大断面WCp/Fe-C复合材料性能及梯度结构形成机制研究

论文摘要

金属基复合材料由于综合发挥了基体材料和添加材料的特性，使其表现出优异的综合性能，从而引起航空航天和汽车应用领域的高度重视。铝基和镁基复合材料已在这些领域得到广泛的研究和应用，而Fe-C合金基复合材料由于其熔点高，比重大，制造工艺极其复杂而研究甚少。高速线、棒材热轧生产线的预精轧段和精轧段用轧辊的工作条件十分恶劣。它不仅要求在高温高速旋转下具有足够的强度，而且要求其表面在高温、高载荷、高速滑动磨擦下具有极高的耐磨性能。再加上，在高速线、棒材热轧线上更换轧辊的昂贵的成本，探索一种低成本、在高温、高载荷、高速滑动磨擦下具有高寿命、优异综合性能的轧辊环材料替代目前生产线上使用的WC钴镍烧结硬质合金和高速钢轧辊成为人们追求的目标。 本文利用比重差，采用离心铸造技术，在自制的卧式离心铸造机上，制备了由WCp增强的铁基梯度复合材料外部工作层和Fe-C合金芯部基体组成的复合结构辊环，并对其进行了系统全面的分析研究，取得了规律性的认识和生产线上有实用价值的成果。 论文在分析了离心力场下外加增强粒子在金属熔体中的迁移和分布规律的基础上，以碳化钨颗粒（WCp）为增强粒子，以Fe-C合金为基体，建立了离心力场条件下，外加WC粒子在Fe-C合金熔体内运动和分布的理论模型。从理论上考察研究了外加WCp颗粒在Fe-C合金熔体内的运动和分布。并利用光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X-ray衍射仪等多种现代化微观分析手段和万能电子拉伸试验机、高速滑动磨损试验机等先进性能试验设备，研究了梯度复合材料的组织、性能、界面结构、断裂和磨损行为及其机制。 采用离心铸造法成功地在转速600rpm～1200rpm下制备了外径164mm～292mm，内径78mm～140mm，高67mm～100mm的由WCp／Fe-C梯度复合材料外层和Fe-C合金芯部基体组成的复合结构厚壁环试样，厚壁环试样的WCp／Fe-C梯度复合材料外层厚度达到了20～30mm。对试样的分析研究表明，在该试验条件下，建立的外加WCp在Fe-C合金熔体内运动和分布的理论模型与试验结果基

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 论文的创新点
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 功能梯度复合材料的研究现状
• 1.2.1 热等静压（HIP）法
• 1.2.2 铸造渗透法
• 1.2.3 离心分离法
• 1.2.4 反应生成法
• 1.2.5 自蔓延（SHS）高温合成法
• 1.2.6 放热弥散法（X D）
• 1.2.7 悬浮浇注制备法
• 1.2.8 喷射分散制备法
• 1.3 梯度复合材料摩擦磨损特性的研究现状
• 1.3.1 摩擦磨损系统描述及分类
• 1.3.2 复合材料磨损特性及磨损机制研究现状
• 1.4 课题研究的目的和意义
• 1.5 论文的主要研究内容
• 第二章 Fe-C基功能梯度复合材料的制备及试验方法
• 2.1 基体合金和增强体的选择
• 2.1.1 基体材料
• 2.1.2 增强体材料
• 2.2 Fe-C基功能梯度复合材料的制备
• 2.3 Fe-C基功能梯度复合材料的性能试验
• 2.3.1 力学性能试验
• 2.3.2 热疲劳性能试验
• 2.4 Fe-C基功能梯度复合材料的磨损试验
• 2.4.1 磨粒磨损试验
• 2.4.2 高速滑动磨损试验
• 2.5 Fe-C基功能梯度复合材料的组织和界面观察
• 第三章 外加增强颗粒在离心力场中迁移的理论模型
• p颗粒在Fe-C合金熔体中的迁移时间'>3.1 WC_p颗粒在Fe-C合金熔体中的迁移时间
• p颗粒在离心力场中迁移的理论模型'>3.2 WC_p颗粒在离心力场中迁移的理论模型
• p颗粒的分布的理论模型'>3.3 离心力场中WC_p颗粒的分布的理论模型
• 3.4 结果分析与验证
• 3.4.1 初始条件和边界条件
• 3.4.2 理论模型的差分求解
• 3.4.3 WC颗粒分布的理论计算与试验验证
• 第四章 Fe-C基功能复合材料的梯度结构
• 4.1 模具转速对复合材料梯度结构的影响
• 4.2 浇注温度对复合材料梯度结构的影响
• 4.3 分析讨论
• 4.4 本章小节
• 第五章 Fe-C基复合材料的界面结构及基体合金化
• 5.1 Fe-C基功能梯度复合材料的界面结构
• p／Fe-C梯度复合材料拉伸试验的SEM原位观察'>5.2 WC_p／Fe-C梯度复合材料拉伸试验的SEM原位观察
• p／Fe-C梯度复合材料的基体合金化'>5.3 WC_p／Fe-C梯度复合材料的基体合金化
• 5.4 本章小结
• 第六章 Fe-C合金基功能梯度复合材料组织与性能
• 6.1 梯度复合材料的组织分析
• 6.1.1 梯度复合材料层的组织
• 6.1.2 芯部Fe-C合金基体组织
• 6.2 梯度复合材料的性能
• 6.2.1 梯度复合材料的力学性能
• 6.2.2 梯度复合材料的热疲劳性能
• 6.3 复合材料断口的SEM观察
• 6.4 本章小结
• p／Fe-C复合材料磨损行为及磨损机理讨论'>第七章 WC_p／Fe-C复合材料磨损行为及磨损机理讨论
• p／Fe-C功能梯度复合材料的磨粒磨损试验'>7.1 WC_p／Fe-C功能梯度复合材料的磨粒磨损试验
• 7.1.1 载荷对功能梯度复合材料磨粒磨损性能的影响
• 7.1.2 磨粒磨损机制分析
• p／Fe-C功能梯度复合材料的高速干滑动磨损'>7.2 WC_p／Fe-C功能梯度复合材料的高速干滑动磨损
• p／Fe-C功能梯度复合材料磨损性能的影响'>7.2.1 滑动速度和外加载荷对WC_p／Fe-C功能梯度复合材料磨损性能的影响
• 7.2.2 滑动速度对复合材料摩擦系数的影响
• 7.2.3 磨损试验中磨损表面的温度
• 7.2.4 磨损表面及亚表层形貌观察和分析
• 7.3 分析与讨论
• 7.3.1 不同试验材料的摩擦系数
• 7.3.2 高速滑动磨损条件下不同试验材料的磨损机制
• 7.4 本章小结
• 第八章 Fe-C基功能梯度复合材料的工业应用
• 8.1 复合材料辊环的制备
• 8.2 复合材料辊环表面工作层的结构
• 8.3 复合材料辊环的装机试验
• 8.4 本章小节
• 第九章 主要结论
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间公开发表的论文及所获得的成果
• 作者在攻读博士学位期间所主持的项目
• 致谢
• 博硕士学位论文同意发表声明
• 发表意见书