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摘要：运用变动加载载荷与滑动速度的方式，达到在现实工作中的使用要求，分析研究了体育器材用Ti2AIC复合材料的摩擦磨损性能，对表面磨损形态开展观察研究，同时研究了它的作用机理。试验现象表明，这种复合材料的摩擦系数根据滑动速度的升高或者载荷的增加而变小;随着滑动速度的升高，这种复合材料的磨损率会先减小然后逐渐增加，在滑动速度为4.9m/s时获得磨损率的最小值;并且这种材料的磨损形式一般为层状剥落与氧化磨损。
关键词：体育器材;Ti2AIC复合材料;磨损;形态
中图分类号：TQ050.4+3文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）07-0027-04
随着我们国家的经济快速发展，体育用品领域产值每年都在不断增加，每年的综合增长率为18%，并且每年的增加值占体育行业整体的79%以上，是世界第二大的体育用品消费市场，行业竞争异常激烈。现在体育器材都朝着轻型化方向开发改进，综合性能良好的复合材料受到了人们的青睐，但磨损性能偏差限制了它更深入的应用。本篇文章把经常使用的TiAIC复合材料作为研究讨论的对象，模拟现实中的工作环境，分析了不一样的载荷滑动速度下的摩损性能，希望能对制造出性能更好的体育器材提供一定的参考。
1 测试材料与测试方式
通过运用燃烧合成法（英文简称为SHS）制备了体育器材用TiAIC复合材料，测试原材料是Ti粉、铝粉与炭黑这三种材料相结合，遵循2：1：1的比例在球磨机里面进行混料融合，直到原料粉末融合地足够均匀之后，放置于燃烧合成器里面，我们通过使用电阻丝引燃产生自蔓延反应生成TiAIC复合材料。一般通过燃烧合成法得到的体育器材用TiAIC复合材料经过破碎之后就能够取得TiAIC粉末。得到的这种粉末的扫描电镜显微组织形态如图1，它的粉末颗粒一般都表现出片状或者颗粒状，平均粒度大约为6.8um。
我们利用在XTXD-2010-80型真空热压炉里面对TiAIC粉末实施热压烧结处理，其热压温度一般为情况下为900℃，保持温度的时间为60min，之后随着真空热压炉的自然冷却至室温。对进行热压烧结生成的体育器材用TiAIC复合材料进行机械加工，机械加工阶段一般包含粗加工与精细加工，让这种复合材料达到成品的使用条件。摩擦磨损测试我们运用SEARCHING赛成摩擦试验机开展试验，一般摩擦形式是销一盘滑动磨损的方法，要注意在摩擦磨损实验过程过程里面，要求精确控制滑动速度，可以控制在0.4～1.6m/s、载荷一般控制在20、40、60N等其他一些参数数据，摩擦副材料是GCrl5轴承钢，硬度为62HRC，摩擦磨损后的形态在inTouchScope触控式系列扫描电镜上开展观测记录;物相分析研究我们通过帕纳科出产的CubiX PROX射线衍射仪开展相关的分析。
2 测试结果与测试分析
体育器材用Ti2AIC复合材料在不同載荷与不同滑动速度下的摩擦系数测量结果为：我们首先使载荷分别施加20N、40N、60N，滑动速率我们控制在0.8-6.4m/s。能够明显得到，当施加的载荷分别为20N、40N、60N时，随着滑动速度的提升，这种体育器材用复合材料的摩擦系数表现出慢慢变小的趋势，载荷越小在不变的滑动速度下的摩擦系数就越高，相应的，假如在不变的载荷下的滑动速度越高则摩擦系数就越小。当滑动速度在0.9m/s提高至6.3m/s时，在20N载荷条件下的这种体育器材用复合材料的摩擦系数从0.63减小到减小到0.35;在40N载荷条件下这种体育器材用复合材料的摩擦系数从0.71较小的0.28;在60N载荷条件下的体育器材用Ti2MIC复合材料的摩擦系数从0.56较小到0.25。我们基于这种情况可以看出，Ti2AIC这种复合材料的摩擦系数会根据滑动速度的提高或者载荷的提高而慢慢减小。
