昆工李祖来教授团队：计算结合试验探究复合材料界面相揭示磨料磨损性能

摘要：研究了高铬铸铁和铸钢等不同基体下WC钢铁基复合材料的三体磨料磨损性能，通过扫描电镜 (SEM)、电子背散射衍射 (EBSD)和高分辨率透射电镜 (HRTEM)表征了WC钢铁基复合材料的微观结构，并使用三维磨损形貌与表面粗糙度等方式对磨料磨损行为及其内在机理进行

导读

研究了高铬铸铁和铸钢等不同基体下WC钢铁基复合材料的三体磨料磨损性能，通过扫描电镜 (SEM)、电子背散射衍射 (EBSD)和高分辨率透射电镜 (HRTEM)表征了WC钢铁基复合材料的微观结构，并使用三维磨损形貌与表面粗糙度等方式对磨料磨损行为及其内在机理进行了深入探讨，该结果可为设计具有优异耐磨性能的钢铁基复合材料提供指导。

金属基复合材料(MMC)具有高耐磨、耐腐蚀、高硬度、高熔点和良好的韧性等特点,是最有发展前途的材料之一。其中钢铁基复合材料具有良好的力学性能、耐腐蚀性，抗疲劳性优异和低密度等特点。而铸造WC因具有与金属润湿性好以及强度高、硬度高等特点，在复合材料的研究中得到了广泛的应用。

目前，国内外对陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备、组织和磨损性能进行了大量的研究，界面研究仅限于WC/Fe之间的界面，而WC与界面相Fe6W6C之间、基体Fe与界面相Fe6W6C之间的界面结合强度尚未见报道。因此有必要对界面结合进行进一步研究。

近日，昆明理工大学的李祖来教授团队基于第一性原理分析了Fe/ Fe6W6C的界面性质，探讨了界面的结构，键合特征，分波态密度及电荷密度的影响，旨在为提高WC-Fe金属基复合材料的界面强度和稳定性提供重要指导。相关工作以题为“Research on the characteristics of interface-phase Fe6W6C and abrasive-wear performance of WC/Fe matrix surface composite materials”发表于期刊《International Journal of Refractory Metals and Hard Materials》。

昆明理工大学李祖来教授课题组的硕士研究生石一凡是论文的第一作者，张飞讲师和李祖来教授是本论文的共同通讯作者。此工作在昆明理工大学山泉教授、韦贺副教授、吴迪博士和硕士研究生彭慕兰、杨智祥、杨林的帮助下完成。

结果表明，高铬铸铁试样的复合区主要由α-Fe、WC、W2C、Fe6W6C和Cr7C3组成。Fe-Fe6W6C界面呈现出良好的冶金结合两者之间的界面角约为7°，表明Fe（110）BCC和Fe6W6C（111）FCC之间存在近似平行关系，Fe基体与Fe6W6C之间形成了半共格界面，它们之间的取向关系可以表示为Fe（110）BCC //Fe6W6C（111）FCC 符合N-W（Nishiyama-Wassermann）取向关系。界面处W-W键平均分布数最多为0.53键合强度最高，平均键长为2.83 Å。

Fig. 1. Atomic structure diagram (a) α-Fe (b) Fe6W6C (c) Fe6W6C/Fe interfaces

Fig. 2. Different WC steel matrix composites SEM, EDS image. (a) HMS, (b) HCCI, (c)HCS.

Fig. 3. SEM and EDS images of incompletely melted WC particles in HCCI samples

Fig. 4. EBSD image of high chromium cast iron sample. (a) HCCI sample phase composition distribution diagram, (b) HCCI sample IPF diagram, (c) HCCI sample KAM diagram, (d) HCCI sample grain size distribution, (e) Fe6W6C phase pole figure, (f) Fe phase pole figure.

在三体磨料磨损条件下，高铬铸铁试样的平均磨损失重量最小为0.0753 g，磨损失重量相较于高锰钢、高碳钢试样分别降低了32.90 %和17.76 %，耐磨性提升了24.09%和15.59%，同时表面粗糙度最低为3.33667μm。高铬铸铁试样复合区的耐磨性在三类试样中最高。

Fig.5. TEM morphology of WC steel matrix composite materials in the composite region with HCCI matrix. (a)(b)(c) HRTEM image of HCCI composite zone, (c)(e) IFFT images of Fe and Fe6W6C. (d)(f) the selected area electron diffraction (SAED) of area Fe and Fe6W6C.

Fig.6. TEM morphology of another Fe/Fe6W6C interface. (a)(b) HRTEM image of HCCI composite zone, (c)(d) IFFT images of Fe and Fe6W6C.

Fig.7. Crystal structure diagram of (a) Fe (b) Fe6W6C, (c) PDOS of Fe (110)- Fe6W6C (111) interface

Fig.8. Electronic density of Fe (110)- Fe6W6C (111)

高锰钢试样的磨损形式主要是多次塑性变形导致断裂。高碳钢试样的磨损形式主要是微切削-疲劳磨损。而在高铬铸铁试样中微切削-塑性变形是主要磨损形式，由于基体与复合区的较高硬度，未完全熔解的WC颗粒以及Fe6W6C与Fe之间形成了结合良好的冶金界面所带来的耐磨性的提升，使得SiO2磨料颗粒很难在复合材料表面形成深层的压痕和划痕，只能滚动和磨削试样表面的浅层。

Fig. 10. Microhardness of composite zone and matrix in different WC steel matrix composites.

Fig. 11 Wear resistance of WC steel matrix composite materials under three-body abrasive wear. (a) Average weight loss of WC steel matrix composite materials with different matrix; (b) Average wear rate of WC steel matrix composite materials with different matrix.

Fig. 12. Wear surface morphology of WC steel matrix composite. (a)(b) HMS, (c)(d) HCCI, (e)(f) HCS.

Fig.13.3D laser color micrographs of the wear surface and average surface roughness of the worn surface. (a)HMS (b)HCCI (c)HCS, (d) average surface roughness