（材料加工工程专业论文）热压加工对几种块体纳米晶fe3al基合金组织和性能的影响研究.pdf

硕士学位论文 摘要 本论文综述了f e - a 1 系金属间化合物、纳米晶材料的力学性能、研究进展、 存在的问题及铝热反应熔化法制备的块体纳米晶f e 3 a 1 材料；通过实验研究了不 同热压加工温度、次数、压力分别对含1 0w t m n 、1 0w t c r 、1 0w t n i 的块体纳米晶f e 3 a 1 材料的组织和力学性能的影响等，总结了各热压加工工艺参 数对块体纳米晶f e 3 a l 基合金纳米结构及塑性变形性能的影响规律，探索了通过 热加工增大纳米晶材料尺寸的可能性。概括起来可归纳为以下几条： 1 含不同合金元素的块体纳米晶f e 3 a 1 材料在热压加工中表现出不同的塑性变 形能力，并随着热压加工温度的升高，材料的塑性变形能力逐渐增强；不同合金 元素的块体纳米晶f e 3 a l 材料塑性变形能力存在差异，含l ow t m n 的块体纳 米晶f e 3 a l 材料在6 0 0 、8 0 0 、1 0 0 0 都表现出良好的塑性变形；含1 0w t c r 的块体纳米晶f e 3 a 1 材料热压加工时只在6 0 0 表现出较好的塑性变形，在8 0 0 、1 0 0 0 。c 热压加工时材料表现为脆性断裂；含1 0w t n i 的块体纳米晶f e 3 a l 材料热压加工时在8 0 0 和1 0 0 0 表现出较好的塑性变形，在6 0 0 热压加工时 材料表现为脆性断裂。 2 热压加工前后含1 0w t m n 和1 0w t c r 的块体纳米晶f e 3 a l 材料主要 由无序b c c 结构f e 3 a 1 相组成，晶体结构没有发生变化，含1 0w t n i 块体纳 米晶f e n l 材料由热压加工前的无序b c c 结构转变为热压加工的d 0 3 有序结构。 3 随着热压加工温度升高含不同合金元素的f e 。a 1 材料纳米晶粒尺寸增大， 热压加工后含l ow t m n 和1 0w t c r 的f e a l 材料硬度增加，含1 0w t n i 的f e n l 材料硬度减小。含1 0w t m n 的f e 4 l 材料晶粒尺寸和硬度 表现为反常的h a l l - p e t c h 关系。 4 随着热压加工次数的增加，含不同合金元素的块体纳米晶f e a l 材料塑性 变形能力均逐渐增强，含1 0w t m n 的f e a l 材料晶粒尺寸减小，硬度减 小，含1 0w t c r 和l ow t n i 的f e 。a 1 材料晶粒尺寸增大，硬度变化 不显著，含l ow t m n 的f e 。a l 材料晶粒尺寸和硬度表现为反常的 h a l l - p e t c h 关系。 5 不同压力下的热压加工中，含1 0w t m n 和1 0w t c r 的块体纳米晶 f e 3 舢材料均表现出较好的塑性变形，并随着热压压力的增加，塑性变形能 力逐渐增强，材料的晶粒尺寸和硬度随热压加工压力的增大变化不显著。 6 热压加工后含不同合金元素的块体纳米晶f e 3 a l 材料几何尺寸都得到了增大。 关键词：热压加工；铝热反应；块体纳米晶f e 3 a i ；晶粒尺寸；硬度；压缩率 热压加t 对几种块体纳米品f e 。a 1 基合金组织和性能的影响研究 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h er e c e n t d e v e l o p m e n to f f e - a 1i n t e r m e t a l l i c s b u l k n a n o c r y s t a l l j n ef e 捌m a t e r i a l sm a d eb ya l u m i n o t h e r m i cr e a c t i o nw e r er e v i e w e d e f f e c to ft h e h o tp r e s s i n gt e m p e r a t u r e s ，t i m e sa n dp r e s s u r e so nt h em i c r o s t r u c t u r e a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fb u l kn a n o c r y s t a l l i n ef e 3 a 1w i t h1 0w t m n ，1 0w t c ra n d10w t n ie l e m e n t sa r es t u d i e d t h er u l e so fh o tp r e s s i n gp a r a m e t e r s o nn a n o s t r u c t u r ea n dp l a s t i cd e f o r m a t i o no ft h eb u l kn a n o c r y s t a l l i n ef e 3 a i m a t e r i a l sw e r es u m m e du p t h ep o s s i b i l i t yo fs i z ei n c r e a s eo fn a n o s t r u c t u r e m a t e r i a l sb yh o tp r e s s i n gw a se x p l o r e d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r