（机械设计及理论专业论文）（tiv）cfe的原位合成及机械性能研究.pdf

四川大学博士学位论文 ( t i ，v ) c f e 的原位合成及机械性能研究 机械设计及理论专业 研究生：王静指导老师：王一三教授 磨损、腐蚀和断裂是材料失效的三种主要形式。其中由摩擦导致的磨损失 效是材料失效的主要原因，约有7 0 8 0 的设备损坏是由于各种形式的磨损而 引起的。英、美等国近年来对各自国家摩擦学情况调查结果表明：由于材料磨 损失效形式所造成的损失估计每年都在上千亿美元；改善润滑、降低磨损可能 带来的经济效益约占各国国民生产总值的2 9 6 以上。此外，现代工业的高速发展 迫切需要在高温、高速、耐磨损条件下的结构件，如发动机的凸轮轴、挺杆， 气门阀座、高速轧机的轧环、导向轮和轧辊等，现有的钢铁材料及其合金越来 越难以满足需要。因此，研制新的耐磨材料并对其摩擦磨损行为进行系统的研 究具有重要的经济价值和实用价值。 颗粒增强钢铁基复合材料因其特有的高比强度、高比模量、耐磨等优异的 综合性能成为近年来新材料开发的热点。对于颗粒增强钢铁基复合材料，多数 的工作都集中在t i c 颗粒增强钢铁基复合材料上j 目前制备t i c 颗粒增强钢铁 基复合材料的方法主要有：粉末冶金法和原位反应合成法，在原位反应合成法 中以铸造法和高温自蔓延合成法( s h s ) 居多，但它们都有各自的局限性。而采 用粉末冶金原位合成法不但可以解决铸造法因增强相体积分数增加及增强相与 铁基体的密度差异而导致的铸造缺陷以及s h s 的致密化问题，而且克服了粉末 冶金法存在的增强体与基体之间结合不良的问题。 四j l l 攀西地区有非常丰富的钒钛磁铁矿，t i 和v 属于同一周期的过渡金属， 原子序数仅相差i ，它们所形成的碳化物皆具有高熔点、高硬度和高的化学稳定 性，且v c 与f e 的相溶性好，因此v c 可作为钢铁基复合材料的理想增强体。但 国内外对v c f e 复合材料的研究相对较少。对( t i ，v ) c f e 复合材料的研究尚未 四川大学博士学位论文 见有报道。因此，在( t i ，v ) c 增强钢铁基复合材料方面开展研究工作，具有创新 性，不但对拓宽钢铁基复合材料的研究和应用具有重要的科学意义，而且对发 展四川经济有十分重要的意义。 本文采用粉末冶金原位合成法制备了( t i ，v ) c 颗粒增强钢铁基复合材料，借 助x 射线衍射( x r d ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 、差热分析( d s c ) 等测试手段，对 f e - t i - v - c 体系的反应动力学过程，对( t i ，v ) c f e 基复合材料的烧结致密化、 微观组织、力学性能及摩擦磨损行为进行了系统深入的研究。 利用热分析( d s c ) 和x 射线衍射( x r d ) 研究了f e t i - v - c 体系的反应动力 学过程。首先，在7 6 5 7 发生f e 的同素异构转变，即q - f e - - - y - f e ；以及钒 的碳化反应f e v + c v c + f e ；其次在1 0 5 8 5 c ，t i 与f e 共熔而形成低共熔体 f e 。t i ；在1 1 4 0 4 c ，c 与f e 2 t i 反应生成t i c ；最后，随着温度的继续升高，t i c 和v c 形成了( t i ，v ) c 固溶体。 ( t i ，v ) c f e 基复合材料的烧结致密化研究表明：对于v t i 原子比为0 、0 i 、 0 2 的复合材料，其最佳的烧结温度为1 4 2 0 ；对于v t i 原子比为0 4 、0 6 、 0 8 、i 0 的复合材料，其最佳的烧结温度为1 4 0 0 。在最佳烧结温度，复合材 料的相对密度都超过了9 8 9 6 。 利用扫描电子显微镜( s e m ) 和透射电子显微镜( t e m ) 研究了( t i ，v ) c f e 基复 合材料的微观组织。结果表明：原位生成的( t i ，v ) c 颗粒细小，在珠光体基体上 均匀分布，而且( t i ，v ) c 颗粒和珠光体界面结合良好。随着v t i 原子比的增加， 硬质相颗粒的形态由不规则状逐渐趋于球状；硬质相颗粒的尺寸先随着v t i 原 子比的增加而减小，当v t i 原子比大于0 2 ，随着v t i 原子比的增加，硬质相 颗粒尺寸增大。 利用电子万能试验机对( t i ，v ) c f e 基复合材料的抗弯强度进行了测量，实 验结果表明：( t i ，v ) c f e 基复合材料的抗弯强度随着v t i 原子比的增加而升 高，当v t i 原子比等于0 2 时，达到最大值，然后又有所下降。对于v t i 原 子比为0 、0 1 、0 2 的复合材料，碳化物的体积分数基本相同，当碳化物的体 积分数一定时，随着碳化物颗粒平均粒度的减小，抗弯强度增大与v t i 原子 比为0 的复合材料相比，v t i 原子比为0 i 、0 2 复合材料的硬质相( t i ，v ) c 颗 粒尺寸显著减小，因此其抗弯强度高于v t i 原子比为0 的复合材料。同时v t i 原子比等于0 2 的复合材料比v t i 原子比等于0 1 的复合材料抗弯强度高，这 四川大学博士学位论文 是由于随着钒含量的增加，前者的( r i ，v ) c 颗粒形态比后者更加趋于球形，而球 形的( t i ，v ) c 颗粒可以避免基体产生应力集中和塑性变形。对于v t i 原子比为 0 4 、0 6 、0 8 、1 0 的复合材料，随着钒含量的增加，一方面，( t i ，v ) c 体积 分数减少；另一方面，c t i ，v ) c 颗粒的平均粒度增加；因此抗弯强度逐渐下降。 运用m - 2 0 0 型摩擦磨损试验机对( t i ，￥) c f e 基复合材料干摩擦条件下进行 了磨料磨损实验，实验结果表明：( r i ，v ) c f e 基复合材料( 淬火+ 低温回火) 具 有良好的耐磨性能，明显优于高铬铸铁( 亚临界处理) 。