三维网络SiC/2Cr13复合材料组织与性能的研究

论文摘要

伴随着航空航天事业的发展,一种高硬度、高耐磨性和良好的摩擦磨损性能的新型刹车材料——三维网络SiC陶瓷/金属复合材料引起了人们的注意。该材料SiC陶瓷和金属互为骨架,在三维方向上既能发挥出金属的高韧性、高强度又能发挥出SiC陶瓷的高硬度、高耐磨性和高耐热性等优点,从而使得该材料具有优异的摩擦磨损性能。在三维网络SiC/金属复合材料中,增强相和基体之间的界面反应强烈的影响了该材料的性能,因此对其界面组织和性能的研究具有极其重要的意义。本文主要研究了三维网络SiC/2Cr13复合材料基体和界面的组织和形成机理,以及该材料的干摩擦磨损性能和常规的力学性能。研究结果表明：（1）三维网络SiC/2Cr13复合材料中,其基体为球状珠光体组织,其界面SiC和2Cr13两相结合紧密,界面反应区主要由SiC反应区（SRZ）和金属反应区（MRZ）组成,而MRZ区又可分为贫Cr金属反应区（PCZ-MRZ）和富Cr金属反应区（RCZ-MRZ）。与SiC相邻的SRZ区主要由Fe5Si3、Cr5Si3、Cr3Si、Cr7C3和Cr23C6等物相组成；与2Cr13相邻的是RCZ-MRZ区,它主要由富铬相Cr23C6组成；在RCZ-MRZ区与SRZ区之间的是PCZ-MRZ区,它主要由富Fe相Fe2Si组成。（2）在SiC/2Cr13反应区中,界面生成物的凝固速率决定了各个界面产生的先后次序。PCZ-MRZ区中的Cr23C6最先凝固,因而在液相反应冷却过程中最先产生；其次是PCZ-MRZ区中的Fe2Si,极冷过程中部分Fe2Si来不急分解而保存下来；最后凝固的是SRZ区中Fe2Si分解产生的Fe5Si3。在冷却过程中,固溶的Cr、C、Si也以化合物的形式析出。SiC分解产生的C、Si原子和钢中金属原子的Fe、Cr原子结合具有选择性。Cr-C的亲和力高于Fe-C,而Cr与Si、C具有近同的亲和力,所以在界面析出了Cr7C3、Cr23C6和Cr3Si等物质。该界面反应以液相反应为主,固相反应为促进界面产物的均匀化和有序化起了重要的作用。（3）三维网络SiC/2Cr13复合材料经800℃保温时,在基体扩散来的Fe原子作用下SiC发生了分解,生成的C、Si原子与SRZ区中的化合物发生了反应。同时,固溶于Fe-Si化合物中的Cr-C、Cr-Si化合物析出、长大。经热处理后的界面组织更加均匀有序。试验求得Fe、Si原子的扩散系数分别为1.607×10-11m2·s-1和4.037×10-12m2·s-1。（4）以三维网络SiC/2Cr13复合材料为静环,含镍钼合金的铸铁环为动环来模拟轿车刹车试验。试验表明,复合材料在低速和高速下摩擦磨损性能都较为优异,但当转速到达7000rpm时,由于粘着磨损加剧导致动环摩擦面遭到严重破坏而使得摩擦性能急剧下降。低压力低转速下,动环和静环的磨损都以磨粒磨损为主,而压力增大转速变高时,复合材料的磨损以磨粒磨损为主,而铸铁环以粘着磨损为主。（5）三维网络SiC/2Cr13复合材料的拉伸强度较低,其Sbb=11MPa。由于SiC与2Crl3之间的界面反应导致复合材料的塑性大大降低,其金属断裂呈现典型的脆性断裂。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 摩擦材料的发展状况
• 1.2 复合材料的发展状况
• 1.3 金属基复合材料的研究状况
• 1.3.1 金属基复合材料的研究现状
• 1.3.2 金属基复合材料的界面研究
• 1.3.3 金属基复合材料存在的主要问题
• 1.3.4 金属基复合材料界面研究意义
