传统陶瓷颗粒/钢铁复合材料在严重冲击和磨料磨损工况下，存在磨损性能不足的问题。对复合材料进行构型化以提升其力学性能和耐磨性是当前耐磨复合材料领域的重要发展方向之一。《强韧性陶瓷颗粒/钢构型耐磨复合材料》基于《强韧性陶瓷颗粒/钢构型耐磨复合材料》组近年来对构型耐磨复合材料的研究工作，探索不同空间构型对提高复合材料强度韧性综合性能和抗冲击耐磨性的影响，以及这些空间构型复合材料的制备技术。主要内容包括：介绍不同构型陶瓷颗粒/钢复合材料的制备技术，阐述三维互穿网络构型Al2O3颗粒/钢复合材料、球形网络构型Al2O3颗粒/钢复合材料、球形分级构型Al2O3颗粒、TiC颗粒/钢复合材料的强度韧性综合性能、冲击磨料磨损性能，反映了复合区形状和连接程度的演变对构型复合材料力学性能和耐磨性的影响。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 构型金属基复合材料的发展现状 2
1.2.1 互穿网络复合材料 2
1.2.2 层状构型复合材料 3
1.2.3 网状构型复合材料 4
1.2.4 孤立构型复合材料 6
1.3 空间构型陶瓷颗粒/钢铁复合材料的制备技术 7
1.3.1 铸渗法制备构型陶瓷颗粒/钢铁复合材料 7
1.3.2 其他制备技术 10
1.4 空间构型陶瓷颗粒/钢铁复合材料的耐磨性 10
1.4.1 构型高铬铸铁基复合材料的耐磨性 10
1.4.2 构型高锰钢基复合材料的耐磨性 11
1.4.3 构型合金钢基复合材料的耐磨性 11
第2章 陶瓷颗粒/钢构型复合材料的制备技术 13
2.1 3D打印结合铸渗技术制备构型复合材料 13
2.1.1 制备工艺过程 14
2.1.2 制备的三维互穿网络构型复合材料组织 15
2.2 喷雾干燥结合铸渗技术制备分级构型复合材料 16
2.2.1 制备工艺过程 17
2.2.2 TiCp/Fe分级构型复合材料的微观组织 18
2.2.3 采用固定笼法制备分级构型复合材料 18
2.3 钢丝网结合重力铸渗制备球形网络构型复合材料 20
2.3.1 制备工艺过程 20
2.3.2 球形网络构型Al2O3p/钢复合材料的微观组织 21
2.3.3 空间点阵构型Al2O3p/钢复合材料的制备和微观组织 21
第3章 三维互穿网络构型Al2O3p/钢复合材料的力学性能和耐磨性 23
3.1 三维互穿网络构型Al2O3p/钢复合材料的力学性能 23
3.1.1 三维互穿网络构型复合材料的组织形貌 23
3.1.2 三维互穿网络构型复合材料的压缩性能 31
3.2 三维互穿网络构型Al2O3p/钢复合材料的三体磨料磨损性能 41
3.2.1 不同复合区体积分数对构型复合材料三体磨料磨损的影响 41
3.2.2 不同基体性能对复合材料三体磨料磨损性能的影响 46
3.2.3 不同Ti添加量对复合材料三体磨料磨损性能的影响 49
3.2.4 复合材料磨损机理分析 52
3.3 三维互穿网络构型Al2O3p/钢复合材料的冲击磨料磨损性能 57
3.3.1 不同复合区体积分数对构型复合材料磨损性能的影响 57
3.3.2 不同钢基体性能对构型复合材料磨损性能的影响 69
3.3.3 加Ti对构型复合材料磨损性能的影响 82
3.3.4 加Fe对构型复合材料磨损性能的影响 84
3.3.5 双基体配合对构型复合材料磨损性能的影响 85
第4章 球形网络构型Al2O3p/钢复合材料的力学性能 88
4.1 球形网络构型Al2O3p/高锰钢复合材料力学性能 89
4.1.1 复合材料显微组织 89
4.1.2 复合材料显微硬度 90
4.1.3 复合材料压缩性能 93
