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《四川大学》 2007年
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(Ti,V)C/Fe的原位合成及机械性能研究

王静  
【摘要】: 磨损、腐蚀和断裂是材料失效的三种主要形式。其中由摩擦导致的磨损失效是材料失效的主要原因,约有70%~80%的设备损坏是由于各种形式的磨损而引起的。英、美等国近年来对各自国家摩擦学情况调查结果表明:由于材料磨损失效形式所造成的损失估计每年都在上千亿美元;改善润滑、降低磨损可能带来的经济效益约占各国国民生产总值的2%以上。此外,现代工业的高速发展迫切需要在高温、高速、耐磨损条件下的结构件,如发动机的凸轮轴、挺杆、气门阀座、高速轧机的轧环、导向轮和轧辊等,现有的钢铁材料及其合金越来越难以满足需要。因此,研制新的耐磨材料并对其摩擦磨损行为进行系统的研究具有重要的经济价值和实用价值。 颗粒增强钢铁基复合材料因其特有的高比强度、高比模量、耐磨等优异的综合性能成为近年来新材料开发的热点。对于颗粒增强钢铁基复合材料,多数的工作都集中在TiC颗粒增强钢铁基复合材料上。目前制备TiC颗粒增强钢铁基复合材料的方法主要有:粉末冶金法和原位反应合成法,在原位反应合成法中以铸造法和高温自蔓延合成法(SHS)居多,但它们都有各自的局限性。而采用粉末冶金原位合成法不但可以解决铸造法因增强相体积分数增加及增强相与铁基体的密度差异而导致的铸造缺陷以及SHS的致密化问题,而且克服了粉末冶金法存在的增强体与基体之间结合不良的问题。 四川攀西地区有非常丰富的钒钛磁铁矿,Ti和V属于同一周期的过渡金属,原子序数仅相差1,它们所形成的碳化物皆具有高熔点、高硬度和高的化学稳定性,且VC与Fe的相溶性好,因此VC可作为钢铁基复合材料的理想增强体。但国内外对VC/Fe复合材料的研究相对较少。对(Ti,V)C/Fe复合材料的研究尚未见有报道。因此,在(Ti,V)C增强钢铁基复合材料方面开展研究工作,具有创新性,不但对拓宽钢铁基复合材料的研究和应用具有重要的科学意义,而且对发展四川经济有十分重要的意义。 本文采用粉末冶金原位合成法制备了(Ti,V)C颗粒增强钢铁基复合材料,借助X射线衍射(xRD)、扫描电子显微镜(SEM)、差热分析(Dsc)等测试手段,对Fe-Ti-V-C体系的反应动力学过程,对(Ti,V)C/Fe基复合材料的烧结致密化、微观组织、力学性能及摩擦磨损行为进行了系统深入的研究。 利用热分析(DSC)和X射线衍射(XRD)研究了Fe-Ti-V-C体系的反应动力学过程。首先,在765.7℃发生Fe的同素异构转变,即α-Fe→γ-Fe;以及钒的碳化反应FeV+C→VC+Fe;其次在1058.5℃,Ti与Fe共熔而形成低共熔体Fe_2Ti;在1140.4℃,C与Fe_2Ti反应生成TiC;最后,随着温度的继续升高,TiC和VC形成了(Ti,V)C固溶体。 (Ti,V)C/Fe基复合材料的烧结致密化研究表明:对于V/Ti原子比为0、0.1、0.2的复合材料,其最佳的烧结温度为1420℃;对于V/Ti原子比为0.4、0.6、0.8、1.0的复合材料,其最佳的烧结温度为1400℃。在最佳烧结温度,复合材料的相对密度都超过了98%。 利用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)研究了(Ti,V)C/Fe基复合材料的微观组织。