料科学家在克服Ni2Al的室温脆性上取得了重大突破，这给Fe3Al在内的一些高温金属有序化合物的研究带来了极大的动力[1]。
从80年代后期开始，一些西方的专家学者通过研究发现氢脆机制很大程度的影响了Fe3Al在室温下的塑性，使得其塑性在室温条件下较低。这一认识极大的推进了铁铝金属间化合物的研究与应用进程。Fe3Al金属间化合物的研究在我国从80年代末就被列入了“863”计划，到90年代末时，已经取得了一定进展。目前科研人员已经研制出具有多种特性的Fe3Al基合金的配方。
Fe3Al和FeAl合金近年来一直被认为是最具有应用前景的FeAl系金属间化合物。与FeNi合金相比，它们成本低、密度低，并且有着良好的耐磨性和优异的抗氧化、抗硫化性能。是一种新型的耐高温耐腐蚀材料。
Fe3Al金属间化合物一般指铝含量在2535 at %的FeAl合金。在室温环境下，Fe3Al合金的空间结构为较为稳定的D03有序结构；当温度或者合金中Al的含量发生变化的时候，D03结构则会发生二级相变，逐渐转变为无序的α结构以及有序的B2结构[2]。图11中所示即为D03有序结构一个单位的晶胞[3]。
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图11 D03有序结构单位晶胞
FeAl金属间化合物中的铝的含量则相对较高，一般能够达到35～50at%。它的结构为B2型的有序结构，如图12。与Fe3Al相比，FeAl金属间化合物有着更好的高温抗氧化和抗腐蚀性能，在室温下具有更高的强度。
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图12 B2型有序结构单位晶胞
1.2.1 Fe3Al金属间化合物的室温脆性
Fe3Al金属间化合物具有严重的室温脆性，这一特性使得与它相关的研发生产一度处于停滞不前的状态。环境脆性（氢脆）和变形时滑移产生的反相畴界促进了裂纹扩展[4,5]，这一理论解释了D03Fe3Al金属间化合物有着低的室温塑性的根本原因。
Liu C.T.等学者研究认为[6]，Fe3Al在室温条件下有着低的塑性可能是受到了外在环境的影响，尤其是空气中水汽的影响，空气中的水分子与材料中的Al反应生成了氢原子。原子态的氢渗入到了合金金属内部，从而导致了裂纹的产生。他们认为正是这个化学反应的过程导致了氢脆的产生。后来，科研人员在这个反应的基础上又进行了多次试验，目前普遍认为Fe3Al的室温脆性并不是由于其本身的性质所决定的，外界环境的影响才是导致室温脆性产生的根本原因。
目 录
第一章 绪 论 3
1.1 课题背景 3
1.2 Fe3Al系金属间化合物简介 3
1.2.1 Fe3Al金属间化合物的室温脆性 4
1.2.2 Fe3Al金属间化合物的合金化 5
1.2.3 Fe3Al金属间化合物的摩擦学性能 5
1.2.4 Fe3Al金属间化合物的抗氧化和抗硫化性能 6
1.3 固体润滑剂 7
1.4 固体自润滑复合材料 8
1.4.1 固体自润滑复合材料的前景展望 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
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1.4.2 固体自润滑复合材料的分类 9
1.4.3 金属基固体自润滑复合材料的制备技术 10
1.5 现阶段存在的问题 11
1.6 本次课题研究的意义以及研究内容 11
第二章 实验材料及实验步骤 12
2.1 实验设备 12
2.2 实验材料的前期准备 13
2.2.1 固体润滑剂的制备 13
2.2.2 Fe3Al合金粉末的制备 14
2.2.3 Fe3AlBa0.25Sr0.75SO4复合材料的制备 15
2.2.4 实验试样的制备 15
2.3 试样的性能测试 15
2.3.1 材料的成分及微观结构 15
2.3.2 力学性能测试 16
2.3.3 试样的摩擦学性能测试 16
第三章 结果与讨论 18
3.1 Fe3AlBa0.25Sr0.75SO4复合材料的组织结构和微观形貌 18
