高强韧碳化钛增强高锰钢基复合材料的制备及其形成机理研究

Titanium carbide reinforced Hadifield steel matrix composites with novel microstructrure was prepared by casting combined with in situ reaction. The titanium carbide particles were filled into the pipes rolled by mild steel strips. The pipes were arranged orderly in the Hadifield steel matrix. The novel composites were obtained after in situ heat treatment. The high strength-toughness composites were realized by taking advantages of continuous Hadifield steel matrix with large areas, which increased the damage tolerance, and the titanium carbide with high strength, high hardness and good wear resistance. In situ reaction process and mechanism between titanium and carbon atoms were studied by Fe-Ti-C ternary system thermodynamics, kinetic, microstructure and bonding strength of the interface. Meanwhile, the mechanical properties and wear resistance of the composite were studied to analyze the impact damage mechanism and abrasion mechanism. Furthermore, the physical model of high strengh and high toughness was established as well. The project is valuable and provides a novel idea and method to study the titanium carbide reinforced Hadifield steel matrix composites.

采用铸造复合和原位反应相结合的方法制备一种具有新颖结构的碳化钛增强高锰钢基复合材料。该复合材料中，碳化钛颗粒被管状低碳钢过渡隔离层包裹，形成束状增强体，均匀分布于高锰钢基体中。这种结构可以利用大面积连续的高锰钢基体提高复合材料的损伤容限，同时发挥碳化钛高强度、高硬度和高耐磨性的特点，实现碳化钛增强高锰钢基复合材料的高强韧性。通过对Fe-Ti-C三元体系热力学与动力学的研究、复合材料微观组织与结构的表征以及界面结合状态与结合强度的研究，揭示钛原子和碳原子的扩散与反应机理，探索管状低碳钢过渡隔离层及其内部碳化钛增强相的原位形成过程与机理。同时，研究碳化钛增强高锰钢基复合材料的力学性能和磨损性能，阐明其抗冲击损伤机理和抗磨损机理，进一步建立相应的高强韧性物理模型。项目的成功实施为碳化钛增强高锰钢基复合材料的研究提供了新的思路与方法，具有一定的学术价值。

非连续碳化物增强钢铁基复合材料可充分发挥碳化物高硬度、高模量和钢铁基体的特性，在冶金、采选矿等领域有很大的应用前景。项目采用铸造复合和原位反应相结合的方法制备一种具有新颖结构的碳化钛增强高锰钢基复合材料。该复合材料中，碳化钛颗粒被管状低碳钢过渡隔离层包裹，形成束状增强体，均匀分布于高锰钢基体中。这种结构可以利用大面积连续的高锰钢基体提高复合材料的损伤容限，同时发挥碳化钛高强度、高硬度和高耐磨性的特点，实现碳化钛增强高锰钢基复合材料的高强韧性。项目实现了碳化钛颗粒束增强高锰钢基复合材料的制备。其中，颗粒束中碳化钛体积分数达到91%，微观硬度最高值为3085HV0.1；复合材料冲击韧度为89 J∙cm-2。通过对Fe-Ti-C三元体系热力学与动力学的研究、复合材料微观组织与结构的表征以及界面结合状态与结合强度的研究，揭示钛原子和碳原子的扩散与反应机理，探索管状低碳钢过渡隔离层及其内部碳化钛增强相的原位形成过程与机理。碳化钛颗粒束增强高锰钢基复合材料的形成过程主要为“扩散-原位反应-再扩散”过程，且碳原子的扩散为整个过程的控制步骤；碳化钛颗粒的原位生机理为形核-长大机制，即当钛原子和碳原子的浓度较高时，可以生成稳定的碳化钛晶核；当钛原子和碳原子的浓度降低时，只能在已生成的晶核上堆积、长大。同时，研究碳化钛增强高锰钢基复合材料的力学性能和磨损性能，阐明其抗冲击损伤机理和抗磨损机理，进一步建立相应的高强韧性物理模型。碳化钛颗粒束增强高锰钢基复合材料抗冲击损伤机理为连续的高韧性锰钢基体提高损伤容限，通过偏转、绕过等机制延长裂纹扩展路径，改善韧性；抗磨损机理为高硬度碳化钛颗粒的抗切削和犁削，以及集束状分布碳化钛颗粒对磨粒的抵抗与改变磨粒运动方向从而保护基体质量不损等机理。项目的成功实施为碳化钛增强高锰钢基复合材料的研究提供了新的思路与方法，具有一定的学术价值。