工程科学与技术，国际期刊25（2022）100999审查功能梯度复合材料摩擦学研究进展R. Jojith，Manu Sam，N.拉迪卡·萨奇机械工程系，工程Amrita学院，Coimbatore，Amrita Vishwa Vidyapeetham，印度阿提奇莱因福奥文章历史记录：2021年1月31日收到2021年4月22日修订2021年5月4日接受2021年5月26日网上发售保留字：功能梯度复合材料磨粒磨损往复磨损铝合金磨损机理A B S T R A C T本文综述了近三十年来功能梯度复合材料（FGCs）在摩擦磨损和往复运动条件在不同的工艺条件和参数下，FGC提出了一个通过磨损模式和机理识别工艺参数以及评价磨损性能的通用框架。通过独立优化工艺参数，根据工业需求针对特定工程应用减少摩擦系统材料损失。此外，还讨论了磨损分析所面临的各种挑战，并展望了磨损分析在各个科学技术领域的应用前景。©2021 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。内容1.介绍22.FGC中的磨料磨损试验2.1.研磨介质的影响2.2.基体合金和第二相的影响52.3.颗粒重量/体积分数的影响62.4.模具旋转速度和熔体浇注温度的影响72.5.磨损过程参数的影响及相应的磨损机理72.5.1.施加载荷的影响2.5.2.滑动速度的影响2.5.3.滑动时间的影响2.5.4.径向距离的影响2.5.5.滑动距离的影响2.5.6.温度和润滑条件的影响93.FGC中的往复磨损3.1.组合物10的效果3.2.工艺参数的影响和相应的磨损机制113.2.1.施加载荷的影响3.2.2.滑动距离的影响3.2.3.频率的影响3.2.4.润滑剂的作用4.磨损碎屑135.聚合物基质与轻金属基质146.磨损表征技术147.涉及磨损的工程应用*通讯作者。电子邮件地址：n_radhika1@cb.amrita.edu（N.Radhika）。由Karabuk大学负责进行同行审查https://doi.org/10.1016/j.jestch.2021.05.0032215-0986/©2021 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchR. Jojith，M. 山姆和N。 拉迪卡工程科学与技术，国际期刊25（2022）10099928.研究差距和未来趋势9.摘要. 15竞争利益声明鸣谢15引用161. 介绍涉及摩擦和磨损的工业应用，如泵部件，气缸，轴承和运动部件需要特定的材料特性，这限制了选择用于制造的材料（金属，合金和传统复合材料）的范围[1]。这导致了功能梯度材料（FGM）的发展，这是一种显示梯度材料特性并提供优越位置特定性能的进化材料[2-4]。这些材料在航空航天、汽车、国防和其他工业应用中显示出了潜力，这些应用需要在相对较高的温度下具有高的表面耐磨性以及内部块体材料韧性，而这在整体金属基复合材料（MMC）中是无法实现的[5-8]。设计师制造的功能梯度材料通常根据成分混合物进行分类，例如陶瓷/金属、陶瓷/陶瓷、金属/金属和陶瓷/聚合物，其中陶瓷/金属是最广泛使用的材料组合[9-11]。由于图1.一、制作功能梯度材料的工艺路线陶瓷/金属功能梯度材料具有改善的机械性能，例如刚度、弹性、可加工性和耐久性，以及提高耐热性、耐磨性和耐腐蚀性，因此它们的能力得到了广泛关注[12-15]。自20世纪80年代日本科学家发现功能梯度材料以来，人们对梯度成分进行了详细的探索，并发现、开发和进一步发展了一项相当深入的文献研究详细介绍了这些不同的FGC制造工艺，将其分为固体、液体和气体基方法，范围从气相沉积技术到喷涂方法[16，17]。每种加工方法都有一组确定的参数，这些参数会影响FGM的最终性能。因此，制造方法的选择主要取决于所需的材料特性以及工业应用、材料成分、部件几何形状以及生产方法的适用性和可行性[18]。目前的工作范围并没有广泛地探索这些加工方法的研究，因此通常选择用于制造铝、铜和钛基FGC的加工路线如图所示。1.一、当今材料科学面临的最困难的任务之一是开发用于医疗用途的新生物材料，如植入物和人工组织生产。生物结构提供了对新材料设计原理的深入了解。因此，生物材料制造是应用FGM原理的重要领域，天然生物材料通常符合这些标准。牙科和膝关节植入物是FGM概念的当代应用，其中钛和生物有机材料组合使用[19-21]。