论文部分内容阅读
传统陶瓷颗粒增强金属基复合材料（MMCs）是陶瓷颗粒弥散分布在基体当中,能有效的提高MMCs的三体磨料磨损性能,但是由于本身材料的韧性太低,所以在冲击工况下的磨料磨损性能较差。本文采用挤压铸造的方法制备出三维互穿网络氧化锆增韧氧化铝（ZTA）陶瓷（p）颗粒增强40Cr钢基复合材料（空间结构复合材料）,该复合材料由均匀分布ZTAp增强40Cr钢复合材料和40Cr钢两种材料三维网络互穿构成,系统研究了复合材料区（复合区）体积分数、钢基体组织性能及ZTA颗粒/钢界面等因素对空间结构复合材料冲击磨料磨损性能的影响规律,探究了空间结构复合材料的磨损机理。对比研究了复合区体积分数分别为35%、50%、65%的空间结构复合材料、以及40Cr钢、均匀分布ZTAp增强40Cr钢复合材料（均匀分布复合材料）的冲击磨料磨损性能。冲击功为1.5J,磨料为10-20目石英砂。磨损研究表明,随着复合区体积分数的升高,空间结构复合材料磨损率呈现先增加后减小再增加的变化趋势,其中50%体积分数复合材料的冲击磨料磨损率最低,比40Cr纯基体磨损性能提高了21.1%,比ZTAp均匀分布复合材料的磨损性能提高了78.5%。对复合区体积分数为50%的空间结构复合材料进行不同热处理,改变了40Cr钢的组织和硬度,探究了其对复合材料冲击磨料磨损性能的影响。热处理后,分别获得了马氏体基体（522.7HBW）、屈氏体（397.5HBW）、珠光体+铁素体组织（230.3HBW）。随着40Cr钢基体硬度的升高,复合材料磨损率降低。马氏体基体复合材料耐磨性比屈氏体复合材料提高32.8%,比铁素体+珠光体复合材料提高163.6%。据此规律,本文进一步研究了双基体空间结构复合材料的耐磨性,其中,复合区中钢基体变为高碳低铬合金钢,基体区仍为40Cr钢。结果表明,在相同热处理状态下,双基体复合材料的耐磨性比基体区和复合区都为40Cr的空间结构复合材料磨损性能提高了21.6%。因此,钢基体硬度高有利于提高空间结构复合材料耐磨性,而且双基体复合材料耐磨性比单基体高。磨损机理分析表明,在不同复合区体积分数的空间结构复合材料中,随着基体区体积分数升高,复合材料压缩强度和塑性都升高,且基体对冲击能的吸收也大,因此耐磨性有提高趋势;但是,ZTA颗粒抵抗磨料冲击,保护基体的作用有所减弱,因此,复合区体积分数有一个最优值;基体硬度越高,冲击磨料磨损时基体对ZTA颗粒的支撑作用就越强,进而ZTA颗粒对基体的保护作用就增强,抵抗冲击磨料磨损的能力就增加,复合材料的冲击磨料磨料性能越好。对三维互穿空间结构复合材料的冲击磨损（无磨料）性能进行探究,当复合区体积分数为35%、50%和65%时,磨损率分别为4.7x10-3cm3/h、3.4x10-3cm3/h、1.0x10-3cm3/h,随着复合区体积分数的增加,磨损率减小,冲击磨损的失效的主要机制为疲劳磨损。对于不同热处理下的冲击磨损性能,与硬度所对应,基体硬度越高,耐磨性越好。本文的研究结果为耐磨MMCs的结构优化设计和耐磨性的提高提供了理论依据,促进耐磨金属基复合材料的应用向强冲击磨损领域拓展。