4.1.4 复合材料开裂行为 95
4.1.5 复合材料开裂机理 97
4.2 球形网络构型Al2O3p/40Cr钢复合材料力学性能 99
4.2.1 复合材料显微组织 99
4.2.2 复合材料显微硬度 100
4.2.3 复合材料压缩性能 101
4.2.4 复合材料开裂行为 102
4.2.5 复合材料开裂机理 104
4.3 构型参数对球形网络构型Al2O3p/钢复合材料压缩性能及开裂的影响 106
4.3.1 构型参数对复合材料压缩性能的影响 106
4.3.2 复合材料开裂行为 108
4.3.3 复合材料开裂机理 111
第5章 分级构型Al2O3p/钢复合材料的力学性能和耐磨性 114
5.1 空间点阵构型Al2O3p/高锰钢复合材料的力学性能和耐磨性 114
5.1.1 空间点阵构型复合材料的组织 114
5.1.2 空间点阵构型复合材料的力学性能 116
5.1.3 空间点阵构型复合材料的冲击磨料磨损性能 123
5.2 分级构型Al2O3p/Cr12MoV钢复合材料的力学性能和耐磨性 132
5.2.1 分级构型复合材料的组织 132
5.2.2 分级构型复合材料的力学性能 145
5.2.3 分级构型复合材料的冲击磨料磨损性能 150
5.3 分级构型ZTAp/40Cr钢复合材料力学性能的计算机模拟 157
5.3.1 构型复合材料有限元模型的建立 158
5.3.2 三维互穿网络ZTAp/40Cr钢复合材料的力学性能 162
5.3.3 球状空间点阵ZTAp/40Cr钢复合材料的力学性能 163
5.3.4 构型种类对复合材料力学性能的影响 174
5.3.5 空间构型ZTAp/40Cr钢复合材料的结构优化策略 181
第6章 均匀分布TiCp/锰钢复合材料的力学性能和耐磨性 192
6.1 均匀分布TiCp/锰钢复合材料的制备和力学性能 192
6.1.1 使用水玻璃黏结剂的复合材料 192
6.1.2 使用有机黏结剂的复合材料 201
6.2 均匀分布TiCp/锰钢复合材料的冲击磨料磨损性能 222
6.2.1 不同活化微粉对冲击磨料磨损性能的影响 222
6.2.2 不同体积分数Ni + Si活化复合材料的冲击磨料磨损性能 226
第7章 分级构型TiCp/高锰钢复合材料的力学性能和耐磨性 231
7.1 分级构型TiCp/高锰钢复合材料的组织和力学性能 231
7.1.1 分级构型复合材料的组织分析 231
7.1.2 分级构型复合材料的力学性能 237
7.1.3 复合材料断口形貌对比分析 241
7.2 分级构型TiCp/高锰钢复合材料的耐磨性 249
7.2.1 冲击磨料磨损试验方法 249
7.2.2 体积分数对复合材料冲击磨料磨损性能的影响 250
7.2.3 复合材料磨损形貌分析 252
7.2.4 复合材料冲击磨损亚表层分析 256
7.2.5 复合材料磨损机理分析 260
参考文献 263

第1章 绪论
　　1.1 引言
　　我国是世界耐磨材料生产和消耗大国，据不完全统计，每年耐磨材料的消耗规模超过400亿元。传统耐磨材料，如高锰钢和高铬铸铁等，其性能已越来越难以满足现代工业的复杂磨损工况以及对高耐磨性的要求。因此，研发新型高性能耐磨材料对我国国民经济节能降耗、可持续发展意义重大。
　　耐磨陶瓷颗粒增强金属基复合材料（particle reinforced metal matrix composite，PRMMC）是金属基复合材料（metal matrix composite，MMC）中的一个重要领域。由于其兼具陶瓷的高硬度和金属基体的优良强韧性，而且能够根据需要进行性能的大范围调整（可设计性），已经逐渐成为新型高性能耐磨材料发展方向之一。但PRMMC也存在着耐磨性与强塑性不匹配的问题，即随着陶瓷颗粒的添加，复合材料强度可能较高，但塑性会显著降低，进而影响其耐磨性。因此，提升陶瓷颗粒增强金属基复合材料的塑韧性已经成为一个亟待解决的技术难题。