磨损涉及通过机械和/或化学过程逐渐去除与另一表面相对运动的表面的材料。在各种工业应用中观察到磨损，例如汽车制动器、齿轮、轴承（普通轴承和滚珠轴承）、农业设备、土方工程、泥浆泵，以及在日常生活应用中观察到磨损，例如刀具、工具、家具，并且还在人类中观察到髋关节、肘关节和膝关节图2示出了在自然界、日常生活以及工业应用中受磨损影响的应用的一些示例。在连续变化的工艺参数下，表面同时受到多种磨损机制的影响下图二.自然界、日常生活和工业应用中的磨损实例。R. Jojith，M. 山姆和N。 拉迪卡工程科学与技术，国际期刊25（2022）1009993图三. 磨损模式和磨损机制的分类和说明。实验室分析表明，梯度复合材料在不同的实验条件、相互作用、工艺、装置和材料的微观结构特性的基础上，表现出不同的磨损过程根据磨损机理分类为粘着磨损、研磨磨损、疲劳磨损和摩擦化学磨损，这取决于系统研究人员进一步将上述分类的变化定义为冲击、侵蚀、腐蚀、空化、振荡和软化。 图 3代表了FGC经历的不同磨损模式和磨损机制。磨料磨损是由于两个表面之间的硬凸体运动而发生的。这通过塑性变形或断裂破坏较软表面的界面。粘着磨损是由于在滑动接触的两个表面的界面处的粘着结合的形成和分离而发展的，无论它们是否被润滑。对于这种机制，磨损发展，随后在接触表面的剩余区域中发生粘附和剥离[24，25]。FGC的磨损性能受各种摩擦因素的影响逻辑参数分为两类，即机械和物理因素（外在）和材料因素（内在）。外部参数涉及机械因素，例如载荷、滑动速度、滑动距离，以及物理因素，例如增强颗粒取向、环境条件、样品的表面光洁度和配合面。内在因素涉及材料参数，如增强形状、类型、尺寸、体积分数和颗粒分布[26]。FGM随着时间的推移已经发展到包括用于各种工业摩擦学应用的金属、陶瓷和聚合物复合材料。多位评审员已经审查了MMC和FGC的各种制造技术，并研究了与每个过程相关的加工路线、熔炉设计和技术问题，以及机械特性和应用[27-29]。Sannino和Rack[30]和Deuis等人[31]在各种外在和内在测试标准下，在磨料和粘合剂测试条件下研究了金属基复合材料的磨损行为，而Bas-siouny Saleh等人[32，33]则研究了金属基复合材料的金相、机械和力学性能。R. Jojith，M. 山姆和N。 拉迪卡工程科学与技术，国际期刊25（2022）1009994在不同的材料和工艺参数下离心铸造的FGC的磨损行为。尽管这些审查简要说明了在不同参数下面临的困难，但人们注意到，这些困难很小，而且不统一。由于许多工业应用，如发动机气缸和活塞，经历磨损和往复滑动，这是至关重要的，研究FGC在不同的内部和外部参数的行为考虑到FGC在磨料和往复运动应用中的潜在应用和益处，本文研究了FGC在这些应用中的发展，以及工艺参数对通过不同制造方法加工的FGC的磨损行为的影响本审查文件的结构如下：第一部分研究了摩擦磨损试验条件下的滑动磨损响应，其中不同的内部和外部参数的影响进行了分析。这些复合材料所经历的相应的磨损机制也被确定。以下部分评估了FGC在往复试验条件下的滑动磨损行为，其中探讨了材料参数和磨损工艺参数磨损机制也被确定，以了解不同的参数条件下的FGC的行为。下一节简要介绍了在不同磨损试验条件下产生的不同类型的磨屑本节还提供了有关磨损机制以及该机制如何影响磨屑生成的重要信息最后，先进的工程应用观察FGCs随着当前面临的挑战和未来的研究差距也被定义。总之，这篇评论文章定义了目前的研究和发展状况下进行的摩擦和往复试验条件下的FGC。还探讨了通过不同制造路线加工的FGC的磨损行为的内在和外在参数的影响，突出了工艺参数对磨损行为的重要性。2. FGC中的磨料磨损试验磨粒磨损以两体磨损或三体磨损的形式存在（图1）。 4）[22]。两体磨损是由于相对面上的硬颗粒或与第二表面接触的表面上的凹凸不平（粗糙且坚硬）而发生的，从而破碎较软的表面。当这些颗粒被拉出并在滑动表面之间自由滚动和滑动时，就会发生三体磨损[23]。根据自由颗粒的运动，研究人员将二体和三体磨料磨损定义为滑动磨损和滚动磨损。磨粒磨损存在于三种不同的模式，如微切削，楔形形成和犁削（图）。[24]。Dur-图四、不同类型磨料磨损的图示图五.在扫描电子显微镜（SEM）下观察到不同的磨粒磨损模式。在一个过程中，磨损发生在一种模式下，或者从一种模式过渡到另一种模式，或者同时发生[33]。