磨损表面形貌分析表明： ( t i ，v ) c f e 基复合材料在磨料磨损工况下主要的磨损机理为微区破裂和显微犁 削，这两种机制共同作用导致材料与磨料相对运动过程中发生材料的流失。对 于该种复合材料，( t i ，v ) c 颗粒会降低磨料刺入马氏体基体的深度并阻止其进一 步的犁削作用，从而使复合材料的耐磨性得以提高。同时v r i 原子比对复合材 料的耐磨性能有很大的影响：当v t i 原子比为0 时，硬质相t i c 颗粒尺寸较大， t i c 颗粒的间距也较大，因此磨料在载荷的作用下能够顺利地刺入t i c 颗粒间软 的马氏体基体中，并犁削较长的距离，从而使磨损表面上留下较多宽而深的犁 沟。 与v t i 原子比为0 的复合材料相比，v t i 原子比为0 1 、0 2 的复合材料， 其硬质相( t i ，v ) c 颗粒尺寸显著减小，( t i ，v ) c 颗粒的间距也减小。磨料在载荷 的作用下难以剌入软的马氏体基体内，即使能刺入，其刺入深度及随之而引起 的塑性变形也较浅小。复合材料的磨损表面较为光滑，犁沟较短且浅而窄，耐 磨性较好。此外，v t i 原子比等于0 2 的复合材料具有更高的密度并且硬质相 ( t i ，v ) c 颗粒的形态更加趋于球形，它的耐磨性要优于v t i 原子比为0 1 的复 合材料。当v t i 原子比大于0 2 时，随着钒含量的增加，一方面硬质相( r i ，v ) c 颗粒尺寸增大；另一方面硬质相( t i ，v ) c 的体积分数减小。造成( t i ，v ) c 颗粒 的间距增大，从而使( r i ，v ) c 颗粒阻碍磨料犁削的作用有所减弱，磨料对马氏体 基体的犁削作用加剧，导致磨损程度加剧，表现为耐磨性能的下降。当v t i 原 子比等于0 2 时，( t i ，v ) c f e 基复合材料的耐磨性最佳。 关键词：粉末冶金；原位合成；( t i ，v ) c f e 基复合材料；微观结构；抗 弯性能；摩擦磨损；磨损机理 1 1 1 四川大学博士学位论文 s t u d y o nt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f ( t i ，v ) c f e p r o d u c e d b yi n s i t us y n t h e s i s m a j o r i nm e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y g r a d u a t es t u d e n t ：w a n gj i n g w e a r , c o r r o s i o na n df i a c t u r ea r ep r i m a r yf o r m so fm a t e r i a l sf a i l u r e t h em a i n r e a s o no fm a t e r i a l sf a i l u r ei sw e a rc a u s e df i - i c t i o n a b o u t7 0 一8 0 e q u i p m e n t d a m a g ei sr e s u l t e df r o mv a r i o u sw e a r i n v e s t i g a t i o nr e s u l t st h a td o n eb yb r i t a i na n d u s ai n d i c a t et h a tt h ee x p e n s eb r o u g h tm a t e r i a l 蠡f l u r ei se s t i m a t e da b o u to n e h u n d r e db i l l i o n $ i no n e y e a r ；, e c o n o m i cb e n e f i tb r o u g h tb yi m p r o v i n gl u b r i c a t i o na n d d e c r e a s i n gw e a ra c c o u n t sf o ro v e r2 o fg r o s sn a t i o n a lp r o d u c t i na d d i t i o n , w i t h h i g h - s p e e dd e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r y , i ti su r g e n tt h a ts o m ep a r t s ，( f o r e x a m p l e , c a m s h a f ta n dj i bo fe n g i n e , g u i d e dw h e e la n dr o l l e ro fr o l l i n gm i l le t a 1 ) s h o u l db eu s e du n d e rs o m ec o n d i t i o n ss u c ha sh i g h - t e m p e r a t u r e ，h i g h - s p d x ta n d w e a x = r e s i s t a n c e m e e t i n gt h e s en e e d si sb e c o m i n gd i f f i c u l tf o rp r e s e n ti r o na n di t s a l l o xt h e m e s , i ti sv e r yi m p o r t a n ti ne c o n o m ya n da p p l i c a t i o nt od e v e l o pn e w w e a r - r e s i s t a n c em a t e r i a l sa n ds y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a mt h e i rf i i c t i o na n dw e a l b e c a u s es t e e lm a t r i xc o m p o s i t e sh a v et h em e r i t ss u c ha s h i g h ( 印。c i 丘c s t r e n g t h ) c o m p 缸ei n t e n s i t y , c o m p a r em o d u l u s ，w e a r - r e s i s t a n c e ，n e wm a t e r i a l sf o c u s o np a r t i c u l a t e sr e i n f o r c e di r o nm a t r i xc o m p o s i t e s a sf 缸a sp a r t i c u l a t e sr e i n f o r c e d i r o nm a t r i xc o m p o s i t e sa r ec o n c e r n e d , m o s to ft h ew o r ko ni r o n - b a s e dc o m p o s i t e s h a si n v o l v e dt i cr e i n f o r c e m e n t , w h i c hi si n t r o d u c e di nt h ei r o nm a t r i xt h r o u g ha p o w d e rm e t a l l u r g y ( p m ) r o u t ea n di n - s i t us y n t h e s i sr o u t e a m o n gt h ei n - s i t u s y n t h e s i st e c h n i q u e s ，s e l f - p r o p a g a t i o nh i g h - t e m p e r a t u r es y n t h e s i s ( s h s ) a n dc a s t i n g t e c h n o l o g i e sa r ew i d e l yu s e dt op r o d u c ef c - t i cc o m p o s i t e s i fc o m b i n i n gi ns i t u i v 四川大学博士学位论文 w i t hp o w d e rm e t a l l u r g yt e c h n i q u et op r o d u c ep a r t i c u l a t e sr e i n f o r c e di r o nm a t r i x c o m p o s i t e s ，t h ep r o b l e m so fc a s td e f e c t sl y i n gi nc a s t i n ga n dd e n s i f i c a t i o ni ns h s w i l lb es o l v e d , a n dt h ed i f f i c u l t yo ft h ew e a ki n t e r f a c eb o n db e t w e e nt h em a t r i xa n d t h er e i n f o r c e m e n ti np o w d e rm e t a l l u r g yw i l lb eo v e r c o m e p a n z h i h u a - x i c h a n ga r e ai ns i c h u a ni sa b u n d a n ti nv a n a d i ct i t i a n o m a g n e t i t e d e p o s i t b e c a u s ev a n a d i u ma n dt i t a n i u ma r et r a n s i t i o nm e t a l sa n dt h ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h e i ra t o m i cn u m b e r si so n l y1 t i t a n i u mc a r b i d ef f i oa n dv a n a d i u m c a r b i d e ( v c ) a l er e f r a c t o r y , h i g hh a r d n e s sa n dt h e r m o d y n a m i c a l l ys t a b l em e t a l c a r b i d e s m o r e o v e r , t h ew e t t a b i l i t yb e t w e e nv ca n df ei s9 0 0 d ，s ov ci sa l s oa p e r f 鳅r e i n f o r c e m e n ti ni r o nm a t r i xc o m p o s i t e s h o w e v e r , t h e r eh a v eb e e nf e w s t u d i e so nv cp a r t i c u l a t er e i n f o r c e di r o nm a t r i xc o m p o s i t e s ，e v e nn os t u d yh a se v e l t r i e dt of a b r i c a t e ( t i , v ) cp a r t i c u l a t er e i n f o r c e di r o n - b a s e dc o m p o s i t e s t h e r e f o r e t h er e s e a r c ho ff f i ，cp a r t i c u l a t er e i n f o r c e di r o n - b a s e dc o m p o s i t e sh a si t so w l l n o v e l t i e sa n di m p o r t a n ts c i e n t i f i cv a l u e i nt h i sp a p e r , an o v e lp r o c e s sw h i c hc o m b i n e si ns i t uw i t hp o w d e rm e t a l l u r g y t e c h n i q u e ，w a su s e d t o p r o d u c e ( t i , v ) cp a r t i c u l a t e s r e i n f o r c e di r o nm a t r i x c o m p o s i t e s 1 1 地k i n e t i c s o ff e - t i - v - c s y s t e m ，s i n t e r i n g d e n s i f i c a t i o n ， m i e r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ff r i , v ) cp a r t i c u l a t e sr e i n f o r c e di r o n m a t r i xc o m p o s i t e sw e r el u c u b r a t e ds y s t e m a t i c a l l yb ym e a l 强o fv a r i o u sa n a l y t i c a l t e c h n i q u e ss u c ha ss e m , x r d ，d t a t h er e a c t i o nk i n e t i c so ff e - t i - 、，- cs y s t e mw a ss t u d i e db yd t aa n dx r d r e s u l t ss h o w e st h a t f i r s t ，a l l o t r o p i cc h a n g ef e 口 f e ra n df e v + c + v c + f ea 土 7 6 5 6 ：s e c o n d , f o r m a t i o no ft h ec o m p o u n df e 2 t ia t1 0 5 8 5 b e c a u s eo ft h e e u t e c t i cr e a c t i o nb e t w e e nt ia n df e ；t h u d , r e a c t i o nb e t w e e nc a r b o na n dm e l t e df e a t i c a u s i n gf o r m a t i o no ft i ca t 11 4 0 4 ；f i n a l l y , f r i ，cf o r m a t i o na si n c r e a s i n g t e m p e r a t u r e t h ei n v e s t i g a t i o nf o rs i n t e r i n gd e n s i f i c a t i o no f ( t i ，em a t r i xc o m p o s i t e s i n d i c a t e st h eb e s ts i n t e r i n gt e m p e r a t u r ew a s1 4 2 0 。cf o rc o m p o s i t e sw h o s ev 仍 a t o m i cr a t i ow a sf r o m0t o0 2w h i l ei tw a s1 4 0 0 w h e nv 门r ia t o m i cr a t i ov a r i e d f r o m0 4t o 1 0 a to p t i m a ls i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，ad e n s i f i c a t i o na b o v e9 8 w a s v 四川大学博士学位论文 o b t a i n e di na l lc o m p o s i t i o n s t h em i c r o s t r u c t u r eo f ( t i ，c f em a t r i xc o m p o s i t e sw a sa n a l y z e dw i t ht h eh e l p o f x r d ，s e m ，t e m r e s u l t ss h o w e d ( t i , v ) cr e i n f o r c e m e n tw a ss y n t h e s i z e di n - s i r e , a n df i n e ( t i , v ) cp a r t i c l e sg e n e r a t e di ns i t uw e e eu n i f o r m l yd i s p e r s e di nt h ep e a r l i t e m a t r i x a d d i t