邱博等：宏观颗粒增强铁基复合材料的制备与性能 ·973· 浸入到陶瓷表面的微小间隙内，形成二者的紧密结 者为犬牙交错的微机械结合.金属基体主要组织是 合，基体组织致密，无明显缺陷，复合效果良好.复 呈灰白色树枝晶的马氏体和残余奥氏体，枝晶间 合抗磨件试样在低倍和高倍下的金相照片如图7所 为合金碳化物与马氏体及残余奥氏体共同构成的 示，图中黑暗色区域为陶瓷颗粒，白亮色区域为高铬 共晶体，树枝晶间共晶体中的碳化物有的呈条块 铸铁基体.可以看出，虽然没有做任何润湿化处理， 状，有的呈鱼骨状，分布在马氏体及少量残留奥氏 但是陶瓷颗粒与高铬铸铁的结合良好、界面清晰，二 体基体上. a (b) .100um 图6复合抗磨件内部.(a)颗粒分布情况：(b)界面结合情况 Fig.6 The insides of the composites:(a)particle distribution;(b)interface binding b 100m 50μm 图7不同倍数下复合抗磨件内部微观组织.(a)低倍：(b)高倍 Fig.7 Microstructure of composites under different times:(a)low times:(b)high times 对ZTA/KmTBCr226复合抗磨件的界面成分进 击韧性显著降低，这是由于增强颗粒的脆性大于基 行线扫描分析，结果如图8所示.可以看出，界面两 体金属，且颗粒在复合材料中所占体积分数较高导 侧的元素分布有一定的规律性，在KmTBCr26基体 致的.Llorca等[7]研究表明，增强体的断裂是颗粒 中不存在AL,Zr元素，这两种元素在经过界面后明 增强金属基复合材料的主要失效方式之一，基体中 显降到最低值，同样，在陶瓷中也不存在Fe、Cr元 颗粒承受的应力会随基体承受载荷的增加而增大， 素，其变化趋势与A1、Zx元素相反，说明没有出现元 从而使颗粒断裂的趋势增加.Turnbull等[]的研究 素扩散的现象，金属与陶瓷的结合属于机械结合 表明，复合材料中的损伤常萌生于破裂的颗粒处，所 2.2复合材料的硬度及冲击韧性 以裂纹也会沿着已经存在的破裂颗粒扩展.本研究 复合材料的硬度和冲击韧性的测试结果如表3 中的增强相是陶瓷颗粒，其脆性大于基体金属，断裂 所示.复合材料中增强颗粒硬度很高，局部最高可 应变较小，导致复合材料内部的微裂纹容易形成，从 达HV1950,而高铬铸铁基体的硬度平均为HV774, 而导致冲击韧性的下降.同时，陶瓷颗粒的碎裂具 复合材料磨损时，硬度很高的增强颗粒可以有效抵 有尺寸效应9)，颗粒越大断裂应力越小，颗粒越小 制磨料的磨损，对基体产生“阴影效应”，从而保护 断裂应力越大，本研究中的颗粒属于宏观颗粒，断裂 基体，提高复合材料的耐磨性能.从冲击韧性的测 容易发生，也会导致复合材料的韧性显著下降.另 试结果可知，陶瓷颗粒的加入会导致复合材料的冲 一方面，复合材料中增强相的体积分数也是影响材邱 博等: 宏观颗粒增强铁基复合材料的制备与性能 浸入到陶瓷表面的微小间隙内,形成二者的紧密结 合,基体组织致密,无明显缺陷,复合效果良好. 复 合抗磨件试样在低倍和高倍下的金相照片如图 7 所 示,图中黑暗色区域为陶瓷颗粒,白亮色区域为高铬 铸铁基体. 可以看出,虽然没有做任何润湿化处理, 但是陶瓷颗粒与高铬铸铁的结合良好、界面清晰,二 者为犬牙交错的微机械结合. 金属基体主要组织是 呈灰白色树枝晶的马氏体和残余奥氏体,枝晶间 为合金碳化物与马氏体及残余奥氏体共同构成的 共晶体,树枝晶间共晶体中的碳化物有的呈条块 状,有的呈鱼骨状,分布在马氏体及少量残留奥氏 体基体上. 图 6 复合抗磨件内部 郾 (a) 颗粒分布情况; (b) 界面结合情况 Fig. 6 The insides of the composites: (a) particle distribution; (b) interface binding 图 7 不同倍数下复合抗磨件内部微观组织 郾 (a) 低倍; (b) 高倍 Fig. 7 Microstructure of composites under different times: (a) low times; (b) high times 对 ZTA/ KmTBCr26 复合抗磨件的界面成分进 行线扫描分析,结果如图 8 所示. 可以看出,界面两 侧的元素分布有一定的规律性,在 KmTBCr26 基体 中不存在 Al、Zr 元素,这两种元素在经过界面后明 显降到最低值,同样,在陶瓷中也不存在 Fe、Cr 元 素,其变化趋势与 Al、Zr 元素相反,说明没有出现元 素扩散的现象,金属与陶瓷的结合属于机械结合. 2郾 2 复合材料的硬度及冲击韧性 复合材料的硬度和冲击韧性的测试结果如表 3 所示. 复合材料中增强颗粒硬度很高,局部最高可 达 HV1950,而高铬铸铁基体的硬度平均为 HV 774, 复合材料磨损时,硬度很高的增强颗粒可以有效抵 制磨料的磨损,对基体产生“阴影效应冶,从而保护 基体,提高复合材料的耐磨性能. 从冲击韧性的测 试结果可知,陶瓷颗粒的加入会导致复合材料的冲 击韧性显著降低,这是由于增强颗粒的脆性大于基 体金属,且颗粒在复合材料中所占体积分数较高导 致的. Llorca 等[17] 研究表明,增强体的断裂是颗粒 增强金属基复合材料的主要失效方式之一,基体中 颗粒承受的应力会随基体承受载荷的增加而增大, 从而使颗粒断裂的趋势增加. Turnbull 等[18] 的研究 表明,复合材料中的损伤常萌生于破裂的颗粒处,所 以裂纹也会沿着已经存在的破裂颗粒扩展. 本研究 中的增强相是陶瓷颗粒,其脆性大于基体金属,断裂 应变较小,导致复合材料内部的微裂纹容易形成,从 而导致冲击韧性的下降. 同时,陶瓷颗粒的碎裂具 有尺寸效应[19] ,颗粒越大断裂应力越小,颗粒越小 断裂应力越大,本研究中的颗粒属于宏观颗粒,断裂 容易发生,也会导致复合材料的韧性显著下降. 另 一方面,复合材料中增强相的体积分数也是影响材 ·973·