对于磨损的微切削模式，形成长卷曲带状磨屑，对于楔形磨损形成楔形磨屑，而对于犁削，在试样表面上形成浅槽状特征[34]。磨损机制通常开始为两体磨料或粘着磨损，然后逐渐转变为三体磨损（磨料和粘着磨损机制的组合），因为磨损碎屑以碎屑或氧化物颗粒的形式被捕获在滑动表面之间[35，36]。本文采用实验室试验，如试样与固定磨料片或旋转砂轮的滑动，或球与平面试样的滑动，在滑动表面之间连续地加入松散磨料颗粒，对功能前三种方法涉及固定磨粒，这会在试样上造成两体磨料磨损。具有均匀分布的窄尺寸分布的砂砾颗粒的砂纸或布（碳化硅或氧化铝）用作相对面。橡胶轮磨损试验涉及松散的磨料颗粒（石英或硅砂），其为粉末或与液体混合以形成浆料;将板或块形式的试样在恒定载荷下压靠旋转的橡胶轮。经受车轮磨损的样本经历了滚动和滑动运动磨损疤痕的组合。试样销在固定磨料片上滑动产生两体滑动磨损特征[37，38]。 图 6显示了不同磨料磨损试验的图示。2.1. 研磨介质磨料介质的硬度，尺寸和形状显着影响试样的磨损率通过各种磨损机制。硬磨粒犁出较软的相并产生较大的相，而软磨粒则犁出较小的相或产生较大的犁削坑。这些断裂颗粒表现为磨粒，进一步增加了磨损[39]。磨粒硬度（Ha）与表面硬度（Hs）的比值显著影响磨损行为[40]。当Ha/Hs~1时，磨损率变得敏感，当Ha>~1.2Hs时，磨粒产生压痕，当Ha> 1.2Hs时，磨粒发生钝化<~1.2Hs[24]。磨粒磨损率受磨粒形状的影响见图6。不同类型的磨料磨损试验图解。●●●●R. Jojith，M. 山姆和N。 拉迪卡工程科学与技术，国际期刊25（2022）1009995具有锋利和有角边缘的磨粒的磨粒比光滑和圆形磨粒产生更高的磨损[41]。图7描绘了用于磨料磨损测试的不同磨料介质。不同尺寸的磨料颗粒对材料去除有显著影响，对于小于100m m的颗粒，磨损率显著较低[42]。对于磨料和侵蚀磨损模式，磨料颗粒尺寸范围在5和500mm之间，颗粒尺寸1 mm用于抛光，而对于刨削磨损，颗粒尺寸范围在10和100 mm之间。大角度形状颗粒的极端边缘和尖角主要表现为圆形颗粒，主要取决于试样上的穿透深度[39，43]。 磨粒渗透和粒度影响关键变量“相对渗透深度”，其定义了具有恒定增强体体积分数的复合材料的相对耐磨性[44]。当变量值小于1时，耐磨性显著提高;当变量值大于1时，耐磨性与穿透深度无关对于FGC，耐磨性取决于增强颗粒和磨料介质硬度[45-47]。2.2. 基体合金和第二相的影响磨粒磨损率主要取决于基体合金的流变行为以及基体中硬质第二相粒子的尺寸、形状、硬度、体积分数和粒子取向等物理参数。这也取决于合金的性能和第二相颗粒与基体之间的界面结合。熔融金属和合金是牛顿流体，已知粘度与剪切速率无关。根据Arrhenius关系式，金属熔体的粘度随熔体温度的升高而降低。当向熔体中加入增强颗粒时，粘度急剧上升，熔体变得非牛顿，并且熔融流动性降低。当固体颗粒分散在液体熔体中时，发生颗粒-熔体和铝、铜及其合金由于其良好的强度、优异的耐磨性和耐腐蚀性，发现它们是用于磨损应用的高要求材料。铜通过在复合材料中产生正梯度颗粒分布来增加基质粘度，而镁通过负颗粒梯度分布来降低基质粘度并改善二次颗粒与基质的润湿性[48-50]。与纯Al基体相比，Si和Cu的加入降低了梯度浆料分解沉积（GSDD）法制备的Al FGC的磨损量，Al-Cu复合材料显示出优于纯Al的耐磨粒磨损特性。见图7。（a）硅砂（b）氧化铝颗粒的SEM显微照片。铝硅复合材料和纯铝[49]。图8示出了SiC/Al-Mg在低SiC端和高SiC合金元素（Sn、Ni和Si）的加入消除了铜合金热稳定性和材料强度低的局限性这改善了合金性能，使其成为耐磨应用的基体材料[51，52]。钛及其合金在各种高温和高性能应用中得到应用，包括强度、韧性、腐蚀、耐化学性和耐磨性。合金元素影响基质粘度，并影响复合材料中的增强颗粒分布[53]。通过添加陶瓷颗粒作为二次增强相，消除了任何基体合金的限制，并改善了材料性能。金属基复合材料中使用的陶瓷增强材料通常不会被金属熔体熔化，因此需要使用额外的驱动力来去除表面能垒。合金化学、颗粒添加温度和搅拌强度是控制增强材料与熔体润湿的一些参数，而重力、浮力或搅拌运动是调节熔体中颗粒运动的一些力通常用于提高耐磨性的陶瓷增强颗粒包括碳化硼（ B4C）、碳化硅（SiC）、氧化铝（Al2O3）等[54、55]。离心铸造铝FGC的耐磨性明显高于均质合金，这是由于承载第二相颗粒的硬度相对于基体硬度[56-61]。 