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传统陶瓷颗粒增强金属基复合材料(MMCs)将颗粒均匀分散于金属基体中,可以一定程度上提高材料的强度和耐磨性,但不能最大限度的发挥各组分的协同作用。将MMCs分为在空间均匀分布的增强颗粒富集区(复合区)和纯基体连续区,进行空间结构韧化,是提高复合材料磨损性能的新途径。本文通过挤压铸造方法制备空间结构氧化锆增韧氧化铝(Zirconia-toughened alumina简称ZTA)陶瓷颗粒增强40Cr钢基复合材料,并研究复合区空间结构体积分数35%、50%、65%;基体材料组织为回火马氏体(627.3HV)、回火屈氏体(326.5HV)、珠光体+铁素体(235.7HV);陶瓷与基体界面结合性能(加入活化元素Ti的量为0%、10%、20%)等因素对空间结构韧化ZTA/钢基复合材料三体磨料磨损性能的影响。采用SEM、EDS、XRD等检测方法对空间结构韧化ZTA陶瓷/钢基复合材料中组成相的结构特征、元素分布情况、磨损表面和亚表层形貌和组织特征等进行深入表征,并通过建立磨损模型对复合材料的磨损机理进行了分析和讨论。主要研究内容和结论如下:研究了复合材料复合区体积分数对其三体磨料磨损性能的影响。在空间结构复合材料中,复合区体积分数为50%的复合材料的三体磨料磨损性能与体积分数35%、65%的复合材料相比,分别提高了5.2%、24.4%;而具有空间结构韧化的ZTA陶瓷/钢基复合材料的耐磨性能与传统陶瓷颗粒增强钢基复合材料相比提高了34.4%。建立了复合材料磨损数学模型。经磨损模型验证,在空间结构复合材料中,柱状复合区直径为4.0-4.5mm,即体积分数为50%的复合材料具有最佳的三体磨料磨损性能。研究了复合材料不同基体组织对其三体磨料磨损性能的影响。基体组织为回火马氏体的空间结构复合材料与回火屈氏体、铁素体+珠光体组织相比,复合材料的三体磨料磨损性能分别提高了2.1%、18.2%。这是因为回火马氏体的硬度较高,降低了复合材料基体在磨损过程中的损失。退火后的铁素体+珠光体组织硬度较低,基体磨损较为严重。研究了界面活化元素对复合材料三体磨料磨损性能的影响。添加界面活化元素Ti的复合材料与无活化元素的复合材料相比,三体磨料磨损性能提高了12.8%。但Ti含量20%复合材料与Ti含量10%复合材料相比,三体磨料磨损性能降低了10.7%。这是因Ti在提高陶瓷与基体界面结合强度的同时,也会促进基体中铁素体的形成,造成基体硬度下降,降低复合材料的磨损性能。因此Ti添加量要有一定限制。