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关键词： W-Fe-B三元硬质合金   微观组织   掺杂强化机制   摩擦磨损性能   磨损机理  

摘要： 随着我国交通、刀具和模具等领域的快速发展,改善关键零部件的耐磨性,并显著减少材料消耗已成为耐磨材料领域的热点研究课题。与传统金属耐磨材料相比,W-Fe-B三元硬质合金因其制备工艺简单和出色的力学性能优点,在耐磨和高温领域具有广泛的应用前景。此外,W-Fe-B合金可以通过调控组分配比来控制硬质颗粒和粘结相的比例,可在一定范围内调控合金的硬度和耐磨性,为不同磨损工况材料的设计和材料性能选择提供更为便利的途径,但由于对该合金成分-工艺-性能的关联性以及制备工艺和组分配比缺乏系统的研究,无法实现根据服役工况要求针对性设计与制备该材料,而且合金的磨损机理和活性元素掺杂对合金的强化机制尚不清晰。因此,研究W-Fe-B三元硬质合金的制备工艺、组织与力学性能的优化,以及摩擦磨损性能和元素掺杂强化机制具有重要的科学意义和应用价值。 本文采用气氛无压烧结法,以W粉、FeB粉和羰基Fe粉为原料,制备了 W-Fe-B三元硬质合金。通过对其相组成、烧结工艺和元素及原料配比进行研究与优化,获得各组分配比下最优的烧结工艺,研究各组分配比下合金的组织和力学性能变化,揭示合金在升温过程中的反应机制。确定最佳W/B原子比后,对该原子比下改变原料含量的合金进行改变载荷和实验温度的两体摩擦磨损探究。通过综合对比选择出合金的最佳组分配比,并在此配比下基于第一性原理计算和实验结果研究元素掺杂改善W-Fe-B合金的力学性能,研究其对合金的微观组织和力学性能的影响规律,阐明元素掺杂对合金的强化机制。同时探究掺杂元素对W-Fe-B的摩擦磨损性能的影响,揭示其磨损机制。本文得到的主要结论如下: (1)W-Fe-B合金在升温过程中共出现5个吸热峰,对每个吸热峰所对应反应的生成物体系中潜在的竞争反应进行热力学计算,并结合XRD和DSC图谱得出,W-B体系中生成物为W2B5化合物,W-Fe-B体系中反应生成物为W2FeB2三元化合物;在原位反应初期,反应首先在原始粉末边界处发生,生成多种二元过渡化合物。随着升高温度,合金中的过渡产物再次参与反应,生成W2FeB2三元硬质化合物。经过对每个烧结温度下W-Fe-B硬质合金的形貌、相组成及力学性能进行研究,发现在1300℃时合金中的三元硬质化合物尺寸最大且分布均匀,该温度下合金的力学性能达到峰值,因此初步判定W-Fe-B合金的烧结温度在1300℃附近。且1300℃下合金中硬质颗粒与粘结相的界面错配度为4.5%,证明两相之间结合性良好。 (2)在1300℃附近探索合金最佳烧结工艺,随着烧结温度的升高和保温时间的延长,合金中硬质颗粒形状由近等轴状变成杆状,其尺寸先增大后减小;W-Fe-B合金的致密度增加,硬度、抗压强度和抗弯强度先增加后降低。当烧结温度为1300℃、保温时间为2h时,可获得微观组织致密、硬质相颗粒分布均匀,力学性能好的合金,因此确定制备W-Fe-B合金最佳的烧结工艺为烧结温度1300℃,保温时间2 h。 (3)改变合金中W/B原子比和原始粉末配比,在不同原子比下,W粉含量的增加意味合金中硬质颗粒的占比增大,其平均颗粒尺寸先增大后减小,在合金中的混乱程度增加。合金的致密度增加,硬度、抗压强度和抗弯强度先增加后减小,W粉含量为47.5 wt.%时,合金的性能最优。当保持W粉含量一定时,合金的性能随着W/B原子比增大呈现先升高后降低的趋势,当W/B原子比为0.57时,合金表现出好的性能。当W/B原子比为0.57,W粉含量为47.5 wt.%时,可获得微观组织致密、硬质颗粒发育正常且分布均匀的硬质合金,硬质相颗粒平均尺寸为29.13 μm,在合金中占比99.28%。W-Fe-B合金的硬度为531.4 HV,抗压强度为1050 MPa,抗弯强度为955 MPa。 (4)研究不同载荷和温度对W/B原子比为0.57时各原料配比的W-Fe-B合金摩擦性能的影响。室温下W-Fe-B三元硬质合金的磨损方式以粘着磨损为主,氧化磨损和磨粒磨损为辅,合金随着载荷的增加摩擦系数降低,体积磨损率增加。当实验在高温环境下,W-Fe-B三元硬质合金的磨损方式以氧化磨损为主。随着温度逐渐升高,合金的软化效应加剧,磨损表面会逐渐形成氧化层,且氧化膜的面积会随着温度升高而增大,氧化膜具有较高抵抗摩擦的能力,有助于减缓表面膜的形变和破碎,有利于形成更加平整的磨损表面。但由于软化效应的影响,会导致磨擦系数曲线逐渐平缓,摩擦系数减小但体积磨损率增大;在高温下改变载荷时,随着载荷增大,摩擦副间的接触面积增多,在高温下易形成大片的氧化层,以此达到良好的减摩效果。W粉含量为47.5 wt.%的W-Fe-B合金在任意条件下的摩擦性能均为最优。 (5)为了进一步提高合金的性能,对综合性能最佳的W/B原子比为0.57、W粉含量为47.5 wt.%的W-Fe-B合金进行掺杂元