图图9描绘了各种增强颗粒对Al-12 Si-Cu FGC磨料磨损行为的SEM显微照片。Al2O3和石墨的加入对离心铸造铜基FGC的磨损率有明显的影响，Al2O3增强FGC的磨损率高于石墨增强FGC。这主要是由于添加的石墨颗粒提供的固体润滑效果，其产生了富含石墨的摩擦膜，用于使试样在相对面上平滑滑动[62，63]。颗粒形状和尺寸等第二相特征影响磨损体积损失，粗颗粒可有效抵抗表面切割和渗透[64]。强结合的较大第二相颗粒经历断裂、钝化或抵抗软磨料颗粒，而弱结合的颗粒容易通过磨料作用被拉脱[47，65]。对于10m m大小的颗粒，重力影响最小，它们完全悬浮在液体中，见图8。SiC/R. Jojith，M. 山姆和N。 拉迪卡工程科学与技术，国际期刊25（2022）1009996见图9。B4C/Al、Al2O3/Al、SiC/Al、TiB2/Al FGC的SEM显微照片[58]显著影响10-100 μ m尺寸范围内的颗粒的颗粒浓度梯度的形成尺寸在100和1000m m之间的颗粒在高速下完全悬浮，并且通常下沉并沉降到漩涡的底部，形成团簇[64]。当第二相颗粒尺寸在20 ~ 30 μ m之间时，FGC的磨损效果最好。50m m[61，66，67]。粒径的增加增强了通过压缩成型合成的酚醛树脂基混合摩擦复合材料的耐磨性[42]。基质固化所需的时间也影响增强颗粒分布和基质的相应硬度值[49，68]。在倒置销盘试验机上进行的铸造SiC/Al FGC磨损研究显示了相似的磨损特征，初始磨粒磨损转变为粘附、犁削和分层磨损模式[69，70]。2.3. 颗粒重量/体积分数第二相颗粒的质量/体积分数显著影响梯度层颗粒浓度，从而影响磨粒磨损响应。在离心铸造FGC中，当增强物含量增加到5%时，观察到磨损体积损失急剧下降，而当体积分数增加到5%以上时，观察到磨损体积下降缓慢得多[66]。在微动和滑动过程中，观察到高达20%的改善磨料磨损性能的陶瓷颗粒的重量/体积分数的增加。高于临界体积分数时，第二相颗粒被拉出或发生部分断裂，这增加了三体磨损的速率[71]。分析了增强体质量分数在5 ~ 20wt%范围内的离心铸造复合材料的磨粒磨损性能，认为10wt%是获得颗粒均匀分布的最佳浓度。这有助于避免任何增强颗粒簇的形成，从而增强磨损特性[72，73]。对通过热压和固结方法合成的SiC/Al 2024（30-采用粉末冶金法制备的纳米SiC增强Al 2014 FGC超过3%，由于主要的磨料磨损状态和材料硬度降低，耐磨性降低[75]。通过GSDD合成的Al FGC和通过离心固体颗粒法合成的Al3 Zr/ Al FGC显示出相似的磨损响应，含有40体积%的增强物[49，76]。 图 10和11描述了一个...图10个。（a）Al-3%SiC Cu 0.5%（b）Al-6%SiC Cu 0.75%和（c）Al-9%SiC Cu 1%复合材料的EBSD图[77]见图11。制造的复合材料的SEM显微照片（a）Al-3%SiC Cu 0.5%（b）Al-6%SiC Cu0.75%和（c）Al-9%SiC Cu 1%[77]不同Al-（3 - 6%）SiC-Cu原位制备的Al3 Ti/Al FGC在不同方向上的磨损分析显示，与片状Al3Ti颗粒的定义取向和分布相比，结果截然不同。这主要是由于Al3 Ti片晶形状和离心力引起的颗粒颗粒的颗粒分布[78，79]。对优化工艺参数下激光沉积Ti6 Al 4V/TiC FGC进行的磨损分析表明，与固定工艺参数下制备的Ti6 Al 4V/ TiC FGC和Ti6 Al 4V基材相比，其耐磨性分别为 36.4% 和 82.5% 。 磨 损 率 取 决 于 沉 积 在 Ti6Al4V 基 材 上 的 粉 末（Ti6Al4V、TiC）的梯度体积分数（100% Ti6Al4V：0% TiC至50%Ti6Al4V：50% TiC）[80]。图12显示了铸造Al-6.5%SiC FGC的磨损显微照片和在SEM下观察到的表面特征特征(1)表示基体裂纹，（2）表示细槽（磨损），（3）图12个。AA 7075 -6.5%SiC FGC磨损显微照片（a）15 N和2 m/s（b）15 N和5 m/s（c）30 N和2 m/s和（d）30 N和5 m/s[81]R. Jojith，M. 山姆和N。 