原位生成铁基表面NbC复合材料的组织及纳米压痕和划痕试验研究

摘要

本文采用铸造—热处理的原位反应法制备出了铁基表面NbC复合材料，分析了材料 的物相组成和微观组织，结合热力学及扩散理论，讨论了复合材料的形成过程和机理；采 用纳米压痕技术测试了复合材料的硬度及弹性模量，分析了纳米压痕过程中材料的弹塑性 变形行为；秉用显微压痕法测量了NbC致密陶瓷层的断裂韧性，并研究了NbC致密陶瓷 层的裂纹扩展行为及增韧机制；采用显微划痕和纳米刻划测试，研究了复合材料表面NbC 致密陶瓷层在不同形状磨粒下的变形及磨损机制。 研究结果表明： (l)以铌板和灰铸铁为原料，在1400℃下浇铸复合，并在1178℃下保温热处理反 应，可制各出铁基表面NbC复合材料，复合材料沿材料表面向铁基体NbC陶瓷呈梯度减 少分布，且NbC粒径逐渐增大，依据其特征组织形貌可将材料的复合区分为NbC致密陶 瓷层，梯度分布层，颗粒分散层。NbC致密陶瓷层表面呈许多同心圆状分布，而且紧密 排列，截面与之对应呈现出波浪形的层状组织。NbC的生成是通过碳原子向铌晶格间隙 扩散来完成的，属于间隙扩散机制，晶粒在向铁基体扩散迁移的过程中逐渐长大，其长大 机制兼有奥斯瓦尔德熟化机制和晶粒取向连接生长机制。1178℃下原位渗碳反应生成 NbC层的厚度d和反应时间t存在如下关系：d2=kt+d2n，其中k=1.06×10-7 Cm2/S，d0为 初始厚度。 (2)NbC致密层的硬度达到了20.8 GPa，弹性模量达到了505.3 GPa，复合材料截 面硬度和弹性模量呈现出由致密陶瓷层向基体逐渐减小的趋势。NbC致密陶瓷层具有较 高的断裂韧性，表面Ke值为8.0～14.6 MPa.m 1/2，截面Kc值为4.5-9.7 MPa·ml/2，远高于 一般的陶瓷材料，且表面断裂韧性高于截面。NbC致密陶瓷层的强韧化机制为细晶强化 和微裂纹增韧。 (3)划痕试验结果显示：NbC致密陶瓷层表面在较大的球形磨粒挤压摩擦下，随着 载荷的增加材料经历了塑性变形一微裂纹萌生一裂纹扩展一颗粒剥落等，截面磨损破坏机 制为挤压—撕裂式磨损；复合材料在相同载荷下随着增强颗粒体积分数的减少，磨损形式由颗粒剥落转变为塑性流变和犁削；NbC致密陶瓷层在尖锐的磨粒磨损时，在低载荷时材料的磨损机制为擦伤式磨损，高载荷时为凿削式磨损和颗粒的剥落。

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张伟强硕士论文封面.pdf

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