TiN颗粒增韧Si_3N_4复合材料磨损行为研究

　　在中，利用TiN和Si3Nl热膨胀系数和弹性模量的差异，向Si3Nl基体中加入第二相TiN颗粒，在复合材料体内造成残余应力场、应力诱导微裂纹、裂纹偏传和弯曲等来达到增韧的目的。加入TiN颗粒后，虽然复合材料的韧性、强度都有所提高，硬度略有下降，但TiN颗粒的加入对其耐磨性有何影响尚不清楚。由于耐磨性是结构材料应用时必须考虑的重要性能之一。因此，本文开展了对3从和30%TiN复合陶瓷在干摩擦条件下的磨粒磨损行为以及载荷、速度、磨粒尺寸对磨损影响的研究，并探讨了其磨损机制。

　　2实验方法将3从和30%aiN陶瓷试样均制成10nnKK110nm的立方块。实验所用磨料为工业用金刚砂布（主要成分为SiC），型号分别为0、1、2（CB），用工具显微镜随机测出每种型号的50个SiC颗粒直径，取其平均值作为此型号磨粒的粒度，3种磨粒的粒度分别为1Z8Mn、2L6Mn、3L3Mn3将金刚砂布裁成ia0nm窟的小条，无缝的对接并用强力胶水粘贴在夕径为35，厚度为10nmi金属环上。

　　200型块环式摩擦磨损试验机。

　　将12个试样分为6组，在无润滑、空气中和室温条件下进行实验。各组的载荷、速度，磨料等实验条件见表1.每个金属环上的磨料仅磨损5nirn，以4个金属环为一轮，每磨损一轮后用电子天平（精度为0118）测量陶瓷试样的失重量，每个陶瓷试样均进行7轮磨损实验。

　　表1磨损实验条件Table试样负荷/N磨损速度/ms-1磨料尺寸/Mm第一组第二组第三组第四组第五组第六组3结果与讨论各种实验条件下的磨损量及磨损率见表2. 1影响磨损率的因素ill载荷示出滑动速度为a36ms-1下，3从和3TO31N的磨损率随载荷变化的情况。

　　由图可见，添加TiN后，复合材料的耐磨性显著降低，在相同的载荷下，30%aiN的磨损率较3从试样磨损量/m磨损率/lgy第一组第二组第三组第四组第五组高得多；但载荷对磨损的影响规律基本相同，磨损率都随载荷增加近似成直线增加，与阿恰德（Archard）公式相一致。阿恰德从磨粒磨损的显微模型推出了简化的体积磨损公式，即N；p―一试样的表面硬度。由于载荷增大使磨粒压入试样的深度增大，从而加大了磨损体积，使磨损率上升。30%TiN陶瓷试样在大载荷下造成了TiN颗粒的脱落和分离，脱落的颗粒又作为磨粒对试样产生了更大的磨损而导致磨损率上升。iL2磨损速度示出了载荷为49N时，3从和30%TiN在滑动速度分别为0l36ms-1和0L72ms-1时的磨损情况。从可知，在此条件下滑动速度对二者的磨损基本没有什幺影响。

　　是造成了摩擦化学反应。对前者，其效果是减轻了试样的磨损，而后者则加大了试样的磨损。事实上，滑动速度对磨损的影响是与试验温度密切相关的，只有当滑动速度的增加引起了更剧烈的摩擦发热使试样温度显著升高，导致磨损机理改变，才会对磨损产生上述影响。在本实验过程中，滑动速度的增加尚不足以引起上述变化（因实验是在室温下进行的，通风条件较好，更为有利的是，每磨损5min就有一段换磨料的时间间歇）。

　　因此，磨损过程中的摩擦发热不会使实验温度有较大的提高，试样的性能也不会降低。中两试样在磨损速率为0i72ms-1条件下的磨损率略有下降，究其原因可能是由于速度快而导致部分磨粒从砂布上脱落而减轻了磨损。观察磨损后的磨料也可发现：在0l72ms-1条件下使用的砂布表面其磨损要比相同载荷下0L36ms-1时严重得多。

　　没3从和30%TiN陶瓷的磨损情况。从可知：在所研究的磨料尺寸范围内，随着磨粒粒度的增大，试样的磨损率也增大。说明磨损对磨粒尺寸的依赖是磨粒磨损的重要特性。

　　一般认为，材料在磨粒磨损过程中，其磨损是遵从磨粒尺寸增大而加剧的规律，而一旦磨粒粒度超过某一临界值时，磨损量就可变为一个恒定值，这种现象称为临界磨粒尺寸效应。不少学者的研究表明，磨粒临界尺寸约为8Mm，而且这个临界值与材料的成分、性能、预冷加工、滑动速度及载荷的关系都不大。关于产生临界磨粒尺寸效应的原因主要有三种假说。材料林立，薛群基，刘惠文等。碳化铬金属陶瓷临界磨粒尺寸效应的研究。摩擦学报，1997，17（2）：97.邵荷生。金属的磨粒磨损与耐磨材料。北京：机械邹红（1968-），女，助理研究员。2001年毕业于中国核动力研究设计院核材料专业，获博士学位。现从事核材料的研究。

　　邹从沛（1941-），男，研究员，博士生导师。1966年毕业于清华大学核材料专业，核燃料及材料国家级重点实验室主任。主要从事核燃料及材料研究工作。

　　易勇（1978-），男，四川大学金属材料系在读硕士研究生。

　　（责任编辑：查刚菊）王鹏（1975-），男，博士研究生。硕士毕业于四川大学辐射技术及应用专业。现在中科院成都分院计算所从事固体辐照效应及计算机应用研究。

　　林理彬（19B4-），女，教授，博士研究生导师。1954年毕业于四川大学物理系。现从事固体材料及器件的辐照效应及机理研究。

　　单保慈（1965-），博士。现正从事核技术应用方面的研究。

　　（责任编辑：刘胜吾）