拉迪卡工程科学与技术，国际期刊25（2022）1009997表示氧化物形成，（4）表示颗粒拉出区（分层磨损）[81]。2.4. 模具转速和熔体浇注温度的影响模具转速、熔体浇注温度、模具温度、搅拌速度和搅拌时间都是影响离心铸造复合材料中颗粒梯度分布的工艺变量，同时也影响复合材料的硬度和耐磨性等性能。然而，影响性能的主要参数，根据文献分析，模具转速和浇注温度，所以这些参数对磨料磨损率的影响进行了总结。磨粒磨损率取决于磨粒的梯度分布，并受模具转速和磨粒密度的影响。提高转速有利于提高低速下的细化、强化颗粒偏析和液体质量挥发性这显然影响了硬度，同时也影响了耐磨性[82]。在FGM离心铸造领域进行的研究集中在将旋转速度保持在800和1300 RPM之间，以获得均匀的颗粒分散和机械性能的改善[83]。速度越高，外围层上的第二相颗粒的浓度越高，并且这在1000至1300 RPM的范围内相关，除了当利用高速时存在急剧的分布梯度之外[66]。研究了不同颗粒尺寸、质量分数和离心转速（700-1300 RPM）对离心铸造SiC/Al FGC力学性能和磨损性能的影响外部区域的机械性能和耐磨性随着第二相颗粒百分比和模具转速的增加而增加，并随着磨损工艺参数的增加而降低[84，85]。同样，Al和Cu FGC在高陶瓷颗粒浓度层显示出优异的磨损效率[86-88]。在FGC的制备过程中，熔体浇注温度通过影响FGC在基体中的颗粒分布，对FGC的力学性能产生重要影响。随着熔体浇注温度的变化，尖锐的梯度颗粒分布导致机械性能的变化，在很高的浇注温度下观察到较弱的机械性能。大多数研究集中在700-850 °C的浇注温度范围内通过垂直离心铸造在750 °C熔体浇注温度下合成的SiC/A356 FGC的机械和磨损性能分析显示，与基础合金相比，抗拉强度（~ 18%）和硬度（~26%）显著提高。固体熔体快速冷却的颗粒梯度分布导致高颗粒浓度层，这提高了机械性能，同时提高了耐磨性[90]。然而，从颗粒富集区过渡到贫化区的性质取决于基体合金的凝固范围。在不同的熔体温度下，对离心铸造的A356和Al2124 FGC（用SiC颗粒增强）的冶金和机械性能进行比较分析，结果显示，在760 °C的浇注温度下加工的Al2124复合材料的显微硬度值降低[91]。图13示出了所使用的各种基质材料和增强颗粒以及它们的重量分数和粒度的最佳范围。2.5. 磨损过程参数的影响及相应的磨损机理复合材料相关领域的无数调查研究探索了作为不同工艺参数的函数的磨料磨损响应变化。施加载荷、滑动速度、滑动图13岁用于制造FGC的常用基质材料距离、滑动时间、热条件、径向距离、配筋方式等是影响磨粒磨损分析的最重要的磨损过程参数。2.5.1. 外加荷载离心铸造的Al和Cu FGC在不同的施加载荷条件下的磨料磨损分析显示，线性增加的磨损率和三个特定的磨损制度，随着工艺条件的增加。铸态Al-Si复合材料在低载荷下表现为轻微磨损，磨损表面为细小的划痕和浅沟槽。在中等载荷下，轻度磨损已过渡到犁削和切削磨损相结合的状态，其特征在于由于连续的磨粒作用而形成的主要磨损槽[58、92、93]。存在一个临界载荷，超过该临界载荷，发生塑性变形，其特征在于由于移位的增强颗粒而导致的严重切割和微犁削[94]。在极端载荷条件下，连续的磨粒作用导致磨损机制从犁削磨损转变为侵蚀磨损，这对于铝FGC是完全不合理的[58，67]。在不同的施加载荷下，观察到用AlN和SiO2颗粒增强的LM 25 FGC的磨损状态的类似转变[61]。犁削和侵蚀磨损的组合定义了Si3 N4/Al FGC在80 N施加载荷下的磨损响应，梯度复合材料在低载荷下显示出优于均质复合材料的耐磨性[67]。以纵向凹槽和划痕为特征的磨粒磨损定义了通过水平离心铸造合成的SiC/Cu-10 Sn FGC在低载荷（10 N）下的磨损行为，其在高载荷（30N）下转变为复合粘附和分层磨损[95]。在30 N载荷下，通过搅拌摩擦加工制备的纳米SiC/Al 6061-T6 FGC的磨损率比均匀复合材料降低了约33%。 磨损表面的特征在于最小的磨损凹槽和微磨损，而均匀复合材料显示出严重的塑性变形，其特征在于微磨损和大空腔[96]。通过熔模铸造和熔融沉积工艺合成的Al2O3耐磨性随着Al2O3浓度的增加而增加，同时影响显微硬度值[97]。SiC/A319（10，20wt%）FGC在不同工况下的磨损性能分析R. Jojith，M. 山姆和N。 