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内生型铁基复合材料的制备及摩擦磨损性能研究

作　者: 王奂
导　师: 朱和国；易人泉
学　校: 南京理工大学
专　业: 材料工程
关键词: 铁基复合材料 原位反应 热力学与动力学 摩擦磨损
分类号: TB331
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


根据DSC曲线结合热力学与动力学分析研究了Al-Fe2O3-Fe和Ti-C-Fe两种体系制备原位TiC/Fe、A12O3/Fe复合材料的反应机理。利用真空炉反应制备了这两种铁基复合材料,利用光学显微镜、XRD、SEM、EDS等测试手段对复合材料的微观组织和组成进行了分析和研究。采用销盘式磨损机测试两种体系复合材料的磨损性能,结合磨面的SEM图像、EDS能谱分析及亚表层的金相照片,系统研究了常温下载荷、滑动速度、增强相体积分数等因素对Ti-C-Fe系铁基复合材料干滑动摩擦磨损性能的影响,并对材料的磨损机制进行了分析。反应机理分析表明,Al-Fe203-Fe系的反应过程由三个温度段的反应组成：①1000℃4Al(1)+12Fe2O3(s)=A12O3(s)+5FeO(s)+6Fe3O4(s)+FeAl2O4(s)；②1100℃4FeO(s)+3Fe3O4 (s)+12A1(1)=4A12O3(s)+12Fe(s)+FeAl2O4(s)；③1200℃3FeAl2O4(s)+2A1(1)=4A12O3+3 Fe,体积分数的大小对体系的反应过程影响较大。Ti-C-Fe系的反应过程为在1161℃时,Ti与C发生了强放热反应结合生成了非计量比的TiCx(x<1),剩余的C在降温过程中发生了共析、共晶反应,最终在Fe基体中形成了珠光体,添加剂对体系增强相的分散性有一定帮助。摩擦磨损性能测试表明,两种体系的铁基复合材料磨损性能比基体都大大提高。研究发现,随着载荷的增加,TiC/Fe复合材料的磨损量增加,摩擦系数减小,且材料磨损表面的磨屑有增多并团聚和氧化。在相同的条件下,随着增强相体积分数的增加,磨屑减少且有团聚,复合材料的磨损性能越好。随着速度的增大,10％TiC/Fe复合材料的磨损量先减小后增大,而30%、50%的TiC/Fe复合材料的变化则正好相反,摩擦系数变化则比较平稳。由TiC/Fe复合材料的磨损试样亚表面层的观察发现,亚表面层形变不明显,硬度有所提高。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-22
  1.1 引言  10-11
  1.2 原位反应技术  11-15
    1.2.1 自蔓延燃烧反应法(Self-propagating High Temperature Synthesis,SHS)  11-12
    1.2.2 放热弥散法(Exothermic Dispersion,XD)  12
    1.2.3 接触反应法(Contact Reaction,CR)  12-13
    1.2.4 气液反应法(Vapor Liquid Synthesis,VLS)  13-14
    1.2.5 粉末冶金法(Powder Metallurgy,PM)  14
    1.2.6 高能束表面原位熔覆法(High-energy Beam Surface Cladding,HBSC)  14
    1.2.7 机械合金化法(Mechanical Alloying,MA)  14-15
    1.2.8 反应铸造法(Reaction Casting,RC)  15
  1.3 反应热力学、动力学及反应机理的研究现状  15-16
    1.3.1 反应的热力学  15-16
    1.3.2 反应动力学  16
    1.3.3 反应机理  16
  1.4 原位铁基复合材料的增强相及其应用研究现状  16-19
    1.4.1 碳化物  17-18
    1.4.2 硼化物  18-19
    1.4.3 氮化物  19
    1.4.4 混合物  19
  1.5 铁基复合材料摩擦磨损性能的研究现状  19-20
  1.6 铁基复合材料的应用现状  20-21
  1.7 本课题研究的目的和主要内容  21-22
    1.7.1 本课题研究的目的  21
    1.7.2 本课题研究的主要内容  21-22
2 实验方法  22-27
  2.1 体系的选择  22
  2.2 实验原料  22
  2.3 实验仪器及设备  22-23
  2.4 工艺流程  23
  2.5 测试方法  23-27
    2.5.1 差热扫描分析(DSC)  23-24
    2.5.2 光学显微镜分析(OM)  24
    2.5.3 X射线衍射分析(XRD)  24
    2.5.4 扫描电镜分析(SEM)  24
    2.5.5 摩擦磨损性能测试  24-26
    2.5.6 硬度测试  26-27
3 热力学与动力学研究  27-45
  3.1 反应体系热力学分析  27-30
    3.1.1 热力学计算理论基础  27-28
    3.1.2 实验体系热力学计算及分析  28-30
  3.2 反应动力学分析  30-45
    3.2.1 反应活化能E的计算  31-34
    3.2.2 转变系数α的计算  34-35
    3.2.3 反应机理分析  35-41
    3.2.4 增强相体积分数的影响  41-43
    3.2.5 外加剂的影响  43-45
4 原位铁基复合材料的磨损性能与磨损机制  45-60
  4.1 引言  45-47
    4.1.1 影响因素  45-46
    4.1.2 磨损机制  46
    4.1.3 实验方案  46-47
  4.2 实验结果与分析  47-60
    4.2.1 典型磨损过程的三个阶段  47-48
    4.2.2 纯Fe基体的磨损性能  48-49
    4.2.3 Ti-C-Fe体系复合材料的磨损性能与磨损机制  49-58
    4.2.4 Al-Fe_2O_3-Fe体系复合材料的磨损性能  58-60
5 结论  60-61
致谢  61-62
参考文献  62-66
附录  66

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 复合材料 > 金属复合材料
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