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二硼化钛颗粒增强铁基复合材料的制备及其性能研究2023-12-06 16:27·与君説引言在汽车轻量化背景下，大多数汽车白车身采用（超）高强度钢，即通过提高钢材的绝对强度而减小板材构件厚度的策略来实现防碰撞安全性和轻量化的平衡，但“增强减厚”严重削弱材料的刚度，导致材料承受负载时出现过度变形或振动，极端情况下引发重大交通事故。基于汽车材料轻量化提出的高模量钢用 Fe-TiB2 复合材料，由于其具有高弹性模量、高比弹性模量、良好的界面强度等优点，有望成为解决强度和刚度同步提高的新型轻量化材料。但共晶凝固法制备的 Fe-TiB2 复合材料存在粗大初生 TiB2难以细化的问题，影响复合材料强度和韧性的协同提高，限制了其在高模量钢的进一步应用。本研究旨在解决共晶凝固法制备的 Fe-TiB2 复合材料强度难以持续提高的问题。课题背景及研究目的和意义在汽车轻量化方面，实现轻量化的途径主要有三种[3]：（1）通过 CAE 软件对零部件进行结构优化[4-6]，从而优化汽车动力，提高燃油使用效率和减少气体排放。（2）使用轻质材料，降低整车质量，以减少排放。主要轻质材料包括铝合金、镁合金、碳纤维等。尽管轻质金属材料在密度方面相比传统汽车用钢具有绝对优势，可以大幅减轻汽车重量，但高成本、低强度和焊接性能差等缺点仍然限制了它们在汽车领域的广泛应用。（3）使用高强度钢（Advanced High Strength Steel，AHSS）[7,8]。AHSS 被广泛应用于汽车车身结构中，它是通过提高钢材的绝对强度而减小板材构件厚度的策略来实现防碰撞安全性和轻量化的平衡。此外，图 1-1 给出了各类合金屈服强度、比屈服强度和拉伸塑性，与铝合金、镁合金等轻质材料相比，高强度钢还具备强度、塑性和成型性的优势[9]。然而汽车的轻量化是综合耐撞性、刚度性能、强度性能、安全性以及经济性的系统性工程，而非简单的减重。传统轻量化材料设计重视强度而忽视刚度，而刚度不足，会导致运载工具承受负载时会出现过度变形或振动的情况，影响运载工具的稳定性、安全性，特别是在极端工况下易发生汽车侧翻等重大陆空事故，造成严重的生命和财产损失。颗粒增强相的选择选择合适的增强相是提高复合材料性能的重要前提。对于陶瓷增强金属基复合材料，应从增强相的密度、热膨胀系数、弹性模量、比刚度、应用成本以及颗粒与基体的润湿性等多方面进行选择[15]。表 1-1 [16-19]给出了不同颗粒增强相的性能参数，其中氧化物、碳化物、氮化物和硼化物是提高铁（Fe）基体模量、强度和磨损性能的常见材料。从颗粒自身特性方面考虑，这些颗粒（Al2O3、SiC、TiO2、TiB2、MgO）低密度、高硬度、高弹性模量，更符合材料设计的要求。对于增强相的选择，除了自身特性，基体和颗粒之间的界面强度是决定力学性能的重要因素[20,21]。在界面结合强度较高的情况下，可以促进基体到颗粒的有效载荷传递，导致高加工硬化、高强度、良好的延展性和抗损伤性。而界面结合强度很大程度上取决于颗粒与基体之间的润湿性。通常来说，氧化物和氮化物由于其在液态 Fe 中的溶解度有限和润湿性较差，并且需要大量颗粒以实现高模量，在性能改善方面，效果并不显著；虽然碳化物的杨氏模量很高，但它们在 Fe 基体中热力学不稳定，易溶解于基体当中，并产生复杂的铁化合物，导致材料杨氏模量显著降低[22-26]。Fe-TiB2复合材料界面优点界面强度、界面之间的应力分布状态、界面的化学反应、界面的热膨胀系数等都会影响复合材料的性能，因此，界面的研究是复合材料研究中的重要问题之一。为了使复合材料具有良好的性能，增强体与基体之间要有良好的界面结合。由于 Fe的熔点较高，在制备 Fe-TiB2 复合材料时，TiB2颗粒与 Fe 基体容易发生严重的界面反应，影响其性能。因此在制备 Fe-TiB2 复合材料过程中，提升 Fe-TiB2复合材料的润湿性及控制界面反应尤其关键。对于利用共晶凝固法制备Fe-TiB2复合材料，可通过对基体进行改性，实现对界面反应的控制。Cha[59]和 Lartigue-Korinek[60]均利用高分辨透射显微镜在原子尺度层面对该复合材料的界面结构进行表征，结果表明 Fe-TiB2 界面平行于 TiB2 的棱柱面，且(1?01)Fe 与(101?0)TiB2 形成半共格界面，证实了 Fe-TiB2 复合材料具有良好的界面结合。Huang[61]采用纳米压痕表征了 Fe-TiB2 复合材料界面强度，研究显示 Fe-TiB2界面可以承受大的塑性变形，且测得界面强度大于 TiB2颗粒强度，这进一步佐证了Fe-TiB2 具有优异的界面结合强度。Ke[45,46]采用 PM 制备了 Fe-TiB2 复合材料，通过压缩试验中的断裂模式和硬度试验中的裂纹扩展证明，间接证明了 Fe-5Ti 基体和 TiB2 之间的致密化和良好的界面结合。又探究在不同保温时间下通过 TEM表征，证实了 Fe-TiB2 在原子水平上的界面内聚力，这是由于 Fe 的{110}平面与 Fe-TiB2 颗粒的{101?0}平面发生了特殊的定性作用关系，有助于形成良好的界面。固溶强化固溶强化是指在金属基体中加入其他元素，使这些元素以固溶的形式存在于基体中，与基体原子之间的相互作用来实现的[69]。在固溶体中，溶质原子与基体原子之间会发生化学键合，从而改变了基体的晶格结构和原子排列方式。