结果表明:原位生成的(Ti,V)C颗粒细小,在珠光体基体上均匀分布,而且(Ti,V)C颗粒和珠光体界面结合良好。随着V/Ti原子比的增加,硬质相颗粒的形态由不规则状逐渐趋于球状;硬质相颗粒的尺寸先随着V/Ti原子比的增加而减小,当V/Ti原子比大于0.2,随着V/Ti原子比的增加,硬质相颗粒尺寸增大。 利用电子万能试验机对(Ti,V)C/Fe基复合材料的抗弯强度进行了测量,实验结果表明:(Ti,V)C/Fe基复合材料的抗弯强度随着V/Ti原子比的增加而升高,当V/Ti原子比等于0.2时,达到最大值,然后又有所下降。对于V/Ti原子比为0、0.1、0.2的复合材料,碳化物的体积分数基本相同,当碳化物的体积分数一定时,随着碳化物颗粒平均粒度的减小,抗弯强度增大。与V/Ti原子比为0的复合材料相比,V/Ti原子比为0.1、0.2复合材料的硬质相(Ti,V)C颗粒尺寸显著减小,因此其抗弯强度高于V/Ti原子比为0的复合材料。同时V/Ti原子比等于0.2的复合材料比V/Ti原子比等于0.1的复合材料抗弯强度高,这是由于随着钒含量的增加,前者的(Ti,V)C颗粒形态比后者更加趋于球形,而球形的(Ti,V)C颗粒可以避免基体产生应力集中和塑性变形。对于V/Ti原子比为0.4、0.6、0.8、1.0的复合材料,随着钒含量的增加,一方面,(Ti,V)C体积分数减少;另一方面,(Ti,V)C颗粒的平均粒度增加;因此抗弯强度逐渐下降。 运用M-200型摩丰擦磨损试验机对(Ti,V)C/Fe基复合材料干摩擦条件下进行了磨料磨损实验,实验结果表明:(Ti,V)C/Fe基复合材料(淬火+低温回火)具有良好的耐磨性能,明显优于高铬铸铁(亚临界处理)。磨损表面形貌分析表明:(Ti,V)C/Fe基复合材料在磨料磨损工况下主要的磨损机理为微区破裂和显微犁削,这两种机制共同作用导致材料与磨料相对运动过程中发生材料的流失。对于该种复合材料,(Ti,V)C颗粒会降低磨料刺入马氏体基体的深度并阻止其进一步的犁削作用,从而使复合材料的耐磨性得以提高。同时V/Ti原子比对复合材料的耐磨性能有很大的影响:当V/Ti原子比为0时,硬质相TiC颗粒尺寸较大,TiC颗粒的间距也较大,因此磨料在载荷的作用下能够顺利地刺入TiC颗粒间软的马氏体基体中,并犁削较长的距离,从而使磨损表面上留下较多宽而深的犁沟。 与V/Ti原子比为0的复合材料相比,V/Ti原子比为0.1、0.2的复合材料,其硬质相(Ti,V)C颗粒尺寸显著减小,(Ti,V)C颗粒的间距也减小。磨料在载荷的作用下难以刺入软的马氏体基体内,即使能刺入,其刺入深度及随之而引起的塑性变形也较浅小。复合材料的磨损表面较为光滑,犁沟较短且浅而窄,耐磨性较好。此外,V/Ti原子比等于0.2的复合材料具有更高的密度并且硬质相(Ti,V)C颗粒的形态更加趋于球形,它的耐磨性要优于V/Ti原子比为0.1的复合材料。当V/Ti原子比大于0.2时,随着钒含量的增加,一方面硬质相(Ti,V)C颗粒尺寸增大;另一方面硬质相(Ti,V)C的体积分数减小。造成(Ti,V)C颗粒的间距增大,从而使(Ti,V)C颗粒阻碍磨料犁削的作用有所减弱,磨料对马氏体基体的犁削作用加剧,导致磨损程度加剧,表现为耐磨性能的下降。当V/Ti原子比等于0.2时,(Ti,V)C/Fe基复合材料的耐磨性最佳。
【学位授予单位】:四川大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TF125

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