关键词： ZCuAl9Fe4Ni4Mn2   超声强化研磨加工   表面强化   耐腐蚀磨损性能  

摘要： 镍铝青铜ZCuAl9Fe4Ni4Mn2因其良好的机械性能与耐腐蚀性能,在船舶制造中,特别是在船舶螺旋桨的生产上,得到了广泛的应用。船舶螺旋桨的制造多依赖铸造工艺,而镍铝青铜的显微组织复杂,铸造加工容易导致铸件的组织不均匀从而造成材料表面性能下降,在海洋环境中工作时易遭到化学腐蚀和物理磨损等多重威胁。因此,如何增强铸态镍铝青铜的表面性能,已成为当前船舶装备研究领域的重点课题。超声强化研磨加工（USGP）技术作为一种新型表面加工技术,能有效细化金属表层晶粒,从而提升材料耐磨、耐腐蚀等性能。为提高ZCuAl9Fe4Ni4Mn2在复杂海洋环境下的服役寿命,本文开展了“基于超声强化研磨的ZCuAl9Fe4Ni4Mn2耐腐蚀磨损性能研究”课题研究,对促进该技术在船舶装备领域的应用与发展具有重要的意义。本文研究分析了不同加工参数下超声强化研磨加工对ZCuAl9Fe4Ni4Mn2试样表面形貌、表层组织、显微硬度及摩擦磨损、电化学、腐蚀磨损性能的影响,主要研究结果如下: （1）系统地研究了超声强化研磨加工对试样表面完整性的影响。对不同加工参数（加工时间、氧化锆珠粒径）下试样的表面形貌、晶粒组织等变化情况进行分析与观察,探讨了超声强化研磨加工对试样表面粗糙度、晶粒尺寸、位错密度及显微硬度等变化的影响规律。结果表明,经加工试样表面形貌获得了大量随机分布的微凹坑形貌,表层晶粒组织发生显著的细化,位错密度与显微硬度较未加工试样明显提高。 （2）研究了超声强化研磨加工对试样表面耐磨性能的影响。对不同加工参数下试样的平均摩擦系数、磨损量、磨痕形貌以及磨损机理等变化情况进行了分析与探讨。结果表明,超声强化研磨加工提升了试样表面耐磨性能,经加工试样平均摩擦系数与磨损量均下降。其中,经1.5mm氧化锆珠加工10min试样表现出最佳的耐磨性能,其平均摩擦系数与磨损率分别为0.215和3.9×10-5g/m,较未加工试样分别降低了44.6%、15.9%。 （3）研究了超声强化研磨加工对试样耐腐蚀性能的影响。根据动电位极化曲线、电化学阻抗谱等测试结果,分析得到了不同加工参数对试样表面电化学腐蚀性能的影响规律。经超声强化研磨加工试样较未加工试样,自腐蚀电流密度均有所减小,电化学阻抗均有所增大。其中经1.5mm氧化锆珠加工10min试样较未加工试样自腐蚀电流密度下降了9.854μA·cm-2,电子转移阻抗和物质扩散阻抗分别增大了4736.5Ω·cm2、5840.4Ω·cm2。 （4）研究了超声强化研磨加工对试样耐腐蚀磨损性能的影响。通过腐蚀磨损试验,得到了不同加工参数下试样的平均摩擦系数与腐蚀磨损率,分析了试样腐蚀磨损磨痕形貌与腐蚀磨损机理等变化。结果表明,在腐蚀环境下经超声强化研磨加工试样较未加工试样平均摩擦系数与腐蚀磨损率均有显著降低,且磨损率下降幅度远高于干摩擦环境。其中,经1.5mm氧化锆珠加工10min试样表现出最佳的耐腐蚀磨损性能,较未加工试样摩擦系数降低了0.132,腐蚀磨损率降低了45.9%。

