摘要
碳化物增强钢基复合材料因具有高的强度和硬度，在矿山、电力与冶金等领域应用前景广阔。为提高复合材料的强度，增加碳化物体积分数是最常用的一种方法，但随着体积分数的增加强度不断上升，塑/韧性却急剧下降，强度与韧性呈现出一种倒置关系，改善这种强韧倒置关系具有重要意义。本文采用热压烧结工艺制备了碳化钛增强钢基层状复合材料，采用XRD、SEM、EBSD、硬度计和万能试验机等设备，探究了钢基层状复合材料的相组成、微观组织及复合材料的力学性能。主要的结论有： （1）复合材料的高强度层（复合层）与高韧性层（钢基体层）、增强体颗粒与基体之间实现冶金结合，界面结合较好无缺陷，高强度层内组织分布均匀，可观察到明显的层状特征结构，复合材料的主要物相为α-Fe、Fe3C和TiC。层内引入碳化钛颗粒，其晶粒尺寸呈现出梯度演变，颗粒最外层的晶粒细小为亚微米级别，越往颗粒芯部晶粒尺寸越大，为微米级别。 （2）采用Q235钢、45钢和T10钢为钢基层状复合材料的韧性层，复合层的体积分数(20%)、尺寸(30-50 微米)与厚度(1 mm)均保持不变，探究复合材料的强韧匹配性。当钢层为 45 钢，厚度为 1 mm 时，复合材料的综合性能达到最佳。平行方向上，三层复合最大抗弯强度约为 1902.1 MPa，最大挠度约为 4.4 mm；五层复合最大抗弯强度约为 1629.5 MPa，最大挠度约为 4.7 mm。随后探究了钢层厚度不同（0.4 mm、0.7 mm 和 1 mm）对复合材料力学性能的影响。实验结果表明，当钢层厚度为 1 mm 时，层厚比最佳，力学性能最优。层状复合材料力学性能表现为平行方向的力学性能优于垂直方向的力学性能，这充分展现出了层状结构的优势，与原始钢相比较，复合层的引入有助于改善整体材料的强度。 （3）当增强体颗粒尺寸不同（0.15-0.20 μm、3-9 μm 和 30-50 μm），其他参量保持不变，探究增强体尺寸对复合材料的力学性能的影响。实验结果表明，当增强体颗粒尺度为3-9 μm 时复合材料力学性能最佳，平行方向上，五层最大抗弯强度为 1570.0 MPa，最大挠度为3.9 mm。随后通过调控增强体体积分数，探究了体积分数分别为 20%、30%和 40%时钢基层状复合材料力学性能，体积分数为 30%，复合材料的力学性能最佳，平行方向上，最大抗弯强度为1678.2 MPa，最大挠度为 3.4 mm。最后探究了复合层与钢基体层之间的界面强度，最大界面结合强度为 201.7 MPa。复合材料的强化机制有异质结构效应、载荷传递强化与位错强化。韧化机制为层间裂纹、裂纹偏转、裂纹钝化和裂纹桥接效应。
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