拉迪卡工程科学与技术，国际期刊25（2022）1009998载荷（10-电沉积技术的技术突破激发了新型多层（ML）纳米结构涂层的产生，这些涂层越来越多地进入工业领域并满足更苛刻的应用要求。在不同的施加载荷条件下，对碳钢基体上的脉冲电沉积Ni-Fe-Co和Ni-Fe-Al2 O3 ML涂层与销盘装置的滑动磨损行为进行研究，结果表明，在低载荷条件下存在轻度磨粒磨损，随着载荷的增加，磨损转变为微切削、分层和塑性变形的组合（图14）[99，100]。2.5.2. 滑动速度在实验室中进行的磨料磨损研究采用销盘装置，在计数器板上具有磨料片，或者采用干轮磨损试验机，其中采用诸如石英砂的磨料介质销盘装置的滑动速度在1和20 m/s之间变化，而干轮磨损试验机的轮旋转速度在10和200 RPM之间变化，这取决于工业应用[58，61]。滑动速度和砂轮转速的这种变化对陶瓷颗粒增强的FGC产生了相反的磨料磨损响应，这证实了磨料磨损率取决于速度[40，58，61]。Al3 Ti/Al、TiB2/Al、TiB2/Al-复合增强体（B4C，Al2O3，SiC，TiB2）增强的FGCs的磨损率随砂轮转速的增加呈负增长在50 RPM下，观察到犁削和侵蚀性磨损，在150 RPM下转变为磨粒磨损，进一步转变为最小磨损和增强颗粒钝化[58，101]。观察到Si3 N4/LM25 FGC的磨损反应和机制相似，梯度复合材料外层的耐磨性优于均质复合材料和未增强合金[67]。在低转速（100 RPM）下，磨损是影响磨损的主要磨损机制，随着转速的增加，图14. Ni-Fe-Al2O3在不同载荷（a）2.5N，（b）5 N，（c）10 N和（d）20 N下的磨损形态[100]旋转轮上的研磨硅砂颗粒与试样之间的接触[102]。对喷射沉积SiC/Al-20 Si-3Cu FGC的磨损分析表明，磨损率完全取决于颗粒浓度，以及其他工艺参数，如施加的载荷和旋转速度。在低载荷和转速下观察到磨粒磨损状态，在高载荷和转速下转化为氧化和分层磨损[103]。在不同滑动速度（5-35 m/s）下，混合ML Cu/SiC/石墨和Cu/B4C/石墨FGC的耐磨性和制动性能均有所提高。ML复合结构最大限度地减少了三体磨料磨损的严重程度和应力集中在5-10 m/s。这有助于在30和35 m/s下产生优异的磨损性能。磨料磨损状态定义了5-10 图15示出了磨损的表面形貌在10和30 m/s下观察到SiC + Gr/CuFGC。特征（1）表示氧化皮形成，（2）表示在特定表面上的颗粒突起，（3）表示形成的摩擦层，和（4）表示凹槽线。箭头表示滑动方向，而曲线表示通过分层去除的耐磨片。对于通过层堆叠压实和压力烧结技术加工的离散功能梯度Cu/SiC/石墨/氮化硼混合复合材料，在不同的滑动速度（5-35 m/s）下观察到类似的磨损性能和磨损状态2.5.3. 滑动时间离心铸造Al2O3/Al-5Si-3Cu FGC的磨粒磨损行为随滑动时间的增加分为两个特定的磨损区域磨损的特点是在较小的持续时间，由于磨料介质以及第二相颗粒的初始切割和磨料作用。在较长的持续时间内，由于秒粒子的钝化，样本表面经历平滑化[106]。复合增强体（B4C，Al2O3，SiC，TiB2）增强的Al-12 Si-Cu FGC随滑动时间的增加表现出相似的磨损行为磨损、切割和腐蚀机制定义了滑动持续时间较短时的磨损，而在滑动持续时间较长时，增强颗粒钝化和试样表面光滑，从而减少了材料损失（图16）[58]。在较小的滑动持续时间内，最初观察到以切削和微小颗粒脱出为特征的磨粒磨损，而以增强颗粒增加为特征的严重犁削磨损状态图15.分别在10 m/s和30 m/s下测试的SiC + Gr/Cu FGC的磨损表面形态（a）（b）宏观照片和（c）（d）SEM图像[105]R. Jojith，M. 山姆和N。 拉迪卡工程科学与技术，国际期刊25（2022）1009999图16. （a）3（b）5（c）7（d）9 min时的Al2 O3/Al-12 Si-Cu FGC磨损显微照片[50]在更长的滑动时间内观察到拔出和材料去除[72]。滑动时间影响离心铸造SiC/Cu-Sn FGC的磨粒磨损性能，在较短的滑动时间内，由于第二相颗粒和磨粒的存在，FGC的磨粒磨损由于增强颗粒的断裂和连续滑动运动，在较长的滑动持续时间内观察到磨料和分层磨损的组合[50]。在优化的工艺条件下制备的TiC/Ti6 Al 4V FGC比Ti6 Al 4V基体具有更好的耐磨性。