原位自生（Ti，W）C增强钢铁基复合材料的制备及组织与性能的研究

论文题目: 原位自生（Ti，W）C增强钢铁基复合材料的制备及组织与性能的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料学

作者: 潘卫东

导师: 才庆魁,任英磊

关键词: 钢铁基复合材料,原位自生复合材料,组织,性能

文献来源: 东北大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本文研究用W替代TiC中部分Ti，采用原位自生技术制备了（Ti，W）Cp／Fe基复合材料，研究了化学成分、制备工艺对这一新材料的组织与性能的影响。 研究表明：用W替代部分TiC中的Ti，制备出（Ti，W）Cp／Fe基复合材料是可行的。制备技术和化学成分对（Ti，W）C相组成、形态分布有较大的影响。Ti／W（原子比）大于4：6时钢铁基体中（Ti，W）C可以稳定存在，Ti／W比（原子比）等于1时，（TiW）C相基本上呈等轴粒状；以成本低廉的铸铁、钛铁、钨铁和低碳钢为原材料，在感应电炉中采用熔体接触反应法和普通铸造法相结合制备原位自生TiCp／Fe和（Ti，W）Cp／Fe基复合材料是可行的。在两种材料中TiC或（Ti，W）C相主要呈块状和条状两种形态。分析表明，块状第二相是熔体中形成的先共晶体，条状相为凝固过程中析出的共晶组织；研究发现制备工艺参数（熔炼温度、熔炼时间和凝固速度）对材料的组织影响较大，在熔炼温度低于1600℃，熔炼时间小于15分钟以及凝固速度较低时，发现有大量的沿晶界析出的Fe3C和Fe2Ti的存在，适当提高凝固速度对抑制沿晶界析出的Fe3C和Fe2Ti等有害相的析出有利。本研究条件下合理的制备工艺为，熔炼温度1650℃，熔炼时间15分钟，采用铁模铸造成型。 力学性能研究表明，凝固过程中沿晶界析出的Fe2Ti相对材料的硬度有贡献，但不利于材料的冲击性能，断口分析发现它们常常是裂纹源的萌生处。适当提高第二相的体积分数可以提高材料的综合性能，但对材料的冲击性能不利；磨损实验表明，（Ti，W）Cp／Fe基复合材料的耐磨损性能要优于TiCp／Fe基复合材料，尤其是在长时间磨损的情况下。 界面研究表明，第二相（Ti，W）C与基体的结合良好界面洁净，没有有害相生成，这是（Ti，W）Cp／Fe基复合材料提高耐磨损性能的主要原因。但当体积分数超过20％时，由于颗粒形态复杂，基体的硬度较小，出现了第二相割裂基体从而导致磨损性能下降；通过铸造法原位自生制备（Ti，W）C颗粒增强20钢和45钢基复合材料是可行的。通过适当的C、W和Ti元素的配比可以制备出不同使用场合的（Ti，W）C颗粒增强钢铁基复合材料；热处理对（Ti，W）Cp／Fe基复合材料组织中初生（Ti，W）C相影响不大，说明（Ti，W）C具有良好的热稳定性。退火处理可以使得（Ti，W）Cp／Fe基复

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ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 复合材料及其发展与分类

1.1.1 复合材料及其发展

1.1.2 复合材料的分类

1.2 金属基复合材料的现状与发展趋势

1.3 原位自生颗粒增强金属基复合材料发展状况

1.3.1 颗粒增强金属基复合材料及其力学性能

1.3.2 颗粒增强金属基复合材料的制备方法

1.3.3 原位反应颗粒增强金属基复合材料及其力学性能

1.4 颗粒增强钢铁基复合材料

1.5 本课题的思路和研究内容

第二章 采用粉体材料制备复合材料及其显微组织研究

2.1 成分设计

2.2 原材料和制备设备

2.3 样品制备

2.4 检测及分析方法

2.5 实验结果及分析

2.6 小结

第三章 采用块体材料制备复合材料及其显微组织研究

3.1 原料制备及实验方法

3.2 实验结果

3.3 小结

第四章 铸造法制备(Ti，W)C颗粒增强钢铁基复合材料的研究

4.1 实验方法

4.1.1 合金成分

4.1.2 原材料和设备

4.1.3 材料制备过程

4.1.4 铸造工艺制定

4.2 实验结果

4.2.1 熔炼温度对显微组织的影响

4.2.2 熔体保温时间及其凝固速度对显微组织的影响

4.3 结果分析与讨论

4.3.1 第二相的形态分析

4.3.2 Fe-Ti-W-C合金熔体中反应的热力学分析

4.3.3 铸造工艺参数对抑制Fe_2Ti和Fe_3C有害相形成的影响

4.4 小结

第五章 材料的力学性能研究

5.1 材料力学性能结果与分析

5.1.1 实验设备与方法

5.1.2 合金成分对材料性能的影响

5.1.3 铸造工艺对材料性能的影响

5.1.4 冲击断口分析

5.2 磨损性能与机理研究

5.2.1 实验方法与步骤

5.2.2 合金成分对材料磨损性能的影响与分析

5.2.3 铸造工艺对(Ti,W)C_p/Fe耐磨损性能的影响与分析

5.2.4 磨损机制研究

5.2.5 (Ti,W)C相界面的研究

5.3 小结

第六章 热处理对材料组织与性能的影响

6.1 (Ti,W)C颗粒增强钢铁基复合材料的制备过程

6.2 实验结果与分析

6.2.1 铸态材料显微组织及分析

6.2.2 热处理对(Ti,W)C_p/Fe基复合材料的组织的影响

6.2.3 热处理对(Ti,W)C_p/Fe基复合材料的性能的影响

6.3 小结

第七章 (Ti,W)C相形成机理探讨性研究

7.1 实验结果

7.2 结果分析与讨论

7.3 小结

第八章 结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及专利

致谢

作者简介

发布时间: 2006-10-25

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