【摘 要】
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金属基复合材料的界面润湿性、界面反应机制及稳定性等都是国内外研究工作者长期以来研究的重点工作。研究发现,界面的主要作用为传递载荷、调节应力分布、阻止裂纹扩展;以及在金属基复合材料中,稀土元素可以改善金属基体与增强体之间的润湿性。因此,本文通过粉末冶金烧结工艺和界面重熔工艺的方法成功制备了掺杂稀土Y、La、Ce、Nd的WC颗粒增强钢基复合材料。通过XRD、SEM、EDS、显微硬度、纳米压痕、压缩实验
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金属基复合材料的界面润湿性、界面反应机制及稳定性等都是国内外研究工作者长期以来研究的重点工作。研究发现,界面的主要作用为传递载荷、调节应力分布、阻止裂纹扩展;以及在金属基复合材料中,稀土元素可以改善金属基体与增强体之间的润湿性。因此,本文通过粉末冶金烧结工艺和界面重熔工艺的方法成功制备了掺杂稀土Y、La、Ce、Nd的WC颗粒增强钢基复合材料。通过XRD、SEM、EDS、显微硬度、纳米压痕、压缩实验等测试方法分析了在烧结工艺和重熔工艺条件下稀土掺杂对复合材料的界面及力学性能的影响;通过第一性原理计算稀土元素掺杂对Fe3W3C的体积模量(B)、剪切模量(G)、杨氏模量(E)、泊松比(σ)等力学性能的影响。分析得出结论如下。稀土元素Y、La、Ce、Nd的掺杂可以加快复合材料的Fe、C、W元素的相互扩散,从而促使复合材料的界面反应区提前形成,并增加界面反应区的宽度。在不同烧结温度和不同的重熔温度条件下,稀土掺杂的复合材料的物相组成主要为α-Fe、W2C、WC、Fe3W3C,稀土掺杂并没有促使界面反应区产生新的物相。随着重熔温度的增加,稀土Y和Nd的掺杂复合材料的Fe3W3C含量增加。稀土元素Y、Ce、La、Nd掺杂可以降低Fe3W3C的体积模量、剪切模量、杨氏模量。同时稀土元素的掺杂可以增加Fe3W3C的各向异性,以及增加Fe3W3C的脆性和硬度。根据纳米压痕实验结果得到,掺杂稀土后复合材料的界面反应相的硬度增加,杨氏模量减小。计算结果与实验结果的趋势相同。稀土掺杂使复合材料的界面反应区的硬度降低,界面反应区周围的基体的硬度增加,从而降低了界面反应区与基体之间的硬度差。在重熔工艺条件下,在掺杂稀土元素Y和Nd元素后,复合材料的界面反应区的显微硬度降低且随着重熔温度的增加而减小。1350℃烧结条件下,掺杂稀土后复合材料的抗压强度由296.7MPa提高到659.2MPa。1450℃烧结条件下,复合材料的抗压强度由571MPa提高到858MPa;掺杂稀土的复合材料的压缩率由30%最高提高到42.2%。掺杂Y和Nd元素的复合材料的抗压强度最好。在重熔工艺条件下,稀土元素Y和Nd的掺杂增加了复合材料的抗压强度,在1340℃的重熔工艺条件下,复合材料的抗压缩能力最强。分别为332MPa、588MPa、555MPa。烧结温度从1350℃增加到1450℃时,不同稀土掺杂的复合材料的在压缩时裂纹的产生与扩展由界面反应区与基体之间的结合界面向界面反应区偏移,从而增加了复合材料的抗压强度。复合材料的界面反应区与基体之间的硬度差值降低,复合材料的抗压强度增加,则界面的结合更好。因此稀土掺杂可以增加复合材料的界面结合强度。
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