eg i v e ni nt h e f o l l o w i n g 1 b u l kn a n o c r y s t a l l i n ef e 3 a 1m a t e r i a l sc o n t a i n i n gd i f f e r e n te l e m e n t ss h o w d i f f e r e n tp l a s t i cd e f o r m a t i o ni nh o tp r e s s i n g t h ep l a s t i cd e f o r m a t i o no f m a t e r i a l sw e r ei n c r e a s e dw i t hh o tp r e s s i n gt e m p e r a t u r er i s i n g t h eb u l k n a n o c r y s t a l l i n ef e 3 a ! m a t e r i a l sw i t h1 0w t m nh a v eab e t t e rp l a s t i c i t ya t 6 0 0 c ，8 0 0 。c a n d1 0 0 0 。c b u tt h eb u l kn a n o c r y s t a l l i n ef e 3 a 1m a t e r i a l sw i t h1 0 w t c rh a v eag o o dp l a s t i c i t yo n l ya t6 0 0 ca n de x h i b i t e db r i t t l ef r a c t u r ea t 8 0 0 。ca n d1 0 0 0 。c t h eb u l kn a n o c r y s t a l l i n ef e 3 a im a t e r i a l sw i t h l 0w t n i h a sag o o dp l a s t i c i t ya t8 0 0 。ca n d1 0 0 0 ca n ds h o w sb r i t t l ef r a c t u r ea t6 0 0 c 2 b u l kn a n o c r y s t a l l i n ef e 3 a 1m a t e r i a l sw i t h1 0w t m na n d1 0w t c r m a i n l yc o n s i s to ff e 3 a 1p h a s e sw i t hd i s o r d e rb c cc r y s t a ls t r u c t u r eb e f o r ea n d a f t e rh o tp r e s s i n g b u tt h eb u l kn a n o c r y s t a l l i n ef e 3 a 1m a t e r i a l sw i t h l 0w t n im a i n l yc o n s i s to ff e 3 a ip h a s e sw i t hd i s o r d e rb c cc r y s t a ls t r u c t u r eb e f o r e h o tp r e s s i n ga n dc h a n g e dt oo r d e r e dd 0 3c r y s t a ls t r u c t u r ea f t e rh o tp r e s s i n g 3 g r a i ns i z e so fb u l kn a n o c r y s t a l l i n ef e 3 a lm a t e r i a l sw i t hd i f f e r e n te l e m e n t s w e r ei n c r e a s e dw i t hh o tp r e s s i n gt e m p e r a t u r e si n c r e a s i n g t h eh a r d n e s so f b u l kn a n o c r y s t a l l i n ef e 3 越m a t e r i a l sw i t h1 0w t m na n d1 0w t c rw e r e i n c r e a s e da f t e rh o tp r e s s i n g ，t h eh a r d n e s so ff e 3 a 1m a t e r i a l sw i t h1 0w t n i w a sd e c r e a s e da f t e rh o tp r e s s i n g r e l a t i o n s h i po ft h eh a r d n e s so ft h e n a n o c r y s t a l l i n ef e 3 砧m a t e r i a l sw i t h10w t m nw i t hg r a i ns i z ea f t e rh o t p r e s s i n gi sc o n t r a r yt ot h eh a l l - p e t c hr e l a t i o n 4 p l a s t i cd e f o r m a t i o no fb u l kn a n o c r y s t a l l i n ef e 3 a lm a t e r i a l sw i t hd i f f e r e n t