• 1.4 SiC/金属复合材料界面研究现状
• 1.4.1 SiC/Al复合材料界面研究现状
• 1.4.2 SiC/Cu复合材料界面研究现状
• 1.4.3 SiC/Fe复合材料界面研究现状
• 1.5 SiC/金属基复合材料摩擦磨损研究现状
• 1.5.1 金属基复合材料摩擦磨损机理
• 1.5.2 SiC/金属复合材料摩擦磨损研究现状
• 1.6 三维网络SiC/金属复合材料研究现状
• 1.6.1 三维网络SiC/Al复合材料的研究现状
• 1.6.2 三维网络SiC/Cu复合材料的研究现状
• 1.6.3 三维网络SiC/钢复合材料的研究现状
• 1.7 界面反应的表征与测量
• 1.8 论文的研究内容、目的和意义
• 第2章 实验材料和实验方法
• 2.1 实验材料的制备
• 2.2 实验设备与方法
• 2.2.1 金相显微镜
• 2.2.2 X射线衍射
• 2.2.3 扫描电子显微镜
• 2.2.4 显微硬度测量
• 2.2.5 电子拉伸试验机
• 2.2.6 摆锤冲击试验机
• 2.2.7 MM1000--Ⅱ型惯性制动试验机
• 2.3 样品的制备
• 2.3.1 金相样品及SEM样品的制备
• 2.3.2 X射线衍射试样制备
• 2.3.3 拉伸试样制备
• 2.3.4 断裂韧性试样制备
• 2.3.5 冲击试样制备
• 2.3.6 摩擦环及其卡盘的制备
• 第3章 三维网络SiC/2Cr13复合材料的显微组织
• 3.1 复合材料的宏观组织
• 3.2 复合材料基体组织
• 3.3 复合材料的物相分析
• 3.3.1 复合材料SiC骨架物相分析
• 3.3.2 复合材料的物相分析
• 3.4 复合材料界面的结构与组织
• 3.4.1 界面各元素的含量变化及分布
• 3.4.2 复合材料界面的显微组织
• 3.5 复合材料的力学性能
• 3.5.1 复合材料断裂韧性的测定
• 3.5.2 复合材料冲击韧性的测定
• 3.5.3 复合材料拉伸强度的测定及断口形貌
• 3.5.4 复合材料的显微硬度
• 3.6 复合材料的界面形成机理分析
• 3.6.1 Fe-Si相图、Cr-C相图和Cr-Si相图
• 3.6.2 复合材料界面反应热力学
• 3.6.3 复合材料界面的形成机理
• 第4章 三维网络SiC/2Cr13经800℃热处理的稳定性
• 4.1 复合材料经800℃热处理后基体组织的变化
• 4.2 复合材料经800℃热处理后物相的变化
• 4.3 复合材料800℃热处理后界面组织
• 4.3.1 复合材料800℃热处理后界面元素的分布
• 4.3.2 复合材料800℃热处理后界面组织
• 4.4 复合材料800℃热处理界面原子扩散系数的计算
• 4.5 复合材料800℃热处理的界面反应模型
• 第5章 三维网络SiC/2Cr13复合材料摩擦磨损试验
• 5.1 三维网络SiC/2Cr13复合材料摩擦磨损实验条件计算
• 5.1.1 汽车实际制动条件
• 5.1.2 试验参数的确定
• 5.1.3 试验机模拟制动条件
• 5.2 刹车距离及加速度与压力和转速的关系
• 5.3 摩擦系数及摩擦系数稳定性
• 5.3.1 平均摩擦系数与压力及转速的变化曲线
• 5.3.2 平均摩擦系数稳定性与转速及压力的变化曲线
• 5.4 扭矩及扭矩稳定性系数的变化
• 5.4.1 在不同压力和不同转速下扭矩变化情况
• 5.4.2 在不同压力和不同转速下扭矩稳定性的变化情况
• 5.5 复合材料动环和静环的磨损量变化
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