我们设定载荷为40N不变的测试条件，运用变动滑动速度与滑动距离的办法，试验了摩擦系数一滑动距离曲线。我们通过观察在刚开始的滑动距离环节，在不一样的滑动速度情况下，这种体育器材用复合材料的摩擦系数对急剧升高，之后就会逐渐变得平缓。在摩擦系数趋于平稳阶段，滑动速度保持在0.8m/s的测试条件下摩擦系数大致都在0.5～0.6的范围之间，波动振幅相对比较大;当滑动速度设定在1.5m/s时的测试条件下的摩擦系数一般都在0.44左右，波动幅度相对比较小;我们把滑动速度设定在3.1m/s、4.7m/s、6.3m/s时测试环境下摩擦系数的波动振幅都非常小，这几种滑动速度测试条件下的的摩擦系数分别在0.3、0.27、0.23左右。这其中的原因一般是因为在刚开始摩擦阶段，Ti2AIC体育器材用复合材料与摩擦副处在磨合时期，在这种条件下的摩擦系数将急剧升高，直到到达稳态摩擦环节之后，就会随着滑动速度的提升，摩擦系数的波动幅度将迅速较小，所以就能达到稳态磨合的阶段。
我们通过观察不一样的滑动速度荷载测试条件下体育器材用Ti2AIC复合材料的磨损率变化曲线。随着滑动速度的的提高，这种体育器材用复合材料的磨损率表现出明显的先减小然后逐渐升高的趋势，当滑动速度设定在4.7m/s的测试条件下其获得了磨损率的最小值。当滑动速度设定在0.7m/s，载荷为20N、40N、60N的测试条件这种体育器材用复合材料的磨损率各为39x 10-3mm3/m、28×10-5mm3/m、17×10-5mm3/m;但滑动速度设定为4.7m/s，载荷为20N、40N、60N的测试条件下，这种体育器材用复合材料的磨损率各为4.1x10-5mm3/m、3.0×10-5mm3/m、2.7×10-5mm3/m;当滑动速度设定在6.3m/s、载荷为20N、40N、60N的测试条件下这种体育器材用复合材料的磨损率各为7.0×10-5mm3/m、3.1x10-5mm3/m、3.8×10-5mm3/m。我们通过结合摩擦系数的试验结果能够明显了解到，当滑动速度与载荷的设定不一样时，体育器材用Ti2AIC复合材料的磨损率与摩擦系数的变动幅度都相对很大，但是详细地摩擦磨损机理还需要更深入的研究。 我们通过设置固定滑动速度为0.7m/s保持不变，运用单独变动载荷的方式观察了体育器材用Ti2AIC复合材料的表面磨损情况，结果如图2所示。当载荷设定为20N的测试条件下时，这种体育器材用复合材料表面产生了相对比较严重的剥落与分层的形貌，在表面局部区域也能够看到分层裂纹;我们把在和逐渐提高至40N，在这种测试条件下，局部区域有很明显的剥落现象，在这样的剥落区域附近还能够观察到白色的颗粒状物质;当载荷提高至60N时，在这样的测试环境下，这种体育器材用复合材料表面一般为断续的剥落，其中因为每个剥落产生的一个个小坑的尺寸都比较小、并且没有连接形成片状，这个时候的剥落磨损程度相比较40N时的磨损程度时轻。我们通过对不同载荷条件下体育器材用Ti2AIC复合材料的磨损形态开展观察可以比较明显的了解到，磨损形态的观察结果和不同滑动速度与载荷测试条件下磨损率曲线的试验结果是一致的。
