铁基金属/金属间化合物微叠层复合材料组织与性能研究

铁基金属/金属间化合物微叠层复合材料组织与性能研究

论文摘要

受贝壳珍珠层结构的增韧机理的启发,科学家们设计出叠层复合材料。叠层复合材料中的金属/金属间化合物叠层复合材料被广泛研究,尤其以Ti-Al和Ni-Al材料体系居多,对相应的Fe-Al鲜有研究,至多研究Fe-Al材料体系的反应相,对其力学性能几乎没有涉猎。本课题分别通过碳钢、430SS、304SS和Al反应形成不同的界面,其可分别看成Fe/Al、Fe-Cr/Al、Fe-Cr-Ni/Al的界面反应体系,进一步研究其显微组织与反应相,简单研究其物理性能,着重研究其力学性能。采用热压扩散成形工艺,制备出样品。其在真空度1×10-1Pa下于实际温度655℃保温不同时间,采用金相光学显微镜、SEM+EDS、XRD分析叠层复合材料中的金属间化合物的组成相,并计算金属间化合物层的生长动力学;利用排水法和显微硬度计分别测量其致密度和显微硬度两种物理性能;采用准静态压缩和室温三点弯曲测试分别获得其抗压和抗弯强度;采用分离式霍普金森压杆测试系统测试动态压缩性能。本研究主要获得结果如下。(1)碳钢/Al反应后,生成相是FeAl2和Fe3Al相;430SS/Al反应后,显微结构是Fe2Al5相和Al5.5Cr1.95Fe2.5沉淀相构成的均匀层,以及Cr2Al13和Fe4Al13相构成的两相层;304SS/Al反应的产物和430SS/Al反应类似,但在均匀层上多了Fe0.7Ni1.3Al9相。(2)碳钢/Al反应的FeAl2和Fe3Al相随时间生长满足抛物线关系,可知二者生长均由体扩散控制;430SS/Al反应后的整体的金属间化合物层按“混合动力学生长机制”生长,介于体扩散和界面扩散之间;304SS/Al反应后整体的金属间化合物层也按“混合动力学生长机制”生长,介于晶界扩散和体扩散之间。(3)对材料的物理性能的研究可知,碳钢/Al反应的样品的致密度良好,但430SS/Al制备的样品不够致密,304SS/Al制备的样品的致密度介于碳钢/Al和304SS/Al之间;三种材料的界面处的显微硬度均符合实际。碳钢与FeAl2均匀层之间的薄的韧性Fe3Al相的DO3层,可降低材料界面处的应力集中,减少分层,但两种不锈钢和金属间化合物层的界面处更易应力集中,也可能导致分层现象。(4)对材料的力学性能的研究可知,准静态压缩测试后,304SS/Al制备的样品抗压强度最高;304SS/Al制备的样品的抗弯强度,整体上远强于430SS/Al的抗弯强度;动态压缩性能测试后,发现304SS/Al反应6h的样品的抗拉强度处于750-1200MPa之间。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  •   1.1 课题研究背景及研究目的与意义
  •   1.2 贝壳珍珠层结构和力学性能
  •     1.2.1 贝壳珍珠层结构
  •     1.2.2 贝壳珍珠层力学性能
  •   1.3 仿生贝壳珍珠层的叠层复合材料的研究现状
  •     1.3.1 叠层复合材料的分类
  •     1.3.2 Ti-Al系金属/金属间化合物叠层复合材料的研究现状
  •     1.3.3 Ni-Al系金属/金属间化合物叠层复合材料的研究现状
  •   1.4 金属/金属间化合物叠层复合材料的制备方法
  •   1.5 主要研究内容
  • 2 样品制备、组织表征与性能测试方法
  •   2.1 实验材料
  •   2.2 实验方法与实验设备
  •     2.2.1 实验方法
  •     2.2.2 实验设备
  •   2.3 组织表征与性能测试方法
  •     2.3.1 显微组织表征
  •     2.3.2 密度测定
  •     2.3.3 显微硬度测试
  •     2.3.4 准静态压缩测试及其断口形貌表征
  •     2.3.5 室温三点弯曲测试
  •     2.3.6 动态压缩测试及其断口形貌表征
  • 3 碳钢/Al微叠层复合材料组织与性能研究
  •   3.1 碳钢/Al制备的金属/金属间化合物微叠层复合材料组织与相组成
  •   3.2 碳钢/Al反应生成的金属间化合物层的生长动力学
  •   3.3 碳钢/Al反应生成的金属间化合物层的反应机理分析
  •   3.4 碳钢/Al制备的金属/金属间化合物微叠层复合材料的物理性能研究
  •     3.4.1 碳钢/Al制备的金属/金属间化合物微叠层复合材料的密度
  •     3.4.2 碳钢/Al制备的金属/金属间化合物微叠层复合材料的显微硬度
  •   3.5 碳钢/Al制备的金属/金属间化合物微叠层复合材料的准静态压缩性能研究
  •   3.6 本章小结
  • 4 430SS/Al制备的微叠层复合材料组织与性能研究
  •   4.1 430SS/Al制备的金属/金属间化合物微叠层复合材料组织与相组成
  •   4.2 430SS/Al反应生成的金属间化合物层的生长动力学
  •   4.3 430SS/Al制备的金属/金属间化合物微叠层复合材料的物理性能研究
  •     4.3.1 430SS/Al制备的金属/金属间化合物微叠层复合材料的密度
  •     4.3.2 430SS/Al制备的金属/金属间化合物微叠层复合材料的显微硬度
  •   4.4 430SS/Al制备的金属/金属间化合物微叠层复合材料的力学性能研究
  •     4.4.1 430SS/Al制备的金属/金属间化合物微叠层复合材料的准静态压缩性能研究
  •     4.4.2 430SS/Al制备的金属/金属间化合物微叠层复合材料的三点弯曲性能研究
  •   4.5 本章小结
  • 5 304SS/Al微叠层复合材料组织与性能研究
  •   5.1 304SS/Al制备的金属/金属间化合物微叠层复合材料组织与相组成
  •   5.2 304SS/Al反应生成的金属间化合物层的生长动力学
  •   5.3 304SS/Al制备的金属/金属间化合物微叠层复合材料的物理性能研究
  •     5.3.1 304SS/Al制备的金属/金属间化合物微叠层复合材料的密度
  •     5.3.2 304SS/Al制备的金属/金属间化合物微叠层复合材料的显微硬度
  •   5.4 304SS/Al制备的金属/金属间化合物微叠层复合材料的力学性能研究
  •     5.4.1 304SS/Al制备的金属/金属间化合物微叠层复合材料的准静态压缩性能研究
  •     5.4.2 304SS/Al制备的金属/金属间化合物微叠层复合材料的三点弯曲性能研究
  •     5.4.3 304SS/Al制备的金属/金属间化合物微叠层复合材料的动态压缩性能研究
  •   5.5 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果
  • 致谢
  • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 刘雅鑫

    导师: 侯击波,王宇,侯建斌

    关键词: 铁基复合材料,相组成,物理性能,力学性能

    来源: 中北大学

    年度: 2019

    分类: 工程科技Ⅰ辑

    专业: 材料科学

    单位: 中北大学

    分类号: TB33

    总页数: 97

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