基于应力强度因子评估WCP形状对WCP/Fe复合材料热疲劳裂纹扩展行为的影响

应力强度因子在断裂力学中广泛应用于预测由远程载荷或残余应力引起的裂缝尖端附近应力状态。本文基于平面应力条件下应力强度因子建立WC_P形状与其尖端应力之间的规律,利用有限元分析软件对含不同形状WC_P的WC_P/Fe复合材料的热应力进行模拟仿真,研究WC_P形状对WC_P/Fe复合材料热疲劳裂纹扩展行为的影响。研究结果表明,WC_P的形状显著影响应力强度因子,进一步影响WC_P/Fe复合材料的热疲劳裂纹扩展行为。含球状和不规则状WC_P的WC_P/Fe复合材料的极限抗压强度分别约为460 MPa和370 MPa。含不规则状WC_P的WC_P/Fe复合材料因应力集中而容易产生脆性开裂现象。通过热震实验进行验证,发现实验结果与模拟仿真结果相近,说明有限元法的准确性,同时为WC_P/Fe复合材料的热疲劳裂纹扩展行为研究提供科学依据和理论基础。      

V-EPC制备铸铁基表面复合材料的表面质量和组织

以HT300为基材，以WC颗粒作为增强颗粒，通过V—EPC铸渗工艺制备出较为理想的铁基表面耐磨材料，铸件复合层厚度均匀，厚度可达6mm。WC在复合层中分布较为均匀。在复合过程中，主要是铁液向复合层渗透，铬向母材的渗透也有，但量很少。合金层和母材的结合良好，属于冶金结合，其硬度从复合层到基体先升高后降低，复合层平均硬度比HT300提高了3倍左右。     

不同磨料粒度下WC体积分数对铁基表面复合材料磨损性能的影响

用负压铸渗工艺制备了WC/HT300基表面复合材料,研究了WC体积分数和冲蚀磨损浆料中的颗粒粒度对复合材料的抗冲蚀磨损性能的影响。对于同一种WC颗粒体积分数的复合材料,当浆料中的石英砂粒度大时,复合材料的体积磨损率较大,抗冲蚀磨损性能降低。WC体积分数为27%和36%的表面复合材料具有比其他WC体积分数复合材料优越的耐磨损性能;在磨料粒度为40~70目的工况下,WC体积分数为36%的复合材料,具有比体积分数为27%的复合材料优越的耐磨性能;但在磨料粒度增大到20~40目时,WC体积分数为27%的复合材料,具有比WC体积分数为36%的复合材料优越的耐磨损性能。     

定向凝固高铬铸铁Cr28的组织和腐蚀磨损性能

研究了定向凝固工艺制备的高铬铸铁Cr28的组织和性能,并将其与普通砂型铸造制备的高铬铸铁Cr28及Cr15Mo3进行比较。结果表明:本实验中所采用的简易定向凝固工艺能够实现高铬铸铁碳化物的定向排列,且与激冷面距离不同处,碳化物形态、分布和平均间距不同;在高温热强碱冲蚀磨损实验中,垂直于磨损面定向排列且分布较均匀的碳化物能使定向凝固高铬铸铁具有更好的耐磨蚀性能,碳化物平均间距λ在16~17μm之间时其耐磨蚀性能最佳;相对硬度而言,定向凝固得到的定向排列的碳化物对材料耐磨蚀性的影响更为突出。     

渣浆泵用钢基表面耐磨复合材料的研究

以ZG45为基体，以多种合金粉末作为合金化原料，通过铸渗工艺制备出较为理想的渣浆泵用铁基表面耐磨材料．铸件合金层厚度均匀，基体组织为树枝状的奥氏体，增强相为二次碳化物(Cr，Fe)7C3和渗碳体型碳化物Fe3W3C，在合金化过程中，主要是铁液向合金层渗透，铬向母材的渗透也有，但量很少，合金层与母材的结合良好，属于冶金结合，其冲击磨损性能和硬度都有很大提高，耐磨性比ZG45提高了6．5倍，硬度从合金层到基体逐渐降低，合金层硬度比ZG45提高了3倍左右。     

