Fe-C-X抗磨铸铁中硬化相结构调控对其力学性质的影响机制研究

抗磨铸铁在工业中有着广泛的应用基础，加入合金元素形成新的硬化相可以大幅度提高铸铁性能，铸铁的综合力学性能和其硬化相有直接关系。然而抗磨铸铁中硬化相结构极其复杂，多年来难以用常规实验获得其基础性质，导致其对铸铁力学性质的影响极其模糊。本项目以Fe-C-X(X=Cr, Mo, W, B)抗磨铸铁为研究对象，结合计算模拟与微结构表征技术，围绕其中二元和三元硬化相的形成机制及稳定性，热力学，力学性质等展开研究。包括实验测试抗磨铸铁内部硬化相的结构，硬度，模量等与磨损有关的性能，结合第一原理计算从电子-原子层次上探索各种硬化相的形成机制，结构及力学性质，总结其力学行为对耐磨性影响的科学本质，从理论上系统揭示硬化相的形成竞争机制及结构性质对抗磨铸铁力学性质的影响机制，可为新型抗磨铸铁的硬化相选择，调控、性能预测提供支撑，具有较重要的理论意义和工程应用价值。

抗磨铸铁作为工业中应用广泛的耐磨材料，加入合金元素形成新的硬化相可以大幅度提高铸铁性能。所以铸铁的综合力学性能和其硬化相有直接关系。然而抗磨铸铁中硬化相结构极其复杂，多年来难以用常规实验获得其基础性质，导致其对铸铁力学性质的影响极其模糊。本项目通过制备Fe-C-Cr、Fe-C-Cr-W、Fe-C-Cr-Mo、Fe-C-B系列典型的铸铁材料，通过微结构表征技术分析其硬化相的种类和结构，表征了其硬度，模量等与磨损有关的力学性质。对铸铁的磨料磨损性质进行研究，得到硬化相性质对铸铁磨损性质的影响。设计了新型的Fe-C-Cr-W系抗磨铸铁材料。同时，根据抗磨铸铁中硬化相的种类，建立了所有可能的硬化相的晶体结构。采用第一性原理计算方法研究了其热力学稳定性，判断其竞争机制，从电子-原子层次上研究了各种硬化相的形成机制，并首次获得了其热力学和力学性质数据，筛选出性质优异的硬化相种类，总结硬化相的力学行为对耐磨性的影响，为新型抗磨铸铁的设计和硬化相的选择，调控及性能预测提供了基础数据支持与理论依据。