アルミニウム基複合材料の耐摩耗マイクロメカニズムの解明と材料設計指針の提示

阐明铝基复合材料耐磨微观机制并提出材料设计指南

• 批准号: 17760119
• 负责人: 宮島 敏郎
• 金额: $ 1.98万
• 依托单位: Niigata University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2005
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2005 至 2006
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17760119/
• 关键词: トライボロジー; 摩耗; アルミニウム基複合材料; 往復摩擦摩耗試験; 炭化ケイ素粒子; 有限要素法; スクラッチ試験; ナノインデンテーション試験; 凝着

複合材料の機械的性質に関する複合則や材料の設計指針が構築されているのに対し、耐摩耗性に関しては、未だ定まった設計指針が存在せず、試行錯誤による材料開発が行われている。昨年度、A2024アルミニウム合金にSiC粒子を含有し強化した、SiC粒子強化Al基複合材料(以下MMC)の変形過程と摩擦面上の強化材単体の破壊・脱落過程を解明した結果を基に、本年度は、荷重支持効果に及ぼす粒子径と体積含有率の影響を汎用P法非線形解析ソフトによって調べた。また、往復摩耗試験機を用いて、MMCのすべり速度と荷重に対する摩耗への影響について調査した。非線形解析によって、低い垂直分布荷重がかかる場合、低い体積含有率のMMCでは、荷重を支持するSiC粒子の数が少ないので、SiC粒子の大きさが荷重支持効果に影響を与える。高い体積含有率のMMCでは、粒子の大きさに依存しない。一方、高い垂直分布荷重がかかる場合、個々の粒子が支えられる荷重値を超えるため、SiC粒子の体積含有率の効果よりも、粒子径が大きく影響し、粒子径が大きい方が押し込まれにくくなることが明らかになった。また、往復摩耗試験機を用いて、MMCの摩耗に対する粒子径の影響について調べたところ、すべり速度、荷重の増加に対して、粒子径が大きくなることで、摩耗量の増加を抑制できることが明らかになった。また、摩耗面に生じるうねりの山部分と谷部分の高さの差を測定したところ、低荷重では、粒子径による違いはみられないが、ある大きさ以上の荷重になると、粒子径が大きい方が、山部分と谷部分の高さの差が小さくなることがわかった。昨年度の試験結果と、本年度の解析および往復摩耗試験によって、低荷重域では、粒子径よりも体積含有率の方が摩耗に対して影響が大きい。一方、高荷重域では、粒子単体の荷重支持効果が大きい粒子径が大きい場合が、耐摩耗性に大きく依存することが明らかになった。

虽然关于复合材料机械性能的复合材料规则和材料设计指南已经建立，但仍然没有关于耐磨性的既定设计指南，并且材料开发是通过反复试验进行的。基于去年对含SiC颗粒强化的A2024铝合金SiC颗粒增强铝基复合材料（以下简称MMC）变形过程及断裂脱落过程的研究结果为了在摩擦表面单独使用增强材料，今年使用通用 P 法非线性分析软件研究了颗粒尺寸和体积含量对负载支撑有效性的影响。此外，使用往复磨损试验机，我们研究了MMC滑动速度和载荷对磨损的影响。非线性分析表明，当施加低垂直分布载荷时，SiC颗粒的尺寸会影响载荷支撑效果，因为在体积含量较低的MMC中，支撑载荷的SiC颗粒数量较少。当 MMC 体积含量较高时，它与颗粒尺寸无关。另一方面，当施加高的垂直分布载荷时，载荷超过了每个单独颗粒可以承受的载荷，因此颗粒尺寸比SiC颗粒的体积含量的影响更大，并且较大的颗粒不太可能被推了进去。事情变得很清楚。此外，我们使用往复式磨损试验机研究了颗粒尺寸对MMC磨损的影响，发现随着滑动速度和载荷的增加，颗粒尺寸的增加可以抑制磨损量的增加。此外，当我们测量磨损表面上出现的波纹度的峰谷之间的高度差时，我们发现，在低负载下，颗粒尺寸没有差异，但当负载超过一定水平时，发现颗粒尺寸变得更大，峰和谷之间的高度差变得更小。去年的试验结果、今年的分析以及往复磨损试验表明，在低载荷范围内，体积含量对磨损的影响比颗粒直径更大。另一方面，在高负荷范围内，耐磨性很大程度上依赖于粒径，单个颗粒的负荷支撑效果较大。