陶瓷颗粒增强铁基复合材料的模拟辅助显微组织优化的研究

申请者多年坚持铁基复合材料制备的研究，终于开发出了动态电流直加热工艺和设备，初步制备的材料性能达到了国际先进水平，但性能仍不能达到主要应用水平，材料优化基础研究成为了迫切的工作。颗粒增强复合材料最佳显微组织设计，例如增强颗粒类型、尺寸、尺寸级配、含量和复合基体粉末的引入等基础问题，有一些矛盾的试验结果，学术上仍然基本是空白，要单靠试验研究不仅成本高，而且因素交错很难得出明确结论。本项目提出利用Eshelby多元颗粒复合体模型，结合有限元模型，不追求一个模型的复杂和全面性，追求适应单一因素模拟的有效性和物理意义的准确性，对颗粒复合体设计的各因素建立不同模型模拟。模拟提供最佳设计理论和结果，最终以有限试验数据，实现该材料优化。本研究不仅对实现铁基复合材料大量应用意义重大，而且奠基颗粒增强体显微组织设计的方法和参数，是计算材料学的重要进步。本研究对传统金属材料也有新角度的审视优化参考价值。

本项目主要研究是材料组织与性能的模拟与应用。研究建立了Eshelby颗粒复合体的力学模型，模拟了第二相粒子几何因素对材料力学性能影响的一些规律，为颗粒强化材料显微组织设计新理论的形成提供支持。研究还建立了有限元真实显微组织照片输入建模的方法，辅助进行增强颗粒几何因素对性能影响的数值模拟。模拟得出了不同强化粒子类型和尺寸级配时对复合材料性能的影响，取得了一些颗粒复合体理论设计优化的结果，模拟还研究了增强颗粒分散性和界面容纳应变对铁基颗粒增强复合材料性能的影响，提出了机械包敷粉末冶金混料新工艺。根据模拟结果，本项目对铁基颗粒增强复合材料进行了试验应用研究，发现机械包覆混料工艺对SiC颗粒增强材料效果最佳，可提高拉伸强度15%，颗粒表面镀铜处理对各种陶瓷颗粒增强材料都有效，可提高拉伸强度20％，颗粒尺寸级配混合对TiN和TiC增强材料有显著增强效果，25%高体积含量下，混合级配可提高拉伸性能35％，提高耐磨性60%。本研究证实了模拟设计的结果，证实了开发新材料模拟设计的必要性和有效性，通过本研究，陶瓷颗粒增强复合材料的性能得到有效提高，显著高于国际文献报道的最高水平。本研究还用相场法模拟了第二相粒子对基体晶粒长大的影响规律，可以进一步应用到复合材料基体显微组织的控制，展示了可喜的应用前景，需要开展相关试验应用研究。本研究不仅实现了铁基复合材料性能的显著提高，而且奠基颗粒增强体显微组织设计的方法和参数，是计算材料学的重要进步，也可以对传统金属材料优化设计提供参考。