3.2 复合材料的力学性能 19
3.3 材料的摩擦学性能分析 20
3.3.1 摩擦系数随载荷变化的曲线 20
3.3.2 磨损率随载荷变化的曲线 21
实验结论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
第一章 绪 论
1.1 课题背景
近年来，由于航空航天等高新产业的迅速发展，对材料的耐高温耐磨损的性能要求越来越高，已经超出了金属材料等基础性材料的使用界限。复合材料，作为集众家之长于一身的材料，能够满足一些特殊条件下的材料性能要求。而金属间化合物基复合材料，作为近年来新兴的一种材料，有着良好的物理力学性能。除此以外，它还兼备了金属材料抗拉强度高和陶瓷材料的高温耐腐蚀等性能，有着很广泛的应用前景。制备以金属间化合物为基体的复合材料，深入研究它的力学性能和摩擦学性能，并据此研发出新的具有高的强度，低的摩擦系数和磨损率的材料，是材料研究界和现代制造业的当务之急。
在论文中，我选用FeAl基自润滑复合材料作为研究对象，目的在于研究自润滑复合材料的制备工艺，并且深入研究真空环境下的自润滑材料的摩擦磨损系数的影响条件及磨损机制，从而为制备出新型的耐摩擦磨损材料提供可能。
1.2 FeAl系金属间化合物简介
由于金属间化合物存在着严重的脆性，所以对于它的实用性研究一直没有太大的进展。在20世纪70年代末期，材料科学家在克服Ni2Al的室温脆性上取得了重大突破，这给Fe3Al在内的一些高温金属有序化合物的研究带来了极大的动力[1]。
从80年代后期开始，一些西方的专家学者通过研究发现氢脆机制很大程度的影响了Fe3Al在室温下的塑性，使得其塑性在室温条件下较低。这一认识极大的推进了铁铝金属间化合物的研究与应用进程。Fe3Al金属间化合物的研究在我国从80年代末就被列入了“863”计划，到90年代末时，已经取得了一定进展。目前科研人员已经研制出具有多种特性的Fe3Al基合金的配方。
Fe3Al和FeAl合金近年来一直被认为是最具有应用前景的FeAl系金属间化合物。与FeNi合金相比，它们成本低、密度低，并且有着良好的耐磨性和优异的抗氧化、抗硫化性能。是一种新型的耐高温耐腐蚀材料。
Fe3Al金属间化合物一般指铝含量在2535 at %的FeAl合金。在室温环境下，Fe3Al合金的空间结构为较为稳定的D03有序结构；当温度或者合金中Al的含量发生变化的时候，D03结构则会发生二级相变，逐渐转变为无序的α结构以及有序的B2结构[2]。图11中所示即为D03有序结构一个单位的晶胞[3]。
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图11 D03有序结构单位晶胞
FeAl金属间化合物中的铝的含量则相对较高，一般能够达到35～50at%。它的结构为B2型的有序结构，如图12。与Fe3Al相比，FeAl金属间化合物有着更好的高温抗氧化和抗腐蚀性能，在室温下具有更高的强度。
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图12 B2型有序结构单位晶胞
1.2.1 Fe3Al金属间化合物的室温脆性
Fe3Al金属间化合物具有严重的室温脆性，这一特性使得与它相关的研发生产一度处于停滞不前的状态。环境脆性（氢脆）和变形时滑移产生的反相畴界促进了裂纹扩展[4,5]，这一理论解释了D03Fe3Al金属间化合物有着低的室温塑性的根本原因。
Liu C.T.等学者研究认为[6]，Fe3Al在室温条件下有着低的塑性可能是受到了外在环境的影响，尤其是空气中水汽的影响，空气中的水分子与材料中的Al反应生成了氢原子。原子态的氢渗入到了合金金属内部，从而导致了裂纹的产生。他们认为正是这个化学反应的过程导致了氢脆的产生。后来，科研人员在这个反应的基础上又进行了多次试验，目前普遍认为Fe3Al的室温脆性并不是由于其本身的性质所决定的，外界环境的影响才是导致室温脆性产生的根本原因。
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