对载荷为40N、滑动速度为0.7m/s的测试环境下体育器材用Ti2AIC复合材料表面开展能谱分析研究，打点位置如果5（b）。在标明1的位置处能谱分析结果显示出其主要包括C、O、Fe、Al、Ti与Cr元素，在这里面O元素含量相对最高;在标明2的位置处能谱分析结果显示出其同样包括C、O、Fc、Al、Ti与Cr元素，但是需要注意的是氧元素含量相对来说偏低。从标明1的位置处与标明2的位置处进行能谱分析，再结合表面磨损形态能够知道，这种体育器材用复合材料在摩擦磨损的过程里面出现了一定程度的氧化现象，并且Fe元素绝大部分来自于摩擦副材料里面。在摩擦速度相对偏低的情况下，这种体育器材用复合材料的磨損形式主要为剥落磨损，在摩擦磨损刚刚开始的阶段，起摩擦系数急剧升高，出现了比较多的热量，所以就导致这种体育器材用复合材料与摩擦副材料之间出现了氧化磨损。我们要注意的是，因为这种体育器材用复合材料本身具有很强的抗氧化性能，像这样的氧化程度并不是很严重。
图3为不同真空环境下，GCrl5作为摩擦副，Ti2AIC的稳定摩擦系数改变情况，在这里面两条曲线各自在0.8m/s与4.8m/s的滑动速度下进行绘制，载荷测试条件为40N，可以看到在不一样的速度环境下，摩擦系数都表现为随着真空程度增加先减小之后增加的趋势，值得一提的是这样的变化情况在Ma等关于Ti3AIC2的摩擦磨损行为的分析里面也产生过。相比较于Ma等采用的测试要求相比（滑动速度为0.115m/s，3N载荷，摩擦磨损形式为球盘式），本篇文章所使用的速度与载荷等测试条件都相对偏大，所采用的摩擦方法为销盘式滑动摩擦。在这种情况下，0.8m/s滑动速度的测试条件，其不同真空程度下的摩擦系数为0.57、0.41、0.54，而在4.8m/s滑动速度测试条件下，摩擦系数各自为0.29、0.19、0.30。在摩擦系数一滑动距离曲线里面也明显的表明，在一致的滑动速度下整体的滑动距离之内，摩擦系数会随着真空度的增加表现为先减小而后逐渐增加的趋势。在常规的大气环境下以及高真空度测试环境下摩擦系数整体水平接近。
3 结语
我们通过实验可以知道当载荷测试条件各自为20N、40N、60N时，随着滑动幅度的提升，体育器材用Ti2AIC复合材料的摩擦系数表现出持续减小的趋势，载荷越小在相同的滑动速度下就会出现摩擦系数也越大的情况;随着滑动速度的提高，体育器材用Ti2AIC复合材料的磨损率表现出先减小之后逐渐增加的趋势，在滑动速度为4.7m/s时会获得磨损率的最小值;体育器材用Ti2AIC复合材料很重要的特点是其磨损形式绝大多数都为层状剥落与氧化磨损。
关键词：体育器材;Ti2AIC复合材料;磨损;形态
中图分类号：TQ050.4+3文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）07-0027-04
随着我们国家的经济快速发展，体育用品领域产值每年都在不断增加，每年的综合增长率为18%，并且每年的增加值占体育行业整体的79%以上，是世界第二大的体育用品消费市场，行业竞争异常激烈。现在体育器材都朝着轻型化方向开发改进，综合性能良好的复合材料受到了人们的青睐，但磨损性能偏差限制了它更深入的应用。本篇文章把经常使用的TiAIC复合材料作为研究讨论的对象，模拟现实中的工作环境，分析了不一样的载荷滑动速度下的摩损性能，希望能对制造出性能更好的体育器材提供一定的参考。
1 测试材料与测试方式
通过运用燃烧合成法（英文简称为SHS）制备了体育器材用TiAIC复合材料，测试原材料是Ti粉、铝粉与炭黑这三种材料相结合，遵循2：1：1的比例在球磨机里面进行混料融合，直到原料粉末融合地足够均匀之后，放置于燃烧合成器里面，我们通过使用电阻丝引燃产生自蔓延反应生成TiAIC复合材料。一般通过燃烧合成法得到的体育器材用TiAIC复合材料经过破碎之后就能够取得TiAIC粉末。得到的这种粉末的扫描电镜显微组织形态如图1，它的粉末颗粒一般都表现出片状或者颗粒状，平均粒度大约为6.8um。