这些改变会导致基体的强度和硬度改变，从而实现固溶强化的效果。在颗粒增强金属基复合材料中，固溶强化通常是通过添加合金元素来实现的。例如，在 Fe 基复合材料中，通常会添加镍（Ni）、铬（Cr）、钼（Mo）、硼（B）等元素来实现固溶强化。这些元素会以固溶的形式存在于 Fe 基体中，从而提高材料的强度和硬度。不同结构尺寸下强化机制也不尽相同。通常固溶强化和位错强化发生原子尺度范围（10-10m），而以位错切过或绕过的第二相强化主要发生在纳米尺度下（10-9m），其强化效果随着位错或者第二相尺寸的增加而增大。需要注意的是，当第二相颗粒达到一定比例时，由于所引发的晶格畸变、应力场等综合作用，材料内部的位错难以开动，从而导致位错强化效果被削弱。所以无论是固溶强化、位错强化还是纳米第二相强化都有一定的适用范围和局限性。通常采用添加合金元素、引入第二相尺寸等综合的方式，来保证复合材料的强化效果。Fe-TiB2复合粉末的制备MA 工艺制备合金化粉末涉及到多个相互关联、相互作用的工艺参数，所以这是一个非常复杂的工艺问题。目前对 MA 工艺的研究还不够系统、全面。在制备合金化粉末时，需要选择合适的球磨转速、球料比、球磨时间等工艺参数以及过程控制剂。MA 过程通过高能球磨方式可以让基体粉末与增强相颗粒快速混合，将粉末的粒度细化，从而提高材料的表面积和反应活性。其次还可以促进化学反应的发生，从而得到新的化合物或合金材料。MA 参数的优化是材料获得优异性能的前提条件，其中球料比、球磨转速和球磨时间是最关键的三个参数。烧结温度对复合材料组织与性能的影响烧结温度是制备复合材料的首要因素，烧结温度过高或过低都会对材料的性能产生不良影响。当烧结温度过低时，烧结不充分，会导致材料的孔隙率增加，从而影响材料的密度和力学性能。当烧结温度过高时，会导致晶粒长大，使得材料的强度和韧性下降。因此，对于烧结复合材料的性能和应用，选择适当的烧结温度具有重要意义。图 3-9为 Fe-TiB2伪二元相图，由图可知存在两个液相反应，当温度高于 1170℃时，Fe、TiB2与 Fe2B 发生共晶反应，产生液相；当温度高于 1240℃时，Fe 与 TiB2会发生液相反应；由文献[71,81,82]可知，当温度高于 1320℃时，Fe-Ti固溶体与 TiB2发生液相反应。在烧结试验中，由于使用石墨模具进行烧结实验，粉末中的 Fe 会与石墨在 1148℃左右发生共晶反应。表 3-1终结了 Fe-Ti-B 体系中涉及到的液相反应。因此复合材料烧结温度的设定不得超过 1150℃，并考虑到实验仪器的测温偏差，设置最高烧结温度不超过 1100℃。为了探究最佳烧结温度，本小节采用 800℃、900℃、1000℃、1100℃四个烧结温度进行烧结实验，分析复合材料的显微组织及力学性能结果，得出最佳的烧结温度。结 论本文采用粉末冶金法制备Fe-TiB2复合材料，通过对复合材料的成分分析、显微组织表征、力学性能测试及断口形貌分析，研究制备工艺参数、颗粒特征以及微量元素添加对 Fe-TiB2复合材料显微组织和力学性能的影响。得到的结论如下：（1）通过机械合金化法制备 Fe-Ti 合金粉末。结果表明，最佳机械合金化参数为：球料比为 15:1、转速 450r/min、球磨时间 50h。随后将 TiB2颗粒加入到 Fe-Ti 基体中，进行放电等离子烧结，最佳烧结参数：烧结温度 1100℃、保温时间 20min。（2）小尺寸 TiB2（3?m）比大尺寸 TiB2（38?m）对复合材料的强化效果更好，小尺寸 TiB2增强的复合材料抗压强度为 1520MPa，屈服强度为 1202MPa，延伸率为21.3%，硬度为 382HV，这是因为在颗粒体积分数一定时，颗粒尺寸越小，颗粒间距越小，对位错移动的限制和钉扎作用也越强，对基体的强化效果越显著。参考文献[1] 杨素华. 汽车整车的轻量化技术研究[J]. 南方农机, 2019, 50(1): 46-47.[2] 钱余海, 吴庆芳, 雷浩. 汽车轻量化材料及工艺的研究进展[J]. 大众科技, 2022, 24(2): 49-2.[3] 范子杰, 桂良进, 苏瑞意. 汽车轻量化技术的研究与进展[J]. 汽车安全与节能学报, 2014, (1):1-16.[4] Zou R R, Fan Z W , Ge X H, et al. Topology Optimization on Bracket Side Panel of Beach Cleaner's Dumping Device[J]. Advanced Materials Research, 2012, 429: 67-71.[5] Kim C, Sun H. Topology Optimization of Gas Flow Channel Routes in an Automotive Fuel Cell[J].International Journal of Automotive Technology, 2012, 13(5): 783-789
2025年01月05日，宝丰县
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到了北京完颜慧德想去北大拜访当年的老师证明自己学历的真实性
快意恩仇也算是一种生活方式吧，只是希望过了这一阵，大家都能有个好的归宿。或者，你的行业和工作，受到了一定的冲击，那你的运势，也会受到冲击。