　　进入21世纪以后，对PRMMC进行空间结构韧化被证明是一种有效提高其塑性、韧性的措施，即将PRMMC的组织分隔为增强颗粒富集区（复合材料区、脆性区）和纯基体区（韧性区）。与传统的陶瓷颗粒均匀分散的MMC相比，这种新型复合材料的塑性和韧性能提高30%～70%，同时强度也有提升。比利时Magotteaux公司成功开发了氧化锆增韧氧化铝颗粒增强高铬铸铁基复合材料立磨磨辊，其寿命达到常规高铬铸铁磨辊的3倍以上，并逐渐占领国际耐磨材料高端市场。同时期，我国耐磨材料科研单位和企业也大量开展了蜂窝陶瓷颗粒增强钢铁基耐磨复合材料的研究和开发。经过10余年的发展，耐磨蜂窝复合材料的研究和应用有了很大进展，并在我国的水泥、电力、矿山等行业获得了越来越广泛的应用。昆明理工大学蒋业华教授课题组从2000年开始从事陶瓷颗粒增强钢铁基耐磨复合材料的研究和应用推广，2014年以来，攻克了一系列蜂窝状氧化锆增韧氧化铝颗粒增强钢铁基耐磨复合材料制备关键技术，成功开发了大型复合立磨磨辊、板锤、塔磨机衬板等高性能耐磨产品，使用效果可与进口产品媲美。相关研究成果在本书作者课题组前期于科学出版社出版的两部专著《碳化钨颗粒增强钢铁基表层复合材料》《陶瓷颗粒增强钢铁基空间构型耐磨复合材料》中进行了详细论述。
　　目前，碳化钨（WC）、ZTA颗粒增强钢铁基复合材料主要应用于小冲击或无冲击载荷的磨损工况下，需要进一步研发能够适应更高冲击载荷工况的耐磨复合材料。本书作者课题组自2014年以来，在国家自然科学基金和云南省基础研究重点项目的资助下，开展了一系列抗冲击陶瓷颗粒增强钢铁基耐磨复合材料的研究工作，开发了不同空间构型复合材料的制备技术，研究了空间构型种类和参数对复合材料力学性能和冲击磨料磨损性能的影响，探索不断提高耐磨复合材料的强韧性和耐磨性的方法，尤其是在冲击载荷下的磨料磨损性能。这些构成了本书的主要内容。
　　1.2 构型金属基复合材料的发展现状
　　目前，国内外已经发展出很多种类的构型金属基复合材料，体现出良好的强度、韧性、导热、导电等多种综合性能。下面对研究较多的构型复合材料进行总结和分析。
　　1.2.1 互穿网络复合材料
　　由多孔陶瓷或泡沫陶瓷增强的MMC，由三维（3D）尺度的连续陶瓷和金属网络互穿构成。与陶瓷颗粒游离增强的MMC相比，三维连续互穿网络结构的MMC表现出较好的强韧协同性能、更优异的磨损性能、机械稳定性和损伤容限。华南理工大学陈维平等（Chen et al.，2011）通过在1550℃真空条件下烧结，制造了一种含镍的氧化铝陶瓷网络骨架。然后在真空中1600℃下将X10CrNi18-8钢液无压渗透到该氧化铝骨架内，制备出互穿网络构型MMC。由于在氧化铝陶瓷体表面和内部都存在金属Ni，氧化铝和钢的界面结合行为得到了明显的改善，钢熔体不仅可以填充骨架件的孔隙，而且可以通过Ni颗粒形成的通道渗透到陶瓷内。该互穿网络构型MMC*大弯*强度值可以达到889MPa，其微动磨损耐磨性远优于纯钢基体。
　　西安交通大学王倩等（2012）利用石蜡熔模成型，通过酚醛树脂固化、碳化及原位硅化技术，制备出具有三维网络结构的SiC增强体，然后采用金属浇注工艺制备网络互穿构型SiC/铁基耐磨复合材料。三维SiC骨架的加入不但明显提高了钢铁基体材料的耐磨性，而且对基体材料起到减重作用。因此在干摩擦环境下，网络互穿构型SiC/铁基复合材料的摩擦磨损性能优于基体材料。
