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随着交通运输、航空航天、电子通讯等领域的快速发展,对功能、结构材料的综合性能提出了更高的要求,金属基复合材料由于具有高的比强度、比模量、热稳定性等优异性能而成为材料领域的重要研究方向。目前,国内外大量对纳米／亚微米尺寸陶瓷颗粒增强Al和Mg基复合材料的研究结果表明,陶瓷颗粒尺寸的减小可以显著提高复合材料综合力学性能。当前对于内生纳米／亚微米尺寸陶瓷颗粒增强Fe基复合材料研究的报道还相对较少。这是因为Fe的熔点高、密度大,如果采用传统熔炼铸造法制备,纳米/亚微米尺寸陶瓷颗粒以外加法加入,由于Fe合金熔体和陶瓷之间的密度差大,导致陶瓷颗粒增强体上浮,偏聚严重。再者因为熔体温度较高,熔体内生成的陶瓷颗粒尺寸较大。采用燃烧合成原位内生法制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料,不仅可以制备尺寸细小、分布较均匀的陶瓷颗粒,且基体和陶瓷的界面结合良好,增强效果显著。因此,本论文研究采用燃烧合成原位内生法制备纳米／亚微米颗粒增强铁基复合材料将具有重要的研究意义和实际应用价值。本文以Fe-Ti-C体系为研究对象,采用燃烧合成+热压-反应合成+成型一体化制备方法,成功制备了TiC/Fe基复合材料。研究了不同陶瓷含量、不同碳源、不同C/Ti摩尔比及合金元素Cr、Mo和Ni对复合材料微观组织、TiC陶瓷颗粒尺寸、形貌及压缩性能的影响规律及作用机制。主要研究结果如下：(1)揭示出使用不同碳源(炭黑、CNTs)对不同陶瓷含量的TiC/Fe复合材料微观组织及陶瓷颗粒尺寸的影响规律。使用炭黑作为碳源时,基体组织主要是层片状的珠光体：而使用CNTs作为碳源时,基体组织主要是Fe基体,反应生成的TiC颗粒尺寸较小。和碳源炭黑相比,CNTs尺寸较小,活性较高,与Fe-Ti液相进行反应时溶解速度较快、接触面积较大,CNTs的C原子更易扩散到Fe-Ti熔体中,反应体系反应温度更低,同时Ti和C原子之间反应的更充分,所以生成的TiC数量增多,尺寸更小。10vol.%TiC/Fe复合材料中,TiC颗粒的平均尺寸为133nm。(2)揭示出使用不同碳源(炭黑、CNTs)对TiC/Fe复合材料力学性能的影响规律及作用机制。使用炭黑、CNTs作为碳源制备出的复合材料压缩强度和显微硬度都随着陶瓷含量的增加呈先升高后降低的趋势。炭黑作为碳源时,压缩强度和显微硬度要高于CNTs作为碳源,都在TiC含量为30vo1.%时取得最大压缩强度,分别是2203MPa(炭黑为碳源)、1768MPa (CNTs为碳源),相差435MPa；其差异原因为：炭黑作为碳源时基体组织是层片状珠光体基体,而CNTs作为碳源基体组织是Fe基体,在进行塑性变形时,层片状的珠光体因为有Fe3C相的存在及层片状的微观组织能很好地限制位错滑移,使塑性变形抗力增加,从而使制备出的复合材料的强度、硬度较高。(3)揭示了C/Ti摩尔比对30vol.%TiCx/Fe复合材料组织及压缩性能的影响规律及作用机制。随着C/Ti摩尔比的增加,基体组织由Fe基体向珠光体基体转变；陶瓷颗粒尺寸变化不大。当C/Ti摩尔比小于1.0时,随着C/Ti摩尔比的增大,陶瓷颗粒形貌主要由多面体向近球形转变；当C/Ti摩尔比大于1.0时,球度有所下降。随着C/Ti摩尔比的增加,TiCx/Fe复合材料的σ0.2、σUCS和εf先升高后降低,优化出在C/Ti摩尔比是1.0时压缩性能最好。此时球状TiCx颗粒在基体中分散性较好,较均匀的分散在层片状珠光体基体中,而且球状TiCx颗粒能显著地减小应力集中。其σ0.2、σUCS和εf分别为1525MPa、2203MPa和5.5%,显微硬度为691.5HV。(4)发现使用TiFe粉代替单质Ti粉,随着陶瓷含量的增加,反应放热量增加,增大了TiC/Fe复合材料的TiC颗粒尺寸.在同等体积分数下,比使用单质Ti粉制备生成的TiC颗粒尺寸略大,表面更圆滑。随着陶瓷含量增加,材料的压缩强度逐渐增大,30vol.%TiC/Fe复合材料的σ0.2、σUCS和εf达到最佳,其σ0.2、σUCS和εf分别为1484MPa、2102MPa和6.03%,显微硬度为672.7HV。与使用单质Ti粉相比,使用TiFe粉制备的TiC/Fe复合材料强度、硬度略低,原因是：使用TiFe粉制备的复合材料基体主要是Fe基体,其抵抗塑性变形的能力不如层片状珠光体基体,所以使其强度略低于使用单质Ti粉的复合材料。(5)揭示出合金元素Cr、Mo和Ni(0、1、2、4wt.%)添加对30vol.%TiC/Fe复合材料组织及力学性能的影响规律及作用机制。i)发现Cr、Mo和Ni的加入,能显著细化30vol.%TiC/Fe复合材料中陶瓷颗粒。因为合金元素熔点较高,加入到反应体系中作为稀释剂降低反应体系温度,从而减小陶瓷颗粒的尺寸。其细化效果为:Cr>Ni>Mo。ii)发现Cr、Mo和Ni的加入,能显著提高复合材料的压缩强度和显微硬度,降低压缩应变。与Mo元素相比,合金元素Cr和Ni对复合材料强度的提高最为明显。添加4wt.%Cr时,复合材料的力学性能较好,其屈服强度、最大压缩强度和显微硬度分别为1946MPa、2652MPa和845.6HV,比没有添加Cr的30vol.%TiC/Fe复合材料分别提高了462MPa、550MPa和172.9HV；添加2wt.%Ni时的材料综合性能最好,屈服强度、最大压缩强度和显微硬度分别为2032MPa、2815MPa和889.2HV,比没有添加Ni的30vol.%TiC/Fe复合材料提高了548MPa、713MPa和216.5HV。iii)揭示出Cr、Mo和Ni的添加对30vol.%TiC/Fe复合材料力学性能的影响机制：第一,合金元素的加入能够细化陶瓷颗粒尺寸,而陶瓷颗粒的细化对复合材料压缩强度和硬度的提高有利；第二,合金元素的加入会改善Fe基体和陶瓷颗粒间的润湿性,提高界面结合强度；第三,合金元素加入后会固溶到基体中产生固溶强化作用,进一步提高复合材料强度、硬度。本论文为纳米/亚微米尺寸陶瓷颗粒增强铁基复合材料的制备提供了新途径,也为优化铁基复合材料性能研究及应用奠定一定的实验基础和依据。