关键词： 轻质高锰钢   析出强化   力学计算   磨损形貌   强化机制  

摘要： 随着工业生产的不断进步,全球正面临着降低能源使用和减少环境污染排放的重要任务。磨损是导致工业设备故障的常见原因,其在设备的维护和生产过程中不仅会降低生产效率,还会因消耗大量能源造成巨大的经济损失。在此背景下,提升材料的耐磨性能具有重大意义,且由于轻量化领域的高速发展,使得许多工业生产过程中对具有优异机械性能的先进轻质钢的需求日益增加。因此,在当前的轻钢结构研究中,重视轻质钢的耐磨性能变得尤为重要。 本文以Fe-28Mn-7.7Al-1C轻质高锰钢为实验钢,通过不同的热处理工艺调控析出相的尺寸及分布,从而实现纳米级κ-碳化物的析出强化,达到提高实验钢耐磨性能的目的。此外,通过一系列测试手段分析了不同热处理工艺下实验钢的组织性能变化规律,研究了κ-碳化物对材料加工硬化的作用原理,并以耐磨性能较为优异的ZGMn13Mo耐磨钢作为对比材料,对实验钢的耐磨性能进行研究,明确了实验钢的磨损形式与强化机理,为轻量化高锰耐磨钢的应用提供了理论依据,获得的主要结论如下: （1）通过阿基米德原理,计算出实验钢的实际密度约为7.07g/cm3,较纯铁的密度下降了约10.5%,具有显著的减重效果。基于Olson-Cohen热动力学模型研究了层错能的计算程序,计算出实验钢的层错能数值为115m J/m2,高层错能表明其加工硬化机制主要为位错滑移。并利用JMat Pro软件计算了实验钢的平衡相图,从而预测实验钢的组织演变规律,明确了不同热处理温度的相组成与析出特征。 （2）探索出实验钢的最佳热处理工艺:在1000℃固溶处理1h后,再经550℃时效2h。在该工艺下实验钢的显微组织由奥氏体和析出相组成,且析出相的大小、数量、状态达到最好,实验钢展现出最优的综合力学性能。此时,实验钢的抗拉强度为767MPa,屈服强度为535MPa,冲击韧性为113J/cm2,硬度为232HV,断后伸长率为40%,相较于未进行热处理的铸件,其力学性能得到了明显提升,且与固溶处理相比屈服强度提高了33%,硬度提高了13%。 （3）550℃时效态实验钢的冲击韧性断口形貌主要由大面积韧窝区组成,断裂形式为韧性断裂。此外,550℃时效态实验钢的基体有大量纳米级κ-碳化物析出,并均匀分布在晶界内,κ-碳化物不仅可以通过析出机制来强化实验钢的组织性能,而且还能够通过阻碍位错的运动来提高位错滑移所需的驱动力。可以发现在奥氏体基体中的析出相除了白色颗粒状κ-碳化物外,还观察到少量的形貌表现为尖角状的析出物Ti C,对实验钢起到了一定的析出强化作用。 （4）550℃时效态实验钢的亚表面硬化层深度远远大于ZGMn13Mo耐磨钢的硬化层深度,这说明实验钢的变形程度更大,加工硬化能力更强,因此其耐磨性能更加优异,尤其是在0.5J冲击载荷下,其耐磨性较ZGMn13Mo耐磨钢提高了33%。另外,实验钢的表面磨损形貌主要以犁沟与剥落坑为主,其磨损侧面存在呈一定角度弯曲的的滑移线,且冲击力越大,滑移线就越密集,大量高密度的滑移线缠结成团,形成扭折带。扭折带在基体上起到了不断细化晶粒的作用,所以实验钢的强化机制主要为细晶强化,而扭折带的产生与κ-碳化物密切相关,其在晶体中的分布可以对位错运动产生阻碍作用。

关键词： 直接快速迭代滤波分解   刀具磨损识别   支持向量机   黏菌算法  

摘要： 针对传统特征提取的刀具磨损状态识别不能充分表征振动信号磨损特征导致磨损状态识别精度不高的问题，提出了一种直接快速迭代滤波分解方法（Direct fast iterative filtering decomposition,dFIF）结合黏菌优化支持向量机（Slime mould algorithm-Support vector machine,SMA-SVM）的刀具磨损状态识别方法。首先，通过直接快速迭代滤波分解方法（dFIF）对铣刀振动信号进行分解处理；其次，对分解产生的本征模态函数(Intrinsic mode function,IMF)使用加权稀疏峭度指标（Weighted sparseness kurtosis,WSK）进行计算评分，选择评分高的IMF进行降噪重构；最后，利用黏菌优化支持向量机（SMA-SVM）构建分类优化模型，将重构信号特征通过主成分分析（Principal component analysis,PCA）降维后输入优化模型，进行刀具磨损状态的分类识别。实验结果证明，提出的刀具磨损识别率高达99.8%，相比较于对比实验该方法能够快速、准确的识别铣刀的4种磨损状态，有一定的实践意义和研究价值。