我们利用在XTXD-2010-80型真空热压炉里面对TiAIC粉末实施热压烧结处理，其热压温度一般为情况下为900℃，保持温度的时间为60min，之后随着真空热压炉的自然冷却至室温。对进行热压烧结生成的体育器材用TiAIC复合材料进行机械加工，机械加工阶段一般包含粗加工与精细加工，让这种复合材料达到成品的使用条件。摩擦磨损测试我们运用SEARCHING赛成摩擦试验机开展试验，一般摩擦形式是销一盘滑动磨损的方法，要注意在摩擦磨损实验过程过程里面，要求精确控制滑动速度，可以控制在0.4～1.6m/s、载荷一般控制在20、40、60N等其他一些参数数据，摩擦副材料是GCrl5轴承钢，硬度为62HRC，摩擦磨损后的形态在inTouchScope触控式系列扫描电镜上开展观测记录;物相分析研究我们通过帕纳科出产的CubiX PROX射线衍射仪开展相关的分析。
2 测试结果与测试分析
体育器材用Ti2AIC复合材料在不同載荷与不同滑动速度下的摩擦系数测量结果为：我们首先使载荷分别施加20N、40N、60N，滑动速率我们控制在0.8-6.4m/s。能够明显得到，当施加的载荷分别为20N、40N、60N时，随着滑动速度的提升，这种体育器材用复合材料的摩擦系数表现出慢慢变小的趋势，载荷越小在不变的滑动速度下的摩擦系数就越高，相应的，假如在不变的载荷下的滑动速度越高则摩擦系数就越小。当滑动速度在0.9m/s提高至6.3m/s时，在20N载荷条件下的这种体育器材用复合材料的摩擦系数从0.63减小到减小到0.35;在40N载荷条件下这种体育器材用复合材料的摩擦系数从0.71较小的0.28;在60N载荷条件下的体育器材用Ti2MIC复合材料的摩擦系数从0.56较小到0.25。我们基于这种情况可以看出，Ti2AIC这种复合材料的摩擦系数会根据滑动速度的提高或者载荷的提高而慢慢减小。
我们设定载荷为40N不变的测试条件，运用变动滑动速度与滑动距离的办法，试验了摩擦系数一滑动距离曲线。我们通过观察在刚开始的滑动距离环节，在不一样的滑动速度情况下，这种体育器材用复合材料的摩擦系数对急剧升高，之后就会逐渐变得平缓。在摩擦系数趋于平稳阶段，滑动速度保持在0.8m/s的测试条件下摩擦系数大致都在0.5～0.6的范围之间，波动振幅相对比较大;当滑动速度设定在1.5m/s时的测试条件下的摩擦系数一般都在0.44左右，波动幅度相对比较小;我们把滑动速度设定在3.1m/s、4.7m/s、6.3m/s时测试环境下摩擦系数的波动振幅都非常小，这几种滑动速度测试条件下的的摩擦系数分别在0.3、0.27、0.23左右。这其中的原因一般是因为在刚开始摩擦阶段，Ti2AIC体育器材用复合材料与摩擦副处在磨合时期，在这种条件下的摩擦系数将急剧升高，直到到达稳态摩擦环节之后，就会随着滑动速度的提升，摩擦系数的波动幅度将迅速较小，所以就能达到稳态磨合的阶段。
我们通过观察不一样的滑动速度荷载测试条件下体育器材用Ti2AIC复合材料的磨损率变化曲线。随着滑动速度的的提高，这种体育器材用复合材料的磨损率表现出明显的先减小然后逐渐升高的趋势，当滑动速度设定在4.7m/s的测试条件下其获得了磨损率的最小值。当滑动速度设定在0.7m/s，载荷为20N、40N、60N的测试条件这种体育器材用复合材料的磨损率各为39x 10-3mm3/m、28×10-5mm3/m、17×10-5mm3/m;但滑动速度设定为4.7m/s，载荷为20N、40N、60N的测试条件下，这种体育器材用复合材料的磨损率各为4.1x10-5mm3/m、3.0×10-5mm3/m、2.7×10-5mm3/m;当滑动速度设定在6.3m/s、载荷为20N、40N、60N的测试条件下这种体育器材用复合材料的磨损率各为7.0×10-5mm3/m、3.1x10-5mm3/m、3.8×10-5mm3/m。我们通过结合摩擦系数的试验结果能够明显了解到，当滑动速度与载荷的设定不一样时，体育器材用Ti2AIC复合材料的磨损率与摩擦系数的变动幅度都相对很大，但是详细地摩擦磨损机理还需要更深入的研究。 我们通过设置固定滑动速度为0.7m/s保持不变，运用单独变动载荷的方式观察了体育器材用Ti2AIC复合材料的表面磨损情况，结果如图2所示。当载荷设定为20N的测试条件下时，这种体育器材用复合材料表面产生了相对比较严重的剥落与分层的形貌，在表面局部区域也能够看到分层裂纹;我们把在和逐渐提高至40N，在这种测试条件下，局部区域有很明显的剥落现象，在这样的剥落区域附近还能够观察到白色的颗粒状物质;当载荷提高至60N时，在这样的测试环境下，这种体育器材用复合材料表面一般为断续的剥落，其中因为每个剥落产生的一个个小坑的尺寸都比较小、并且没有连接形成片状，这个时候的剥落磨损程度相比较40N时的磨损程度时轻。我们通过对不同载荷条件下体育器材用Ti2AIC复合材料的磨损形态开展观察可以比较明显的了解到，磨损形态的观察结果和不同滑动速度与载荷测试条件下磨损率曲线的试验结果是一致的。
对载荷为40N、滑动速度为0.7m/s的测试环境下体育器材用Ti2AIC复合材料表面开展能谱分析研究，打点位置如果5（b）。在标明1的位置处能谱分析结果显示出其主要包括C、O、Fe、Al、Ti与Cr元素，在这里面O元素含量相对最高;在标明2的位置处能谱分析结果显示出其同样包括C、O、Fc、Al、Ti与Cr元素，但是需要注意的是氧元素含量相对来说偏低。从标明1的位置处与标明2的位置处进行能谱分析，再结合表面磨损形态能够知道，这种体育器材用复合材料在摩擦磨损的过程里面出现了一定程度的氧化现象，并且Fe元素绝大部分来自于摩擦副材料里面。在摩擦速度相对偏低的情况下，这种体育器材用复合材料的磨損形式主要为剥落磨损，在摩擦磨损刚刚开始的阶段，起摩擦系数急剧升高，出现了比较多的热量，所以就导致这种体育器材用复合材料与摩擦副材料之间出现了氧化磨损。我们要注意的是，因为这种体育器材用复合材料本身具有很强的抗氧化性能，像这样的氧化程度并不是很严重。
图3为不同真空环境下，GCrl5作为摩擦副，Ti2AIC的稳定摩擦系数改变情况，在这里面两条曲线各自在0.8m/s与4.8m/s的滑动速度下进行绘制，载荷测试条件为40N，可以看到在不一样的速度环境下，摩擦系数都表现为随着真空程度增加先减小之后增加的趋势，值得一提的是这样的变化情况在Ma等关于Ti3AIC2的摩擦磨损行为的分析里面也产生过。相比较于Ma等采用的测试要求相比（滑动速度为0.115m/s，3N载荷，摩擦磨损形式为球盘式），本篇文章所使用的速度与载荷等测试条件都相对偏大，所采用的摩擦方法为销盘式滑动摩擦。在这种情况下，0.8m/s滑动速度的测试条件，其不同真空程度下的摩擦系数为0.57、0.41、0.54，而在4.8m/s滑动速度测试条件下，摩擦系数各自为0.29、0.19、0.30。在摩擦系数一滑动距离曲线里面也明显的表明，在一致的滑动速度下整体的滑动距离之内，摩擦系数会随着真空度的增加表现为先减小而后逐渐增加的趋势。在常规的大气环境下以及高真空度测试环境下摩擦系数整体水平接近。
3 结语
我们通过实验可以知道当载荷测试条件各自为20N、40N、60N时，随着滑动幅度的提升，体育器材用Ti2AIC复合材料的摩擦系数表现出持续减小的趋势，载荷越小在相同的滑动速度下就会出现摩擦系数也越大的情况;随着滑动速度的提高，体育器材用Ti2AIC复合材料的磨损率表现出先减小之后逐渐增加的趋势，在滑动速度为4.7m/s时会获得磨损率的最小值;体育器材用Ti2AIC复合材料很重要的特点是其磨损形式绝大多数都为层状剥落与氧化磨损。