Ti6Al4V基材的特征在于组合磨损、粘附和塑性变形磨损状态，而在最佳和固定工艺条件下加工的梯度复合材料显示存在未熔化的碳化物层，这在延长的滑动时间内极大地降低了磨损损失[79]。2.5.4. 径向距离离心铸造复合材料沿径向的磨粒磨损率，直接取决于第二相颗粒的分布、颗粒密度、体积分数以及离心转速。对Ni涂层SiC/LM 21FGC的磨粒磨损性能进行了统计分析，结果表明，径向距离是影响复合材料磨粒磨损性能的最重要参数其特征在于随着径向距离的增加，磨损状态从轻度磨损过渡到严重磨损[107]。AlB2/Al FGC外层、中间层和内层的三体磨料磨损性能取决于增强颗粒的体积分数，外层在不同的施加载荷和磨料介质下显示出优异的耐磨性[41]。同样，离心铸造SiC/A356 FGC外层由于高增强颗粒体积分数而显示出优异的耐磨性其特征在于低载荷和滑动速度下的主要磨粒磨损状态，其转变为严重磨损，其特征在于塑性变形、高应力引起的颗粒断裂和较高载荷或速度下的分层[108]。AlB2/Al-Mg FGC的干滑动磨损率随径向距离的变化而降低，并取决于硼的体积分数，磨损状态定义了磨损行为（图17）[109]。2.5.5. 滑动距离铸造WC/LM 25 FGC报告了非线性磨损趋势，随后在恒定施加载荷下随着滑动距离的增加呈线性趋势。这种行为的特征是磨损机制从轻度磨损过渡到严重粘附磨损，再过渡到轻度润滑磨损[110]。B4C、SiC和ZrO2增强的Al-12 Si-Cu FGC表现出良好的力学性能图17. Al-2 wt.%的背散射SEM磨损显微照片Mg- 1wt.% B FGC磨损痕迹（a和b）10mm处的顶视图和横截面视图（c和d）20 mm处的顶视图和横截面视图（e和f）重力铸造复合材料的顶视图和横截面视图[95]。对比结果，其中随着滑动距离的增加观察到线性关系[59]。对于在FGC上进行的干滑动分析，磨损磨损被报告为在低滑动距离下影响试样销和硬化钢对应物的主要磨损状态。这后来转化为对立面的磨损和稳态滑动过程中样本销的粘附诱导摩擦断裂[95，111]。对离心铸造法制备的TiB2和Al3Ti增强的Al-Si和Al-Cu FGC进行了磨粒磨损研究，得出磨损量与滑动距离（30–TiB2增强的Al和Al-Al3 Ti增强的Al、Al-Si、Al-Cu FGC显示出相似的磨损响应，Al-Cu复合材料显示出比Al复合材料更好的耐磨性（60用硬质陶瓷颗粒增强的铜FGC显示出类似的磨损行为，观察到磨损率随着滑动距离的增加而增加，其特征在于在低滑动距离下通过磨料磨损产生的浅槽和磨损痕迹以及在高滑动距离下增加的微切削和犁削磨损[112-114]。在低碳钢基体上的脉冲电沉积ML Ni-Fe涂层在30 m和120 m滑动距离后的磨损SEM分析证明了两个阶段的磨损机制与分层以及塑性变形在30 m证明和完全消除分层在120 m。由于硬度增加，观察到的磨损随着频率的增加而减少。由于Fe含量增加以及硬度增加，较低的占空比导致较低的磨损率[115]。对低碳钢表面纳米晶镍钨ML涂层的磨损分析表明，ML涂层的磨损受摩擦膜及其承载能力的影响。复合结构的分层改变了影响磨损的磨损机制，摩擦层和多层基质的承载能力通过减少层厚度而增加[116]。2.5.6. 热和润滑条件热处理通过细化晶粒和沉淀硬化增强复合材料的磨粒磨损性能，提高了复合材料的显微硬度和耐磨性。添加0.5%Mg可提高合金中Mg的析出速率，并原位生成硬质初生硅颗粒，从而提高离心铸造A390- 0.5%Mg活塞头、界面和裙部的硬度和耐磨性 由于较硬的对板在较软的销上的刮擦，活塞头显示出磨料磨损行为，而活塞裙显示出磨料磨损和粘着磨损机制的组合（图1）。（十八）R. Jojith，M. 山姆和N。 拉迪卡工程科学与技术，国际期刊25（2022）10099910图18. A390-0.5 Mg FGC在不同载荷条件下磨损表面的SEM显微照片（a）1 kg（活塞头）（b）4 kg（活塞头）（c）1 kg（裙部区域）(d)4 kg（裙部区域）[101]。图19.磨损过程参数的实验范围及其最佳值。[117]这是一个很好的例子。热处理离心铸造B4 C/LM 13 FGC的滑动磨损率随着热条件的变化而改善，磨损率显著依赖于时效参数[118]。在干滑动条件下，热处理样本的磨损量最小，而在湿滑动条件下，老化过程对耐磨性的影响随着滑动距离的增加而降低[119，120]。