碳化物共晶体/锰白铜抗磨料磨损复合材料

摘要

抗磨料磨损颗粒强化金属基复合材料的研发是近年来复合材料发展的一个主要方向。随着现代工业社会的不断进步、发展，人民对抗磨料磨损材料的要求也越来越高。传统的抗磨料磨损材料(像白口铸铁、高锰钢、高铬铸铁、陶瓷颗粒/轻金属基复合材料等)已不能满足人们因为越来越苛刻的服役条件所提出的要求。而新的抗磨料磨损颗粒强化金属基复合材料的设计是建立在新的颗粒强化相、新的基体材料合理选择基础上的。 本学位论文以共晶碳化钨和共晶碳化铬为颗粒强化相材料，以铸造锰白铜为基体材料，在对这些材料的冶金学基础和力学性能的周密分析基础上，用真空热压法制备了颗粒分布均匀的、致密的、体积分数为0～45％的共晶碳化钨(铬)/锰白铜复合材料，并通过二体磨料磨损实验，比较了新的复合材料与传统的高铬铸铁(28Cr)在磨损性能上的差别，并得出如下几点主要结论： 一、铸造碳化钨和铸造碳化铬作为颗粒增强金属基复合材料的硬质强化相既有较高的硬度(显微硬度20000～30000MPa)，又有合理的强韧性(KIc：4～5MPa·m0.5)，是理想的复合材料的颗粒强化相。 二、用陶瓷压痕断裂力学理论，建立了强化相压痕裂纹尺寸与其断裂韧性的关系，并计算出碳化物共晶体的断裂韧性。解决了本文复合材料磨料磨损模型中重要参数的获取问题。 三、锰白铜合金除了用淬火时效和形变时效两种常见的强化方法外，还可以经过铸态直接时效的方法进行强化(400℃～470℃，HV400以上)，而且合金成分范围宽(Mn：20％～35％)，在所研究的时间范围内没有过时效现象(96小时)。这就进一步扩大了锰白铜的应用领域，使之可以作为抗磨料磨损复合材料的基体材料。 四、锰白铜合金的铸态时效机理是：较长时间过程的溶质原子有序化加上晶内MnNi相的析出(铸态下时效具有较长的孕育期，在孕育期主要进行溶质原子的有序化，在后期以MnNi的晶内析出为主，MnNi相的析出是合金时效强化的主要原因)。 五、提出了一个新的、更精确的复合材料磨损率的预测模型。本模型除了考虑材料的硬度的因素外，还将断裂韧性KIC，弹性模量E，强化相与基材的结合强度等因素导入模型中，使新模型更加准确地再现了磨料磨损过程。 六、当磨粒压入深度x＞＞DM时，硬质强化相的磨损主要以整体脱落形式为主，当x＜＜DM时，强化相的磨损以局部断裂为主。 七、模型预测的磨损数据与试验数据基本吻合。复合材料中强化相的体积效应与尺寸效应在复合材料二体磨料磨损试验中表现明显，为复合材料设计中强化相数量和颗粒粒度的选择奠定了理论基础。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1磨料磨损机理

1.2常用的抗磨料磨损材料

1.3颗粒增强金属基复合材料磨损性能研究概况

1.4本文的研究内容

第二章碳化物共晶体

2.1碳化物共晶体—铸造碳化钨及铸造碳化铬

2.2铸造碳化钨、铸造碳化铬断裂韧性的测定

2.3小结

第三章铸造锰白铜合金

3.1锰白铜合金的制备

3.2锰白铜的制备及力学性能

3.3锰白铜合金的时效

3.4小结

第四章碳化物共晶体颗粒增强锰白铜基复合材料

4.1铸造碳化钨、碳化铬—锰白铜的界面特性

4.2铸造碳化钨、碳化铬—锰白铜基复合材料的制备

4.3铸造碳化钨、铸造碳化铬—锰白铜基复合材料的力学性能

4.4铸造碳化钨、碳化铬—锰白铜基复合材料与传统抗磨料磨损材料力学性能的比较

4.5小结

第五章颗粒增强复合材料磨料磨损模型

5.1已有的模型及其不足

5.2新模型的建立

5.3小结

第六章碳化物共晶体颗粒增强锰白铜基复合材料的二体磨料磨损特性

6.1磨料磨损实验

6.2复合材料的设计参数对其抗磨料磨损性能的影响

6.3小结

第七章碳化物共晶体颗粒增强锰白铜基复合材料的磨料磨损机制

7.1基体不同的热处理状态对磨料磨损过程的影响

7.2载荷与磨料粒度对复合材料耐磨性的影响

7.3二体磨料磨损过程中硬质强化相的“体积效应”

7.4铸造碳化钨(铬)锰白铜复合材料磨料磨损过程中硬质强化相的“尺寸效应”

7.5小结

第八章结论

实验数据

参考文献

附录攻读博士学位期间发表的学术论文和科研工作

致谢