【摘 要】
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本文选用高纯铬板和灰口铸铁为原材料,采用“铸造-热处理”相结合的工艺,原位反应制备出（Fe,Cr）7C3/Fe表面梯度复合材料。应用XRD、SEM、TEM、EDS等检测技术对（Fe,Cr）7C3/Fe表面梯度复合材料的反应过程、显微组织及物相组成进行了研究,并结合经典动力学理论分析讨论了 Fe-Cr-C体系的原位反应机理。采用纳米压痕法对（Fe,Cr）7C3致密陶瓷层的硬度和弹性模量进行了表征,并
【基金项目】
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国家高技术研究发展（863 计划,No.2013AA031803）； 国家国际科技合作专项（No. 2014DFR50630）； 国家自然科学基金（No.51374169）；
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本文选用高纯铬板和灰口铸铁为原材料,采用“铸造-热处理”相结合的工艺,原位反应制备出（Fe,Cr）7C3/Fe表面梯度复合材料。应用XRD、SEM、TEM、EDS等检测技术对（Fe,Cr）7C3/Fe表面梯度复合材料的反应过程、显微组织及物相组成进行了研究,并结合经典动力学理论分析讨论了 Fe-Cr-C体系的原位反应机理。采用纳米压痕法对（Fe,Cr）7C3致密陶瓷层的硬度和弹性模量进行了表征,并结合载荷-压深曲线讨论了（Fe,Cr）7C3致密陶瓷层表面硬度和弹性模量之间的关系;利用自动划痕仪研究了（Fe,Cr）7C3致密陶瓷层与颗粒分散层的结合性能,确定临界载荷Lc,通过对划痕形貌的观察,分析（Fe,Cr）7C3/Fe表面梯度复合材料致密陶瓷层的弹塑性变形机制和失效机理。主要研究内容有:（1）以铬板和灰铸铁为原料,在1400℃下浇铸复合,并在1000℃下保温热处理反应,可制备出（Fe,Cr）7C3/Fe表面梯度复合材料。复合材料中（Fe,Cr）7C3陶瓷颗粒从材料表面向灰铁基体呈梯度减少分布,且（Fe,Cr）7C3粒径逐渐增大,依据其特征组织形貌可将材料的复合区分为（Fe,Cr）7C3致密陶瓷层、颗粒分散层和石墨贫乏区。致密陶瓷层与基体结合良好,无界面效应且反应界面干净、无污染,体现了原位反应的优势。（2）根据固-固原位反应过程中（Fe,Cr）7C3/Fe表面梯度复合材料的显微组织随保温时间的变化,研究Fe-Cr-C三元体系的固-固扩散反应过程及各反应区的形成机理。通过对Fe-Cr-C三元体系固-固扩散反应的动力学进行分析,得出不同反应层的生长速率常数和生长激活能,并最终推导出反应层厚度与保温温度和保温时间的关系式。（3）纳米压痕法测得（Fe,Cr）7C3致密层的最佳压入载荷范围为100～300mN,其硬度达到了 7.9GPa,弹性模量为240.7GPa。随压入载荷增大,其硬度和弹性模量呈现先减小再增大的趋势。（4）结合声发射曲线和（Fe,Cr）7C3致密陶瓷层划痕形貌,得到划痕过程中裂纹的三个变化过程:微裂纹产生-裂纹桥联-破碎剥落。综合评定了（Fe,Cr）7C3致密陶瓷层的结合性能,通过对（Fe,Cr）7C3致密陶瓷层的单行程划痕失效机理进行分析,认为（Fe,Cr）7C3致密陶瓷层的主要失效形式为陶瓷层的断裂和剥落。
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