热处理后的铜FGC显示出近10-磨粒磨损定义了初始滑动条件下的磨损，在极端滑动条件下转变为粘着和分层磨损模式[121，122]。在高温滑动条件下，铝合金FGC的磨损分析表明，在极端条件下，影响材料去除的是混合磨损模式，初始磨粒磨损转变为增强颗粒在低温下控制磨损行为，而在高温下，系统中的磨损由基质摩擦学特性定义[123，124]。图19显示了工艺参数的实验范围和磨料磨损研究中考虑的最佳值表1比较了涉及以下因素的磨粒磨损研究对铝、铜和钛的FGC进行了磨损试验，并列出了影响其磨损结果和磨损机理的相应磨损参数值。3. FGC中的往复磨损铝合金构件硬度低、摩擦学性能差，严重制约了其在汽车工业中的应用通过陶瓷涂层提高合金硬度或添加陶瓷颗粒作为增强材料，可控制界面摩擦引起的磨损率[134]。铝基复合材料的主要磨损机制为二体磨粒磨损、粘着磨损、氧化磨损和分层。摩擦系数的降低通过摩擦膜的形成得到更好的调节[135]。 图图20示出了不同类型的线性往复磨损测试的图示。3.1. 成分效应第三体的形成率直接取决于陶瓷颗粒的浓度和类型、滑动界面处的润滑和载荷条件。通过第三体颗粒的这种材料去除模式通过严重的表面刮擦在很大程度上影响了往复式系统的稳态。随后是摩擦层现象的不稳定和引发[136]。采用不同重量百分比（0 - 20重量%）的SiC颗粒增强的A356 FGC从热处理的6 wt%B4 C/A359 FGC的内部区域到外部区域观察到类似的金相结构（图21），其中发生了从粗到细的球状共晶Si的逐渐转变[138]。在Al6061基体上制备了60vol%Al2O3、20vol%ZrO2和20vol%TiO2的三元复合陶瓷涂层这种混合陶瓷涂层铝[139]。在干滑动往复条件下，当对镀铬对立面材料进行测试时，观察到涂有陶瓷化合物的铝基材的摩擦系数大于或等于铸铁的摩擦系数[140-142]。图22示出了粗晶粒Cu-0.3Al合金的表面下结构（a-b）及其在经受往复磨损时的相应EBSD分析（c-d）。EBSD图显示了动态再结晶晶粒（蓝色）、亚晶粒（黄色）和变形晶粒（红色）。15%SiC/A319、15%SiC/A336和15%SiC/A390复合材料在不同的磨损工艺参数下表现出明显的粘着磨损行为，伴随着严重的塑性变形和材料去除。SiC/A390复合材料显示出更好的稳定性，并且由于硅含量较高，能够承受极端测试条件下的严重磨损，直至向更高载荷/速度的过渡点[144]。以小斑块、浅凹槽和小凹痕为特征的强烈粘着磨损和严重变形定义了Ti/TiN/Si多层涂层Al FGC复合材料在沿滑动方向的压缩和剪切应力组合下的磨损行为[145]。碳纳米管（CNT）用作基材上的耐磨涂层时，可改善复合材料的摩擦学性能[146-148]。先进的研究表明，混合陶瓷涂层的表面处理是一种有前途的技术，可以防止磨损机制，如擦伤和界面焊接[149-151]。现代气缸套已采用激光毛化工艺、表面压痕、珩磨等，除了热喷涂、电沉积、阴极电弧沉积、激光渗硫合金化、冲击硬化和表面硬化等梯度沉积技术外，R. Jojith，M. 山姆和N。 拉迪卡工程科学与技术，国际期刊25（2022）10099911表1综述了各种功能梯度材料的磨粒磨损研究及其磨损结果和机理。FGC系统磨损过程参数在基体上观察到的机制耐磨性的改善层（%）参考文献没有合金援军载荷（N）旋转滑动滑动时间滑动外部中间速度速率（分钟）距离（m）层(RPM)（m/s）Al-5Si-3CuSiC335–[第八十三章]AlSi12Cu了zro2335–[第86话]A356SiC10–330 40[第九十章]LM13了tib23310–[九三]Al-5Si-3CuB4C285–[一百二十五]Ti6al4vWC25–2000[126]Al了tib21、2–75 5[一百二十七]A413Al3 Ni10 53010–[第128话]AlTiAl32 100–1000 5[129]Al-SiGr10–1800 40[130]Al-NiSiC103、154–2000 20[131]Ti6al4v了zro2理论模型30[132]Ti6al4vTiC20 10015–[133]第一百三十三话图20. 不同类型的往复磨损试验。表面渗氮采用电沉积技术制备的五层Cu，Cu-SiC FGC在往复滑动过程中，摩擦系数随载荷（2 ~ 8
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