　　随着3D打印技术的发展，复合材料网络互穿结构研究有了突破性的进展。Dalaq等（2016）通过3D打印技术制备出了一系列具有三重期极小化*面（TPMS）塑料骨架增强的网络互穿构型复合材料，研究了多种TPMS结构的互穿网络复合材料的抗压强度、弯*强度和弹性模量。Li等（2018）通过3D打印技术制备的具有合理结构设计的互穿网络复合材料表现出比传统结构复合材料高16倍的断裂韧性，材料的韧化机制来自裂缝桥接、加工区形成和裂纹偏转三个方面，其本质上受合理设计的互穿体系控制。可以通过调整两种组分之间的刚度对比来调节结构复合材料的断裂韧性。
　　作者课题组何光宇（2019）采用挤压铸造法制备了三维互穿结构的Al2O3p/40Cr钢复合材料，如图1-1所示。构型复合材料的抗压强度、断裂应变和弹性模量分别为903.5MPa、18.8%和197GPa，分别是颗粒均匀分布Al2O3p/40Cr钢复合材料的1.5倍、4.0倍和1.7倍。用三维X射线扫描仪观察了复合材料中裂纹的特殊起源和扩展方式，证实了3D骨架结构对复合材料强韧化的贡献，其中基体的三维结构可以抑制复合区内裂纹的相互连通，导致裂纹发生偏转。
　　图1-1 三维互穿网络Al2O3p/40Cr钢复合材料
　　（a）材料内部断面；（b）压缩失效图
　　1.2.2 层状构型复合材料
　　受珍珠岩结构与力学性能奇妙关系的启发，人们开发了一些有代表性的复合材料层状结构。与均匀分布的增强体相比，层状结构有两个优点：①能够通过调整基体层的厚度和层数来控制增强体含量；②相邻层增强体与基体分离，因此可以避免增强体的聚集。
　　Sun等（2015）研究了放电等离子体烧结制备的Ti/Ti-Al多层复合材料的拉伸和弯*性能，并与多层Ti3Al/Ti-Al复合材料和均匀的Ti-Al金属间合金进行了比较。结果表明，由于*特的金属/金属间化合物多层微观结构，Ti/Ti-Al复合材料表现出优异的拉伸和弯*强度，多层Ti/Ti-Al复合材料在室温下也表现出高水平的耐破坏能力。Ma等（2015）采用热轧制造了Al 6061/Ti6Al4V/Al 6061层状复合材料，研究了轧制温度和深度对Al/Ti/Al层压复合材料的微观结构和机械性能的影响。结果表明，Al/Ti/Al层状复合材料表现出良好的Al/Ti界面结合，Ti与Al层的压下比随着轧制温度和深度的增加而降低。Cepeda-Jiménez等（2009）研究了基于Al 7075和Al 2024合金的多层复合材料的显微组织和机械性能，在室温下进行了夏比冲击试验、三点弯*试验和界面的剪切试验。轧制后回火态和T6处理的复合材料的冲击韧性比整体Al 7075合金高20倍以上，比Al 2024合金高7倍。复合材料韧性的显著提高主要是“界面预分层”机制所致。根据这种断裂机制，在主裂纹到达界面之前，界面就发生了剥离，导致所有界面都发生分层。因此，每一层的分层和裂纹萌生是提高韧性的原因。Guo等（2010）使用等离子体活化烧结工艺，用铜和铝箔制备了多层铜/铝复合材料。显微结构分析表明，铜和铝之间的界面区由Al4Cu9、AlCu和Al2Cu三层组成，其中Al4Cu9层占主导地位。在拉伸载荷下，对铜/铝多层复合材料失效过程的原位观察发现，失效是从金属间化合物层开裂开始的。随着载荷的增加，这些裂纹沿着Al晶界向Al层内扩展，但在金属间化合物/Cu界面变钝，而不是渗透到Cu层。金属间化合物层和铝层的开裂又导致了铜层的局部塑性变形。局部变形局限于相邻金属间化合物层的相对裂缝之间的小区域，一直持续到复合材料失效。Grishaber等（2005）设计了一种21层5182合金和25% SiCp/6090Al复合材料组成的层状复合材料。其中，5182合金层厚800μm，而SiCp/6090Al复合材料层厚200μm。叠层复合结构在少量损失材料强度（相对传统复合材料损失约83MPa）的同时，有效改善了材料的断裂韧性（相对传统复合材料提高了约79%）。
