从保护到失效：纯镁及稀土增强镁合金在高温下的氧化过程

《Journal of Magnesium and Alloys》：From protection to failure: Oxidation of pure Mg and rare-earth-enhanced Mg alloys at elevated temperature

Mg基复合材料磨损行为研究：以AZ80合金为基体，添加不同含量SiC（3%、6%、9 wt%）和B4C（3 wt%）制备复合材料，采用干滑动磨损实验探究载荷（10-20 N）和滑动速度（0.05-0.2 m/s）对其摩擦系数、磨损率和机制的影响。结果表明，添加6% SiC和3% B4C时硬度达96.60 HV，摩擦系数最低0.48，磨损机制随工况变化表现为氧化、磨损、剥离和塑性变形。 separatorsummary

　　本研究围绕AZ80镁合金及其与不同比例的SiC（3%、6%和9%）以及3% B?C组成的混合复合材料的摩擦磨损行为展开，重点考察了不同施加载荷（10-20 N）和滑动速度（0.05-0.2 m/s）条件下的表现。研究采用半固态搅拌铸造技术制备复合材料，并结合多种分析手段，包括显微硬度测试、摩擦磨损试验、能量色散X射线光谱（EDS）和扫描电子显微镜（SEM）等，系统地评估了这些材料的性能。

在研究过程中，首先通过电子电阻炉将AZ80合金加热至750°C，随后在钢模中熔化并冷却至610°C形成半固态状态。在此基础上，加入预热的SiC和B?C颗粒，并在610°C下搅拌10分钟，最后迅速升温至730°C进行铸造，形成直径为60mm×80mm的块状样品。这种制备方法能够有效实现陶瓷颗粒在镁基体中的均匀分布，从而提升复合材料的综合性能。

通过实验得出，随着SiC和B?C含量的增加，复合材料的显微硬度显著提升。其中，(AZ80 + 6% SiC + 3% B?C)复合材料的最高显微硬度达到了96.60 HV。这一结果主要归因于颗粒的均匀分布和强化作用，以及颗粒与基体之间形成的高密度位错，这有助于提升材料的强度和硬度。然而，当SiC含量进一步增加至9%时，由于颗粒聚集现象的加剧，显微硬度反而略有下降。这种现象表明，陶瓷颗粒的适量添加对材料性能具有正向促进作用，但过量添加可能导致结构缺陷，从而降低整体性能。

在摩擦磨损试验中，研究使用了Bruker TriboLab摩擦磨损测试机，测试了不同载荷和滑动速度下的摩擦系数与磨损率。结果显示，随着载荷的增加，摩擦系数呈现出轻微下降的趋势，这可能与材料表面的塑性变形和接触面积的扩大有关。在滑动速度较低的情况下，磨损率和摩擦系数均较高，但随着速度的增加，摩擦系数和磨损率逐渐降低。这一趋势与材料表面的氧化和塑性变形机制密切相关，其中低速时氧化和磨损机制占据主导地位，而高速时则以塑性变形为主。

为了更深入地理解磨损机制，研究对磨损表面进行了详细的分析。SEM和EDS结果显示，AZ80合金在低载荷（10N）和低滑动速度（0.05m/s）条件下，表面出现了明显的氧化层和剥离现象，这表明在这些条件下，氧化和磨粒磨损是主要的磨损机制。而在高载荷（20N）和高速滑动条件下，材料表面则表现出更显著的塑性变形和磨损痕迹。这些结果揭示了不同载荷和速度对材料表面状态的影响，从而为优化复合材料的应用提供了理论依据。

此外，研究还探讨了复合材料在不同载荷和速度下的磨损行为。结果表明，随着SiC和B?C含量的增加，磨损率和摩擦系数均有所降低。这主要是由于陶瓷颗粒在材料表面形成了保护性的氧化层，降低了直接金属接触的可能性。同时，颗粒的加入也促进了材料的表面硬化和强化，使得其在摩擦过程中表现出更强的抗磨损能力。特别是在低载荷和低速度条件下，混合复合材料的抗磨性能表现尤为突出。

本研究进一步指出，混合复合材料在摩擦过程中能够形成一种特殊的机械混合层（MML），这一层由氧化物碎片和磨损颗粒组成，能够有效减少材料之间的直接接触，从而降低磨损率。对于(AZ80 + 9% SiC + 3% B?C)复合材料，其表现出的优异抗磨性能被认为是由于SiC颗粒的高硬度和良好分散性，以及B?C颗粒的润滑作用共同作用的结果。

从材料结构的角度来看，混合复合材料的微观组织也呈现出明显的改善。SiC和B?C的加入不仅细化了镁合金的晶粒，还促进了材料的均匀化。SEM图像显示，随着SiC含量的增加，晶粒尺寸逐渐减小，特别是在6% SiC和3% B?C的复合材料中，晶粒细化效果最为显著。然而，当SiC含量增加至9%时，由于颗粒的聚集现象，材料的晶粒尺寸反而有所增加，这表明颗粒含量的增加在一定范围内有助于提升性能，但超过一定阈值后可能会产生负面影响。

研究还探讨了材料的密度和孔隙率变化。通过阿基米德法计算出的实验密度和理论密度对比显示，随着SiC和B?C的加入，材料的密度有所增加，而孔隙率则相应提高。孔隙率的增加主要归因于颗粒的聚集和熔融过程中气体的残留。尽管孔隙率的增加可能对材料的力学性能产生一定影响，但总体而言，这些复合材料在抗磨性能上仍表现出显著优势。

在应用方面，本研究强调了混合镁基复合材料在航空航天和汽车工业中的潜力。由于这些材料具有较高的强度和优异的抗磨性能，它们可以用于制造需要承受高强度和复杂摩擦环境的部件，如发动机缸体、刹车系统和传动部件等。此外，研究还提到这些复合材料在电子工业中的潜在应用，如精密仪器的外壳和内部结构件，这些应用对材料的轻量化和耐磨性提出了更高的要求。

综上所述，本研究通过系统的实验和分析，揭示了SiC和B?C混合增强AZ80镁合金在不同摩擦条件下的性能变化规律。研究不仅验证了陶瓷颗粒对材料性能的积极影响，还指出了在颗粒含量过高的情况下可能带来的负面影响。这些发现为镁基复合材料的设计和应用提供了重要的理论支持，同时也为未来进一步优化材料性能的研究指明了方向。