Al-SiCp复合材料磨损表面分形维数的研究

　　Majumdar等[1]提出的粗糙表面弹塑性接触分形模型,为定量地描述材料磨损表面分形与其摩擦磨损特性的关系提供了新的途径.该模型假设表面粗糙度具有各向同性,但实际摩擦副相对运动的确定性使磨损表面的粗糙度常常具有各向异性.正因为如此,目前将分形几何理论用于处理具有各向异性粗糙度表面的接触问题尚有困难[2]。SiCp增强铝基复合材料具有高强度、高模量、耐磨损、小线胀系数、低密度等优异性能,且制造成本低,在摩擦磨损领域显示出很好的应用前景。本文以130 nm SiCp为第2相,采用粉末冶金方法制备出不同体积含量的SiCp/Al基复合材料[3],研究其在油润滑条件下的耐磨行为;并利用“分形”数学分析方法,对其磨损表面进行研究,为SiCp/Al基复合材料制备及在滑动轴承、涡轮等领域的应用提供理论依据。

　　本文作者采用表面形貌仪测定了不同组成的Al-SiCp基复合材料的摩擦表面,并计算其分形维数,进而试图研究摩擦表面的分形特征以及与摩擦学性能之间的关系。

　　1　试验

　　1. 1　摩擦磨损试验

　　1试样是尺寸为20 mm×8 mm×8 mm,是从二次加工中截取进行线切割加工而成的矩形方块,先用砂纸研磨,再用金相试样抛光机P-2型抛光几次。最后用丙酮溶液进行超声波清洗二次,晾干,用MA110型电子分析天平称重。下试样即对偶件用40Cr调质钢制成,尺寸为带16mm内孔的50 mm×10 mm圆环,圆环热处理后的硬度为295HV,在对磨前先进行去毛刺,用丙酮溶液超声波清洗,子天平称重。对Al-SiCp复合材料试验时载荷为150 N~1 200 N。下试样转速n为400 r/min,润滑油为20#机械油,对Al-SiCp复合材料试验时,滴油速度为40~48滴/min,磨损时间为4 h;磨损后的试样用丙酮清洗,再用MA110型电子分析天平称重,与实际密度相除得到磨损体积损失,为便于比较,以磨损体积损失评价耐磨性能。采用配有AN10000型X射线能谱仪的JXA-840A型扫描电镜,观察分析摩擦磨损表面等[3]。

　　1. 2　表面形貌测量

　　摩擦磨损试验后,采用德国产便携式双触针表面粗糙度测量仪(Perthometer s3p),测出磨损表面的表面形貌。其测量原理为:利用仪器的测量探针在被测表面划过,被测表面的微观不平度将通过探针的传感器经过信号放大后,在显示器上得到所需采样点数的离散数据,以及所需的被测表面的粗糙度高度评定参数值。对其轮廓曲线进行分形特性分析,采样间距为0. 8μm,取样长度为0. 8mm,评定长度为5. 6mm,采样点数为5 000,并分析其磨损机理。

　　2　SiC增强Al基复合材料分形特性研究

　　2.1　结构函数法[1]计算SiC增强Al基复合材料分形维数

　　结构函数法用于复杂的分形曲线的计算,适用于对随机过程数据的处理。该方法简单易行,适合于计算机处理,是一种较实用的计算方法。设在某一测量距离或测量时间序列上得到一族随机变量数值z(x),式中:τ为x的任意增量,〈〉表示空间平均值.其中:z(x+τ)为在x+τ位置轮廓曲线的测量值;z(x)为在x位置轮廓曲线的测量值;式中数据的确定方法为:若以等间距τ连续测量某一距离的各点数值时,得到一组随机数据z(1),z(2),…,z(k),通过结构函数S(τ)确定分形参数D和G无需进行谱分析,只要将由轮廓仪采集的数据输入计算机进行简单处理.例如,将轮廓仪测量的某一轮廓Z(x)的模拟信号通过A/D转换后输入计算机,计算机的采样间距为Δt,共采样N个,记为Z(xi)=Zi. (i=0,1,2,3,…,N-1)令式(8)中的τ=nΔt(此处n=0,1,2,3,…),则结构函数: