硼化钛颗粒增强铁基复合材料的力学性能及干摩擦磨损行为研究

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1、西南交通大学硕士研究生学位论文国内图书分类号：TB333密级：公开国际图书分类号：669西南交通大学研究生学位论文硼化钛颗粒增强铁基复合材料的力学性能及干摩擦磨损行为研究年级：2015级姓名：郭远博申请学位级别：工学硕士专业：材料工程指导教师：黄兴民副教授二零一八年五月西南交通大学硕士研究生学位论文ClassifiedIndex:TB31U.D.C:SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisStudyonMechanicalPropertiesandDryFrictionwea

2、rbehaviorofTiB2particleReinforcedironmatrixcompositeGrade:2015Candidate:YuanboGuoAcademicDegreeAppliedfor:MasterDegreeSpecialty:MaterialsEngineeringSupervisor:AssociateProf.XingminHuangMay,2018西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要在节能减排和轻量化的背景下，轻质高强材料的开发势在必行。由于成本相对低廉、力学性能优良、应用前景广泛，铁

3、基复合材料的研制备受关注，逐渐成为材料研究领域热点之一。已有研究表明，将低密度和高硬度的TiB2陶瓷颗粒与铁基材料进行合成，可以制备出兼顾刚度、强度、塑性和耐磨性的新型Fe-TiB2复合材料。本课题旨在通过原位合成法制备不同TiB2颗粒含量（15%、20%、25%，体积分数）的Fe-TiB2复合材料，通过实验表征和数值模拟等手段研究TiB2颗粒含量对复合材料力学性能及干摩擦磨损性能的影响。主要研究内容及结果如下：（1）复合材料由两相组织构成，分别为α-Fe基体和TiB2增强颗粒，多数TiB22颗粒截面为3-4µm的四边形，少

4、数为六边形。随着TiB2含量增多，复合材料的密度和硬度分别呈下降和上升趋势；当颗粒含量从15%增加到25%时，密度从337.47g/cm降低到7.12g/cm，显微硬度从244.3HV0.1提升至到368.3HV0.1。（2）随着TiB2颗粒含量的增多，复合材料的屈服强度和抗拉强度逐步提高，但塑性却显著下降。三种复合材料的抗拉强度分别为531MPa、632MPa和659MPa，对应的伸长率为22.0%、15.4%和7.9%。颗粒增多使得Fe-TiB2复合材料的断裂机理从韧性断裂转变为脆性断裂。（3）纳米压痕实验结果表明，随着

5、复合材料中颗粒含量的增多，基体的弹性模量逐渐升高，基体抵抗形变的能力提高；同时，复合材料整体的弹性模量和硬度也不断提高，弹性模量分别为215.5GPa、222.5GPa和247.0GPa，硬度为6.43GPa、9.56GPa和14.51GPa。（4）通过Python编程建立了Fe-TiB2复合材料多颗粒随机分布细观模型，对其单轴拉伸下的力学行为进行仿真模拟，结果表明：弹性段模拟值与实测值吻合度较高，塑性段模拟值要高于实测值；颗粒发生明显的应力集中，并且在加载方向两侧的界面位置应力值较高，该位置的基体应变量较大，整体应变分布出

6、现了45°的塑性剪切带。（5）利用轴对称单胞模型进行了压力载荷下复合材料力学行为模拟，结果表明：颗粒占比越高，对整体刚度提升的贡献越大，在受到压力载荷时抵抗形变产生的能力越强；颗粒承担主要载荷，从受压位置到颗粒直至基体位置的应力值逐渐降低，在界面位置发生明显下降。西南交通大学硕士研究生学位论文第II页（6）不同载荷及转速条件下的干摩擦磨损实验结果表明：随着复合材料中颗粒含量的增加，体积磨损量的增幅逐渐减小，相同条件下Fe-25%TiB2复合材料的耐磨性能优于传统24CrNiMo耐磨铸钢。（7）从Fe-TiB2复合材料的磨损表

7、面形貌来看，磨损过程分为轻度磨损阶段、过渡阶段和严重磨损阶段。轻度磨损阶段主要发生显微切削，磨损机制为磨粒磨损；过渡阶段出现元素迁移，并在试样表面形成了机械混合层，磨损机制为磨粒磨损和剥层磨损；严重磨损阶段试样表面塑性变形加剧，表面出现裂纹而失效脱落，在过渡段形成的机械混合层失效剥落导致磨损严重，磨损机制包括剥层磨损和粘着磨损。此外，氧化磨损在各阶段一直存在，并随着磨损阶段的深入逐渐加剧。TiB2颗粒一方面能够提高复合材料的承载能力，另一方面能够防止软相基体被磨损，两者都会提高复合材料的耐磨性，随着TiB2含量的增多，这种强

8、化作用愈发明显，使得复合材料能够维持在轻微磨损阶段，极大推迟严重磨损的发生。关键词：TiB2颗粒增强铁基复合材料；拉伸特性；断裂机理；纳米压痕；细观有限元；干摩擦磨损机理西南交通大学硕士研究生学位论文第III页AbstractUnderthedevelopmentbackgroundofe