增強(qiáng)粒子含量、尺寸及制備工藝對SiCp-Fe復(fù)合材料性能影響的研究.pdf

1、顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料，因其具有高的比強(qiáng)度、比剛度以及優(yōu)良的耐磨性能等而受到人們越來越多的關(guān)注。本文采用雙段式電流直加熱動態(tài)熱壓燒結(jié)工藝制備SiCp/Fe復(fù)合材料，研究了燒結(jié)的保溫溫度和保溫時間對復(fù)合材料性能的影響，并針對粉末冶金法制備顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料時增強(qiáng)粒子易于偏聚的問題，提出了機(jī)械沖擊包覆工藝，研究了工藝參數(shù)對制備復(fù)合材料性能的影響。采用最佳制備工藝，對增強(qiáng)粒子的含量、尺寸以及混合尺寸粒子對SiCp/Fe復(fù)合材料組織性能的影響進(jìn)

2、行了研究。建立了Eshelby等效夾雜顆粒復(fù)合體模型和顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的有限元三維模型，模擬了SiCp/Fe復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，重點(diǎn)研究增強(qiáng)粒子的含量、尺寸以及混合尺寸對復(fù)合材料性能的影響，用以分析和解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　提高燒結(jié)的保溫溫度和延長保溫時間利于復(fù)合材料的組織致密化，可獲得更高性能SiCp/Fe復(fù)合材料，但過高的保溫溫度和過長的保溫時間會導(dǎo)致增強(qiáng)粒子與基體嚴(yán)重的界面反應(yīng)，不利于材料性能進(jìn)一步提高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，

3、保溫溫度在1200℃左右，保溫時間為250s時，可制備較高性能的復(fù)合材料。對機(jī)械沖擊包覆工藝的研究結(jié)果表明，球料比為5∶1，行星球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為225rpm，沖擊包覆為120min時，可以避免機(jī)械合金化損傷強(qiáng)化粒子，并能實(shí)現(xiàn)基體對強(qiáng)化粒子的最佳包覆。與常規(guī)粉末混合工藝相比，機(jī)械沖擊包覆工藝可以顯著提高制備復(fù)合材料的力學(xué)性能，并且增強(qiáng)體含量越高，其改善效果越顯著，對于20vol％SiCp/Fe復(fù)合材料，其抗拉強(qiáng)度和相對密度分別提高了42.3％

4、和5.5％。
　　增強(qiáng)粒子體積含量由5％增加到20％，SiCp/Fe復(fù)合材料的硬度、耐磨性能以及抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的先增加后減小的規(guī)律，增強(qiáng)粒子體積含量為10％時，復(fù)合材料的以上性能最佳，而復(fù)合材料的延伸率隨粒子含量的增加保持逐漸降低。顯微組織觀察表明，在15vol％SiCp/Fe復(fù)合材料中開始出現(xiàn)明顯的增強(qiáng)粒子團(tuán)聚，材料中出現(xiàn)較多微觀缺陷，因而材料性能降低。增強(qiáng)粒子尺寸對SiCp/Fe復(fù)合材料硬度影響較小，而對復(fù)合材料耐磨性能有明

5、顯影響。增強(qiáng)粒子尺寸由3.5μm增加到13μm，10vol％SiCp/Fe復(fù)合材料的耐磨性、強(qiáng)度和塑性都得到提高，繼續(xù)增大粒子尺寸，復(fù)合材料的耐磨性、強(qiáng)度和塑性降低。適當(dāng)增大粒子尺寸，利于SiCp/Fe復(fù)合材料中增強(qiáng)粒子的均勻分布，復(fù)合材料性能得到提高，然而尺寸較大粒子的自身強(qiáng)度低，在復(fù)合材料承受外加應(yīng)力時易斷裂失效，因此，粒子尺寸太大會降低復(fù)合材料的性能。
　　本研究探討了混合尺寸增強(qiáng)粒子對SiCp/Fe復(fù)合材料性能影響的作用，

6、實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:合理的設(shè)計混合尺寸強(qiáng)化粒子，有利于提高鐵基復(fù)合材料的力學(xué)性能，當(dāng)不同尺寸增強(qiáng)粒子混合配比為1∶1時，與粒子尺寸組合13μm+3.5μm，13μm+38μm相比，實(shí)驗(yàn)表明由標(biāo)稱粒度為13μm與23μm混合增強(qiáng)SiCp/Fe復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳。增強(qiáng)粒子標(biāo)稱尺寸為13μm與23μm的組合存在一個最佳的質(zhì)量混合比，增強(qiáng)粒子體積含量10％時，小粒子與大粒子最佳混合比例為2∶1，而體積含量為20％時，最佳混合比例為1∶1。與13μ

7、m單尺寸顆粒增強(qiáng)SiCp/Fe復(fù)合材料相比，采用最佳比例混合尺寸粒子增強(qiáng)，10vol％SiCp/Fe復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度提高了9.7％，與23μm單尺寸顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料相比，其抗拉強(qiáng)度提高了38.3％，而相對應(yīng)的延伸率基本沒有變化?；旌铣叽缌Ｗ觾?yōu)良的增強(qiáng)作用是由于提高了復(fù)合材料的相對密度，減少了復(fù)合材料內(nèi)部的缺陷，因而復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度獲得提高。
　　建立了Eshelby等效夾雜顆粒復(fù)合體模型，首次將微觀裂紋產(chǎn)生機(jī)制引入到Eshel

8、by模型模擬復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，提出了基體應(yīng)變值與復(fù)合材料應(yīng)變值轉(zhuǎn)換的方法，與原模型相比，新模型模擬SiCp/Fe復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實(shí)驗(yàn)值符合得到顯著改善。模擬結(jié)果表明，在復(fù)合材料應(yīng)變過程中，增強(qiáng)粒子受力遠(yuǎn)大于基體受力，說明增強(qiáng)粒子的載荷分擔(dān)對于強(qiáng)化SiCp/Fe復(fù)合材料起著重要作用。建立了顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的有限元三維模型，增強(qiáng)粒子隨機(jī)分布在單胞模型中，模擬了增強(qiáng)粒子尺寸為7μm，10μm，20μm和30μm的10vo

9、l％SiCp/Fe復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。模擬結(jié)果表明，增強(qiáng)粒子尺寸的大小對10vol％SiCp/Fe復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度有明顯影響，存在一個臨界粒子尺寸，此時復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度最高，模擬結(jié)果對實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了一個另外的機(jī)理因素，說明強(qiáng)化粒子的尺寸變化存在一個最佳有效阻礙基體塑性變形的作用。對比單尺寸粒子增強(qiáng)SiCp/Fe復(fù)合材料，混合尺寸粒子有利于載荷從基體向強(qiáng)化粒子的傳遞，可以有效改善SiCp/Fe復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度，模擬結(jié)果與本研究