Microstructure and Mechanical Properties of TiC Nanoparticle-Reinforced Iron-Matrix Composites

Abstract

Uniformly distributed TiC nanoparticle-reinforced iron-based composites were successfully fabricated by planetary milling in argon and subsequent hot pressing procedures. Nearly full density composite specimens could be obtained via 6-hour milling and hot pressing at 1100° C under 50 MPa. Spherical TiC particles and fine fibrous Fe₃C phases were observed to form the iron-matrix composites and subjected to comparative analysis. Microstructural analysis results show that theaverage diameter of TiC particles and the length of Fe₃C phases tend to decrease with an increase in a TiC volume content. The compression yield strength of hot-pressed composites increased in proportion to the TiC content, resulting in 1.3 GPa for 7.5% TiC. The relationship between the microstructural characteristics and the yield strength of TiC-reinforced composites was also investigated. Based on the Orowan strengthening mechanism, a higher strength is observed for a high TiC content, mainly due to reduced distance between reinforcing TiC nanoparticles.

Композитные материалы на основе железа, армированные равномерно распространенными наночастицами TiC, получены с помощью планетарного фрезерования в аргоне и последующего горячего прессования. Путем измельчения в течение 6 часов и горячего прессования материала при температуре 1100° C и давлении 50 MПa оказалось возможным получить образцы композитных материалов с почти максимальной плотностью. Исследованы сферические частицы TiC и волокнистые мелкодисперсные Fe₃C фазы, которые образуют матрицу композитного материала на основе железа. Микроструктурный анализ показал, что усредненный диаметр частиц TiC и длина Fe₃C фаз уменьшаются с увеличением объемного содержания частиц TiC. Значение предела текучести при сжатии композитных материалов, полученных горячим прессованием, увеличивается пропорционально содержанию частиц TiC: 1,3 ГПа для 7,5% TiC. Исследована взаимосвязь между микроструктурными характеристиками и пределом текучести композитных материалов, армированных частицами TiC. На основе механизма упрочнения Орована можно предположить, что более высокое значение прочности имеет место при большем содержании частиц TiC, в основном вследствие сокращения расстояния между армирующими наночастицами TiC.

Композитні матеріали на основі заліза, армовані рівномірно розповсюдженими нано-частинками ТіС, отримано за допомогою планетарного фрезерування в аргоні і подальшого гарячого пресування. Шляхом подрібнення протягом 6 годин і гарячого пресування матеріалу за температури 1100° C і тиску 50 МПа можна отримати зразки композитних матеріалів із майже максимальною щільністю. Досліджено сферичні частинки ТіС і волокнисті дрібнодисперсні Fe₃C фази, які сприяють виникненню матриці композитного матеріалу на основі заліза. Мікроструктурний аналіз показав, що усереднений діаметр частинок ТіС і довжина Fe₃C фаз зменшуються зі збільшенням об’ємного вмісту частинок ТіС. Значення границі текучості при стисканні композитних матеріалів, отриманих гарячим пресуванням, збільшується пропорційно вмісту ТіС частинок: 1,3 ГПа для 7,5% ТіС. Досліджено взаємозв’язок між мікроструктурними характеристиками і границею текучості композитних матеріалів, армованих частинками ТіС. На основі механізму зміцнення Орована можна припустити, що більш високі значення міцності відмічаються за більшого вмісту частинок ТіС, в основному внаслідок скорочення відстані між армуючими наночастинками ТіС.