WC体积分数对WC_p/Fe复合材料组织及压缩性能的影响

为研究WC体积分数对WC_p/Fe复合材料组织、界面及压缩性能的影响,采用粉末烧结法制备了不同WC体积分数的WC_p/Fe复合材料。结果表明:在不同WC体积分数的WC_p/Fe复合材料中,WC颗粒发生了不同程度的溶解,其与基体间均呈冶金结合。随着WC体积分数的增加,WC_p/Fe复合材料的界面等效宽度呈现递减趋势,当WC体积分数为50%时,界面等效宽度最小,为39.8μm;复合材料的压缩强度呈先增大后减小趋势,当WC体积分数达到45%时,压缩强度达到最大值;复合材料的断裂方式由准解理断裂逐渐转向纯解理断裂,当WC体积分数达到50%时,WC_p/Fe复合材料的断裂方式为纯解理断裂。     

氧化对WC_p/钢基表层复合材料热裂纹萌生扩展的影响

利用负压实型铸渗工艺,通过涂覆预制块法,成功地制备了以高铬钢为基材,WC为增强颗粒的表层复合材料,通过氧化增重法、热震实验法及扫描电镜等分析测试方法重点研究了氧化对WC/钢基表层复合材料热裂纹萌生及扩展的影响。研究结果表明:WC颗粒在高于600℃时,会氧化成为结构疏松的WO3,并且随着温度的升高,氧化反应的速度加快,而WC的氧化,对热疲劳裂纹的萌生和扩展产生重要的影响。在500℃以上的空气环境中,复合材料基体会在裂纹源的尖端处形成氧化物。结合环境中的氧对裂纹扩展影响的分析可知,生成的氧化物为裂纹的扩展提供了途径,并且使复合材料极易在热应力的作用下导致开裂。     

预制层中合金种类对V-EPC制备表层复合材料组织和界面的影响

以高铬钢为基材,WC颗粒为增强颗粒,通过在预制层中分别加入钢粉和高碳铬铁粉来调节预制层的成分,利用真空实型铸渗法(V-EPC)制备WC颗粒增强钢基表层复合材料,分析预制层中合金种类对制备表层复合材料界面的影响。研究结果表明:预制层中合金粉末的粒度对复合层中WC颗粒和基体的界面结合产生影响,在金属液的作用下,400目的钢粉比160~200目的高碳铬铁粉更易熔化,有利于WC颗粒与基体界面的形成。预制层中合金粉末为钢粉的试样,过渡层不明显,存在显微裂纹;高碳铬铁粉的试样,复合层和基材之间过渡平缓,没有孔洞和微裂纹。     

WC在WC/灰铸铁复合材料基体中的溶解

为了对WC/Fe复合材料的界面设计和控制提供理论指导, 论文分析了WC在WC/灰铸铁复合材料基体中的溶解热力学, 通过差热分析、 光学显微镜、 扫描电镜和X衍射等测试方法研究了WC与灰铸铁基体之间的界面, 对WC颗粒在基体中的溶解过程进行了探讨。研究结果表明: WC颗粒与HT300基体润湿良好, 当系统最高温度为1450℃时, WC颗粒的表面有明显被溶解的痕迹, WC颗粒在HT300基体溶液中发生明显溶解的开始温度约为1281℃; 当系统温度升高到某一温度时, WC发生分解反应(2WCW₂C＋C), 元素扩散将促进WC颗粒的溶解。      

Ni对WC/钢基表面复合材料组织和界面的影响

利用铸渗法制备了WC颗粒增强钢基表面复合材料,通过金相、扫描电镜等测试手段,重点研究了预制层中添加Ni粉对WC/钢基表面复合材料组织和界面的影响。结果表明,随着Ni添加量的增加,铸渗层中WC颗粒数目逐渐增多,复合层与基材的过渡趋于平缓,表面质量也趋于完好。同时,随着Ni添加量的增加,过渡层的变化逐渐趋向平缓,基体中马氏体、残余奥氏体及共晶碳化物的数量逐渐增加,并且复合层表层硬度呈现递增的趋势。