i o n a l l y , w i t ht h ei n c r e a s i n go fv 伍a t o m i cr a t i o 0 1 1o n eh a n d , m o r p h o l o g yo f ( t i ，v ) cp a n i c l e st r a n s f o r m e df r o mi r r e g u l a rt o 咄e r i c a l ；o nt h eo t h e r h a n d ，f f i ，v ) cp a r t i c l e se v i d e n t l ym i n i s h i n ga tf i r s ta n dt h e ng r o w t hw e r eo b s e r v e d t h er e s e a r c ho nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ff n ，c 肫m a t r i xc o m p o s i t e s i n d i c a t e dt h eb e n d i n gs t r e n g t ho ft h e ( n , v ) c f em a r l i xc o m p o s i t e si n c r e a s e da t f i r s ta n dt h e nd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo f a t o m i cr a t i o r e a c h i n g m a x i m u ma tv 伍a t o m i cr a t i ob e i n g0 2 a sf o rc o m p o s i t e s ( v 伍a t o m i cr a t i ob e i n g 0 、0 1 、0 2 ) c o n t a i n i n ga p p r o x i m a t e l yt h es a m ev o l u m ef r a c t i o n ，t h eb e n d i n g s t r e n g t hr a i s e dw i t ht h ea v e r a g eg r a i ns i z eo fc a r b i d ed e c r e a s i n g c o m p a r e dt ot h e s o m p l e ( v ：na t o m i cr a t i ob e i n g0 ) ，t h e 鼬s i z e so ff n , v ) cr e i n f o r c e m e n to ft h e c o m p o s i t e s ( v f r ia t o m i cr a t i ob e i n g0 1 a n d0 2 、g o ts m a l l e ra p p a r e n t l ya n dt h e b e n d i n gs t r e n g t hb e c a m eh i g h 既a tt h es a m et i m e ，b e n d i n gs t r e n g t ho ft h e s a m p l e ( v ma t o m i cr a t i ob e i n g0 2 、w a sn o to n l yh i g h e rt h a nt h es a m p l e ( v m a t o m i cr a t i ob e i n g0 ) , b u ta l s oh i g h e rt h a nt h eo n ew h o s e a t o m i cr a t i ow a s 0 1 b e c a u s eo ft h ea d d i t i o no fv a n a d i u mi n c r e a s i n g , m o r p h o l o g yo ff f i , v ) c p a r t i c l e sg o tr o u n d e ra n dt h es p h e r i c a l ( t i , v ) cr e i n f o r c g m e n tu n i f o r m l yd i s p e r s i n gi n f em a t r i xc a na v o i ds t r e s sc o n c e n t r a t i o n0 1 p l a s t i cd e f o r m a t i o n a sf o rc o m p o s i t e s ( v t i a t o m i c r a t i o b e i n g0 4 、0 6 、0 8 、1 o ) , w i t h t h e i n c r e a s eo f a t o m i c r a t i o o no n eh a n d ，t h ev o l u m ef r a c t i o no fc n ，v ) cd e c r e a s e d , o nt h eo t h e rh a n d , t h e a v e r a g eg r a i ns i z e so f f r i , v ) ci n c r e a s e d t h a ti st h er e a s o nw h yb e n d i n gs t r e n g t hg o t d o w ng r a d u a l l y t h er e l a t i v ew e a r - r e s i s t a n c eo ft h ef f i , v ) c n 7 em a t r i xc o m p o s i t e ss u b j e c t e dt o q u e n c h i n ga n dl o w - t e m p e r a t u r et e m p e rt r e a t m e n tw a sf r o mi s 1 4t i m 鼯t o3 2 9 t i m e st h a nh i g hc h r o m i u mw h i t ei r o ns u b j e c t e dt os u b c r i t i c a lt r e a t m e n t t h r o u g h a n a l y z i n gt h eb “l r f a g et o p o g r a p h y , i tw a sk n o w nt h a tt h ed o m i n a n tw e a rm e c h a n i s m o ft h e c n ，v ) c f e m a t r i xc o m p o s i t e su n d e ra b r a s i v ew e a rc o n d i t i o nw a s 四川大学博士学位论文 m i c r o c r a c k i n ga n dm i c r o p l o n g h i n g l o s so ft h ec o m p o s i t eh a p p e n e di nt h ep r o c e s s o fr e l a t i v em o t i o nb e t w e e nt h ec o m p o s i t ea n dt h ea b r a s e r a sf o rt h i sk i n do f m a t e r i a l ，w e a r - r e s i s t u n c ew a si m p m v e dt h r o u g hs t o p p i n gt h ea b r a s e rp u n c t u r i n g i n t ot h em a r t e n s i t ea n df u r t h e rp l o u g h i n g a tt h em e a n t i m e a t o m i cr a t i o r e p r e s e n t e dg r e a ti n f l u e n c eo nt h ew e a r - r e s i s t a n c e w h e ni tw a sz e r o ，t h eg r a ms i z e o ft i cw a sr e l a t i v e l yb i g g e ra n dt h ep a r t i c l e ss p a c i n gi n t e r v a lw a sl o n g e r , s ot h a t w a se a s yf o rt h ea b r a s e rt op u n c t u r ei n t om a r t e n s i t em a t r i xa n dp l o u g hf o ral o n g d i s t a n c e ，l e a v i n gm a n yw i d ea n dd c c pg r o o v e so nw e a rs u r f a c e c o m p a r e dt ot h ec o m p o s i t e s ( v r na t o m i cr a t i ob e i n go ) ，t h eg r i ns i z e so f f n , v ) cr c 4 n f o r c e m e n to ft h ec o m p o s i t e s ( v h la t o m i cr a t i ob e i n g0 1 a n d0 2 、g o t s m a l l e ra p p a r e n t l ya n dt h ep a r t i c l e ss p a c i n gi n t e r v a lb e c a m es h o r t e r h e n c e ，i tw a s h a r df o rt h ea b r a s e rt op u n c t u r ei n t om a r t c n s i t em a t r i x t h ew e a rs u r f a c ea p p e a r e d s m o o t ha n dt h ep l o u g h i n gg r o o v e sw e r en a l t o wa n ds h a l l o w t h ew e a r - r e s i s t a n c e r e p r e s e n t e dw e l l w i t ht h ea d d i t i o no fv a n a d i u mi n c r e a s i n g o no n eh a n d ，t h e v o l u m ef r a c t i o no fc r i ，cd e c r e a s e d , o nt h eo t h e rh a n d ，t h ea v e r a g eg r a i ns i z e so f ( t i ，v ) ci n c m a s e d ，b o t ho ft h e mc a u s e dt h ep a r t i c l e ss p a c i n gi n t e r v a lb e i n gl o n g e r s ot h ee f f e c to fs t o p p i n ga b r a s e r 矗o mp l o u g l l i n gb y ，v ) cr e h 娟o r c e m e n tw a s w e a k e n , a b r a s i v ew 馏a g g r a v a t e da n dw e a r - r e s i s t a n c eg o tf a l l i n gd o w ng r a d u a l l y i ns h o r t w e a r - r e s i s t a n c eo ft h ec o m p o s i t e sa c h i e v e dt h eb e s ta tv ma t o m i cr a t i o b e i n 9 0 2 ， k e y w o r d s ：p o w d e rm e t a l l u r g y ；i n - s i t u ；，v ) c f em a t r i xc o m p o s i t e ； m i c r o s t m c t u r e ；b e n d i n gs t r e n g t h ；f r i c t i o na n dw e a r ；w e a rm e c h a n i s m ， v 四川大学博士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果 归四川大学所有，特此声明。 学位申请人；五静 日期：讹了岁萝 导师：互一三 日期：o 叼7 ，罗 四川大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 磨损、腐蚀和断裂是材料失效的三种主要形式。其中由摩擦导致的磨损失 效是材料失效的主要原因，约有7 0 札8 0 9 6 的设备损坏是由于各种形式的磨损而 引起的“司。英、美等国近年来对各自国家摩擦学情况调查结果表明：由于材料 磨损失效形式所造成的损失估计每年都在上千亿美元；改善润滑、降低磨损可 能带来的经济效益约占各国国民生产总值的2 以上“1 。因此，研究耐磨材料并 对其摩擦磨损性能及机理进行研究具有重要的经济价值和实用价值。此外，随 着机器制造业的飞速发展，对耐磨材料提出了更高的要求，除了要求有优异的 力学性能外，常需要具有某些特殊性能，特别是在航天、航空、汽车以及先进 的武器系统高科技领域。如汽车领域需要高强度、耐高温、综合性能优良的结 构材料，显然单一的金属、陶瓷、高分子等工程材料已经不能满足这些要求。 为了弥补单一材料的局限性，人们越来越多的根据工况条件、性能要求和零件 结构，选择两种或两种以上化学、物理性能不同的材料，按照一定的工艺结合 成复合材料，以充分发挥组成材料的优良特点，取长补短，代替单一材料，满 足特定条件下的需要”。 自2 0 世纪6 0 年代以来，金属基复合材料( m m c s ) 因其特有的高比强度、 高比模量、低热膨胀、耐热、耐磨、导电、导热等优异的综合性能，引起了国 内外材料科学工作者的普遍关注，现己发展成为先进复合材料的一个重要分支。 虽然耳前金属基复合材料的发展不如高聚物基复合材料那样成熟，但由于其比 高聚物基复合材料耐高温性有所提高，并且具有防燃、不吸湿、高导电与导热， 使用时不释放气体等特点，因此仍具有很大的发展前景。 1 2 金属基复合材料的研究现状 金属基复合材料的制备方法很多，主要分为外加增强体法阳1 ，粉末冶金法 ( p m ) 1 0 - l f f 原位反应合成法1 。1 刀。其中原位反应合成技术主要包含原位共晶 生长法n 帕、放热弥散法( ) ( d ) “蚓、气液反应合成法( v l s ) 阻蚓、自蔓延燃烧反应 四川大学博士学位论文 法( s i t s ) m 删、直接氧化法( d i m o x ) 删、无压力浸润法( p r i m e x ) “”、反应喷射 沉积法( r s d ) 洲、接触反应法( c r ) 。、机械合金化法( m a ) o “删、混合盐法咖1 ， 真空热压反应法眦1 等。目前，国内外对金属基复合材料的开发与研究的重心主 要集中在轻金属基复合材料上，尤其是镁基、铝基和钛基复合材料。然而，由 于铁、铜、铅等材料熔点高、比重大、比强度小、制造工艺困难等原因，对铁、 铜、铅等重金属基复合材料的研究相对较少。 1 2 1 铝基、镁基、钛基复合材料 铝基复合材料是当前金属基复合材料中开发研究最为成熟的一种复合材 料，国内外已开发出多种制备铝基复合材料的工艺方法，采用反应铸造法、s h s 技术、机械合金化和粉末冶金法嘲、喷射沉积工艺侧、挤压铸造法和真空压力 浸渍等多种方法可制备得到颗粒增强铝基复合材料。目前己大规模采用挤压铸 造法制备陶瓷纤维增强铝基复合材料。 由于铝基复合材料具有耐磨性好、强度高、导热系数较高等优点，再加之 对其研究开发起步较早，目前在航天、航空、汽车工业等行业得到了较为广泛 的应用。硼纤维铝基复合材料已用于制造航天飞机中部的货航桁架；美国已用 真空压力浸渍法进行s i c p a 1 封装器件的小批量生产，而国内也开始用无压浸渍 法进行此类封装材料的试验；日本投入了大量的人力物力研制铝基复合材料的 活塞、连杆、销钉以及其它一些零部件，且已有小批量生产，但迄今仍因成本 较高而未能大幅度发展；德国已用s i c 颗粒增强铝基复合材料作为高速列车的 刹车部件，使用效果很好，且明显降低了车厢的重量；我国也正在将此种复合 材料应用于摩托车车箍上，取得了缩短刹车距离和减轻重量的效果。 由于镁合金具有良好的物理性能、密度低、比刚度和比强度高，作为复合 材料的基体得到了广泛应用。与普通镁合金相比，s i c 颗粒增强镁基复合材料的 密度低至2 0 - 2 1 9 c m 3 ，而机械性能提高3 0 - 4 0 。我国是镁储量很大的国家， 因而对镁基复合材料的开发研究具有很重要的意义。为此，我国把“镁合金开 发应用及产业化”项目列入国家“十五”重大攻关项目。 目前已开发出多种制备镁基复合材料的方法，诸如采用搅拌混合法、挤压 铸造法以及粉末冶金法可制备得到颗粒增强镁基复合材料嗍；采用热压、挤压 或锻压固结的粉末冶金法嘲、压力浸渍法瞪力可制备