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针对陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料强韧性不足的问题,本文结合3D打印及挤压铸造技术制备出了空间结构韧化ZTAp(氧化锆增韧氧化铝颗粒)/钢复合材料,复合材料由40Cr钢(基体区)和ZTAp/40Cr复合材料(复合区)的三维互穿网络构成。主要研究了复合区体积分数、40Cr钢的性能、活性元素和结构相交处平滑处理等因素对空间结构韧化ZTAp/钢复合材料压缩性能的影响。主要研究结果如下:研究了复合材料复合区体积分数对其压缩性能的影响。复合区的体积分数设计为0%(40Cr钢)、35%、50%、65%和100%(ZTAp均匀增强40Cr钢基复合材料,也就是均匀分布复合材料),样品热处理状态均为淬火+低温回火。结果表明,随着复合区体积分数的增加,复合材料的强度先上升,在35vol%达到最高,然后逐渐下降,韧性也逐渐降低。35vol%空间结构复合材料的屈服强度为1455.2MPa、抗压强度1612.8MPa,应变值0.056。相对于40Cr钢基体,空间结构复合材料屈服强度提高18%;相对于均匀分布复合材料,空间结构复合材料屈服强度提高144.7%,抗压强度提高162.8%,应变提高55.6%。研究了40Cr钢基体性能对复合材料压缩性能的影响。复合材料复合区体积分数保持50%,热处理状态分别进行淬火+低温回火、淬火+中温回火和退火,以改变其中40Cr钢基体的组织和性能。结果表明,随着40Cr基体强度的升高,空间结构复合材料的抗压强度也逐渐升高(相对于均匀分布复合材料最高提高99.5%)。而复合材料的应变在中温回火态时最高(相对于均匀分布复合材料提高197.5%),在低基体强度时较好,而在高基体强度(低温回火态)时急剧下降。研究了活性元素对复合材料压缩性能的影响。活性元素分别为10%Ti粉、10%还原铁粉、20%还原铁粉和10%Ti粉+20%还原铁粉。结果表明Ti粉的添加改善界面润湿性,提高了界面结合强度,增加了载荷传递效率,添加Ti粉后获得了最高的抗压强度。还原Fe粉的添加有效的调节了复合区内部ZTAp的体积分数,增加了应变率。而两者同时添加抗压强度下降,应变率有所上升。研究了结构相交处平滑处理对复合材料压缩性能的影响。复合区骨架相交处的结构分别为初始的尖角结构和平滑处理结构。实验结果表明,相交处平滑处理对复合材料强韧性都有提高,其屈服强度1261.7MPa、抗压强度1426.2MPa和应变0.059,分别比初始结构提高25.2.%、16.4%和22.9%。用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和3D-X射线断层扫描等手段对复合材料的显微组织、成分和压缩后的形貌进行表征分析,包括裂纹的萌生和扩展,解释了40Cr框架和复合区网络在空间结构复合材料中的协同强韧化作用。最后结合有限元模拟,揭示了空间结构复合材料的破坏行为。复合区在弹性阶段起到强化作用,当复合材料进入塑性阶段,随着复合区内部颗粒破碎、以及复合区/基体区宏观界面开裂,空间结构复合材料最终失效。