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

1、顆粒增強鐵基復(fù)合材料，因其具有高的比強度、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鐵基復(fù)合材料時增強粒子易于偏聚的問題，提出了機械沖擊包覆工藝，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，重點研究增強粒子的含量、尺寸以及混合尺寸對復(fù)合材料性能的影響，用以分析和解釋實驗結(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，實驗結(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，行星球磨機轉(zhuǎn)速為225rpm，沖擊包覆為120min時，可以避免機械合金化損傷強化粒子，并能實現(xiàn)基體對強化粒子的最佳包覆。與常規(guī)粉末混合工藝相比，機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，其抗拉強度和相對密度分別提高了42.3％

4、和5.5％。
　　增強粒子體積含量由5％增加到20％，SiCp/Fe復(fù)合材料的硬度、耐磨性能以及抗拉強度呈現(xiàn)明顯的先增加后減小的規(guī)律，增強粒子體積含量為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。增強粒子尺寸由3.5μm增加到13μm，10vol％SiCp/Fe復(fù)合材料的耐磨性、強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粒子對SiCp/Fe復(fù)合材料性能影響的作用，

6、實驗結(jié)果表明:合理的設(shè)計混合尺寸強化粒子，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，實驗表明由標(biāo)稱粒度為13μm與23μm混合增強SiCp/Fe復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳。增強粒子標(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SiCp/Fe復(fù)合材料相比，采用最佳比例混合尺寸粒子增強，10vol％SiCp/Fe復(fù)合材料的抗拉強度提高了9.7％，與23μm單尺寸顆粒增強復(fù)合材料相比，其抗拉強度提高了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)變曲線與實驗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，增強粒子受力遠(yuǎn)大于基體受力，說明增強粒子的載荷分擔(dān)對于強化SiCp/Fe復(fù)合材料起著重要作用。建立了顆粒增強鐵基復(fù)合材料的有限元三維模型，增強粒子隨機分布在單胞模型中，模擬了增強粒子尺寸為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，增強粒子尺寸的大小對10vol％SiCp/Fe復(fù)合材料的屈服強度有明顯影響，存在一個臨界粒子尺寸，此時復(fù)合材料的屈服強度最高，模擬結(jié)果對實驗結(jié)果給出了一個另外的機理因素，說明強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SiCp/Fe復(fù)合材料，混合尺寸粒子有利于載荷從基體向強化粒子的傳遞，可以有效改善SiCp/Fe復(fù)合材料的屈服強度，模擬結(jié)果與本研究