内生非晶复合材料的磨损及其失效机理

Compared with the traditional crystalline alloys, bulk metallic glass matrix (MGM) composites possess larger elastic limit, higher yield strength and improved fatigue resistance along with deformation at room temperature, making them attractive for various structural engineering applications. However, most researchers have focused on the mechanical property of metallic glass matrix composites so far. The study on friction and wear property of MGM composites is very few. The intrinsic performance of materials , normal loads, sliding speeds and testing environment influences the tribological property. Thereinto, service condition and testing environment are the most important. Accordingly, the friction and wear performance of in-situ MGM composites under dry sliding condition, deionized water, NaCl solution and simulating rain will be investigated in this project. The main controling mechanism of amorphous state-crystalline state transformation on the worn surface and the variation of atoms will be studied. The failure mechanism and the micro deformation mechanism of in-situ MGM composites at typical service environment will be researched. The research results will supply theoretical foundation for in-situ MGM composites operating in the engineering field.

非晶合金及其复合材料较传统晶态合金在室温下变形时，表现出更高的弹性极限、屈服强度以及疲劳极限，使其具有成为优质结构工程材料的潜质。然而，目前对非晶合金及其复合材料的研究主要集中在力学性能上，而对其摩擦磨损性能关注较少。摩擦学性能的优劣不仅与材料本身相关，且受接触载荷、滑动速度及测试环境等影响，其中，服役及测试环境尤为重要。因此，本项目拟重点考察内生非晶基复合材料在空气、去离子水、NaCl溶液以及模拟雨水等典型摩擦环境中的摩擦磨损行为；借助物相分析，探究摩擦受力区域的非晶-晶态转化主要控制机制及原子层面发生的变化；明确内生非晶复合材料在典型服役环境中的失效机制及微观变形规律。研究结果可为内生非晶基复合材料的工程化应用提供理论依据。

非晶合金及其复合材料较传统晶态合金在室温下变形时，表现出更高的弹性极限、屈服强度以及疲劳极限，使其具有成为优质结构工程材料的潜质。然而，目前对非晶合金及其复合材料的研究主要集中在力学性能上，而对其摩擦磨损性能关注较少。摩擦学性能的优劣受接触载荷、滑动速度及测试环境等影响，其中，服役及测试环境尤为重要。因此，本项目重点考察了内生枝晶增韧非晶基复合材料在空气、去离子水、AHP高温润滑脂以及模拟雨水等典型摩擦环境中的摩擦磨损行为；明确了非晶复合材料在典型服役环境中的失效机制及微观变形规律。得出了如下结论：树枝晶均匀分布在非晶基体内，树枝晶的体积分数为46%，直径是2-5 μm，树枝晶的结构主要是bcc β-Zr固溶体。干燥条件下，复合材料的摩擦系数分别在10 N和0.4 m/s获得最小值0.339和0.330。磨损率分别在10 N和0.3 m/s获得最小值1.826×10-4 mm3/N•m和2.389×10-4 mm3/N•m。去离子水中，摩擦系数的范围为0.35-0.55。载荷为10 N时，磨损率最小；而滑动速度为0.2 m/s时，磨损率最大。AHP高温润滑脂中，摩擦系数在0.15-0.35的范围内变化。AHP高温润滑脂显著降低了材料的摩擦系数，比干燥环境中降低了0.08左右。磨损率分别在10 N和0.4 m/s时获得最大值。增大滑动速度会增加粘着磨损的几率。模拟雨水中，摩擦系数在10 N获得最小值0.385，而磨损率获得最大值8.85×10-4 mm3/(N•m)。摩擦系数和磨损率的变化范围分别为0.38～0.52和7.02×10-4～22.77×10-4 mm3/(N•m)。Zr基非晶复合材料在干燥条件下的平均摩擦系数和磨损率比酸雨中的低很多。在较低的载荷和滑动速度下，Zr基非晶复合材料的磨损机理主要是磨粒磨损。随载荷和滑动速度的增加，磨损机理由磨粒磨损转变为磨粒磨损和粘着磨损。材料在磨损过程中发生了氧化和腐蚀，主要的氧化产物是ZrO2、TiO2和Nb2O5。主要的腐蚀产物是金属氯化物、金属碳酸盐和金属硫酸盐。非晶复合材料在酸雨中的腐蚀电位和腐蚀电流分别是-0.080421 V和6.1709×10-8 A。本项目共发表SCI收录论文22篇，中文核心论文1篇，授权国家发明专利4项，获山西省自然科学奖二等奖1项，培养毕业了5名硕士研究生。