ZTAp增强高锰钢复合材料的冲击磨料磨损性能及硬化行为研究

作     者：王志杰 

作者单位：昆明理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蒋业华;赵跃林

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：ZTA(ZrO2增韧Al2O3) 高锰钢 复合材料 冲击磨料磨损 加工硬化 

摘      要：冲击磨料磨损在挖掘、采矿及加工等领域是一种非常常见的磨损失效形式。高锰钢是一类广泛使用在冲磨料磨损领域的耐磨材料,但是,工程实践效果发现传统高锰钢由于其在使用初期或者低冲击能量条件下,产生的加工硬化作用较低而导致耐磨性能仍有不足。目前,高硬度、高模量的陶瓷/钢铁基耐磨复合材料已经在采矿和加工等领域进行了广泛的使用,并取得了不错的经济效益。其中,由于ZTA（Zr O增韧AlO）陶瓷颗粒具有高硬度、相变增韧和耐高温等各项优异的综合性能而被大量研究和使用。本研究通过重力无压铸渗法制备了工艺简单、性能稳定的大尺寸ZTA陶瓷颗粒增强高锰钢基耐磨复合材料,克服了一直以来毫米级ZTA陶瓷颗粒和高锰钢之间铸渗困难、铸造缺陷多和制备成本高等难题。利用SEM、XRD、纳米压痕、EPMA、EBSD等多种微观表征技术,对复合材料的微观组织及力学性能进行了研究。同时,研究了复合材料在不同冲击功下的冲击磨损性能和高应变速率动态压缩下的力学行为。总之,本研究是依据复合材料在实际生产需求下进行的,对研发和使用新型陶瓷/钢铁基耐磨复合材料具有重要的实际意义。本文得到了如下主要结果:（1）通过铸渗法成功制备了大尺寸ZTAp/高锰钢复合材料,解决了长期以来毫米级ZTAp和高锰钢基体之间铸渗困难、铸造缺陷多等难题。此外,还证明了制备出的复合材料结构完整、无颗粒脱落和未复合等铸造缺陷产生,ZTA颗粒在基体中分布均匀,其体积分数为55.3%。（2）ZTAp/高锰钢复合材料在凝固过程中界面层形成了非晶相（64）。同时,复合材料的微观力学性能表现出:界面层纳米硬度为6 GPa,其稍高于基体,远低于ZTA颗粒,杨氏模量为200 GPa,其明显低于基体和ZTA,界面层可以缓解ZTA颗粒和基体之间产生的不均匀塑性变形。（3）在相同的冲击功下,复合材料和高锰钢基体的体积磨损损失量均随时间的延长而增加。对于不同的冲击功,复合材料的体积磨损损失量随冲击功增大而增加,而基体的体积损失量变化则不明显。当冲击功在2～5 J范围内时,复合材料的相对耐磨性逐渐降低,分别是基体的2.17～0.59倍。此外,复合材料的加工硬化能力均低于基体,同时硬化层的深度随着冲击功的增大而增加。（4）在低冲击功下,复合材料的磨损机制主要以ZTA颗粒内部产生轻微裂纹、基体切削、楔形形成和疲劳剥落为主。在高冲击功时,其磨损机制主要以ZTA颗粒的脱落和基体的犁削为主。（5）在不同应变速率下,随着应变速率的增加,复合材料的屈服强度和压缩强度均随之增加。同时,随着应变速率的不断增大,复合材料的加工硬化现象越明显,应变速率从975s增加到3139s时,其加工硬化率增加了2.7倍以上。此外,复合材料的绝热温升温度随应变速率的增大而逐渐增大,当应变速率从975s升高到3193 s时,温度从322K升高到600K。