　　叠层构型化增韧思想不局限于晶态金属材料，对于非晶态合金，如块状金属玻璃（BMG），通过引入晶态层形成的晶态/非晶态叠层结构，也能有效弥补非晶层塑性变形能力的不足。目前，多相复合金属玻璃被认为是一种有效的增韧手段。Go等（2007）通过实验和模拟方法研究了块状金属玻璃与结晶层的叠层复合材料BMG/Zr/BMG的断裂行为。试验表明，当BMG层数从一层增加到三层时，层压试样的断裂能量就会增加，分别为19kJ/m2、22kJ/m2和27kJ/m2。模拟结果显示，BMG层状复合材料的断裂能量的提高主要归因于Zr结晶层吸收了断裂能量。
　　综上所述，层状复合材料*特的多界面结构使其在提升强度的同时兼具一定的塑韧性。多界面结构中层界面处产生大量的微裂纹，微裂纹之间桥接、偏转、钝化作用及其对材料内部应力分布的影响，使得复合材料韧性和塑性明显增加；同时裂纹在界面处的偏转作用能实现能量耗散，降低尖端应力集中程度，使得多界面结构具备一定的增韧作用。
　　1.2.3 网状构型复合材料
　　三维互穿复合材料是由多个网格构成的，各个网格以交错方式穿插在一起形成三维结构。而网状构型复合材料则由单一的网格构成，其中增强相沿着网格呈一定规律分布，展现出了良好的强度和延展性。Yang等（2010）研究了放电等离子体烧结（SPS）温度对大块超细结构的网状构型Ti2AlC/TiAl复合材料的微观结构和力学性能的影响。研究表明，当使用950℃的SPS温度时，Ti2AlC/TiAl复合材料具有98.3%的相对密度，其微观结构由Ti2AlC相的连续网络和平均尺寸为300nm的等轴TiAl晶粒组成，烧结样品的抗压屈服强度和硬度分别达到2058MPa和6.12GPa。随着SPS温度上升到1150℃，TiAl晶粒明显变粗，导致机械性能明显下降。Fang等（2021）通过气体雾化原位制造了加入2.5vol%（vol%为体积分数）TiB的钛粉，并将其用于直接激光沉积（DLD）网络分布TiB/Ti复合材料。其强度机制不仅包括TiB晶须（TiBw）的细晶粒强化作用，TiB网络本身也对强度的提高做出了额外贡献。拉伸试验显示出复合材料强度和韧性的良好结合，与传统制造的均质TiB-Ti复合材料和选择性激光熔化的商业纯Ti相比，强度得到了提高，极限拉伸强度为636MPa，延伸率为10.6%。
　　哈尔滨工业大学黄陆军等（Huang et al.，2011）研究了不同烧结参数对具有网络结构的TiB晶须增强Ti6Al4V（TiBw/TC4）复合材料机械性能的影响。复合材料组织由富含晶须的边界区域和晶须稀少的基体区域组成。与具有均匀分布的复合材料相比，这种材料表现出更好的室温拉伸性能。*特微观结构导致了*特的断裂特性，在拉伸应力下，主要裂纹沿着富含TiBw的区域出现，这使得TiBw具有卓越的强化效果，相对较大的无TiBw区域对复合材料的断裂延伸率有积极的贡献。
　　Gao等（2019）制备了均质和SiCp呈网状分布的网状构型的SiCp/Al复合材料，测试了复合材料的拉伸性能，并对网状复合材料裂纹萌生和扩展行为进行了分析。网络内SiCp的局部体积分数达36%，网状复合材料的延伸率为2.9%，低于均匀材料的4.5%。网状构型设计提高了复合材料的弹性模量、屈服强度和抗拉强度，相比于均匀复合材料，分别提高了1.3G