e l e m e n t sw e r ei n c r e a s e dw i t hh o tp r e s s i n gt i m e si n c r e a s i n g g r a i ns i z e sa n d i i 硕十学位论文 5 6 h a r d n e s so fb u l kn a n o c r y s t a l l i n ef e 3 a 1m a t e r i a l sw i t h1 0v e t m nw e r e d e c r e a s e dw i t hh o t p r e s s i n g t i m e s i n c r e a s i n g g r a i ns i z e so fb u l k n a n o c r y s t a l l i n ef e 3 a 1m a t e r i a l sw i t h1 0w t c ra n d1 0w t n iw e e i n c r e a s e dw i t hh o t p r e s s i n g t i m es i n c r e a s i n g ，b u tt h eh a r d n e s si s c h a n g e l e s s n e s s r e l a t i o n s h i po ft h eh a r d n e s so ft hen a n o c r y s t a l l i n ef e 3 a 1 m a t e r i a l sw i t h1 0wt m nw i t hg r a i ns i z ea f t e rh o tp r e s s i n gi sc o n t r a r yt ot h e h a l l - p e t c hr e l a t i o n 1 3u lk n a n o c r y s t a l l i n ef e 3 a im a t e r i a l sw i t h10w t m na n d10w t c rh a v e ag o o dp l a s t i c i t ya td i f f e r e n th o tp r e s s i n gp r e s s u r e s p l a s t i cd e f o r m a t i o no f b u l k n a n o c r y s t a l l i n ef e 3 a 1m a t e r i a l sw a si n c r e a s e dw i t hh o t p r e s s i n g p r e s s u r e si n c r e a s i n g t h eg ra i ns i z e sa n dh a r d n e s sc h a n g e sa r el i t t l ew i t hho t p r e s s i n gp r e s s u r e si n c r e a s i n g g e o m e t r y o f b u l k n a n o c r y s t a l l i n ef e 3 m a t e r i a l sc o n t a i n i n gd i f f e , r e n t e l e m e n t sa f t e rh o tp r e s s i n gc a nb ei n c r e a s e d k e yw o r d s ：h o tp r e s s i n g ；a l u m i n o t h e r m i cr e a c t i o n ；b u l kn a n o c r y s t a l l i n ef e 3 a 1 m a t e r i a l s ；g r a i ns i z e ；h a r d n e s s ；c o m p r e s s i b i l i t y i i i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：分孔i 爹 日期：汐，睥莎月7 日 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 鬣彩黧纂嬲蓦 咤吵1 两 硕士学位论文 第1 章绪论 材料的发展是人类文明和进步的标志，它和人们的生活密切相关，现代高技术 的发展，紧密依赖于材料的发展。材料的研究和开发正从宏观走向微观；从定性、 半定量走向定量；从传统材料转向复合材料、功能材料、智能材料和低微材料等。 金属间化合物是一类介于金属与陶瓷之间的新型材料，由于其具有许多独特的性能， 正得到日益广泛的研究和开发。 新材料是指那些新出现或已在发展中的、具有传统材料所不具备的优异性能和 特殊性能的材料，其应用范围非常广泛，发展前景也十分广阔。当前，新材料产业 已渗透到国民经济、国防建设和人民生活的各个领域，其在发展高技术中的先导和 基础作用也愈来愈突出。新材料已成为当代高技术的重要组成部分，加速发展高技 术新材料及其产业化、商品化是国际高技术激烈竞争夺取制高点的重要目标。一种 新材料的突破，无不孕育着一项新技术的诞生，甚至导致一个领域的技术革命。 f e 一金属间化合物材料作为一种新型材料，其应用范围非常广泛，发展前景也 十分广阔，由于具有传统材料所不具备的优异性能和特殊性能，f e 金属间化合物 材料越来越多的应用于各个工业部门。如，利用其良好的耐高温、抗腐蚀性能，成 为航空、航天、交通运输、化工、机械等许多工业部门的重要结构材料。 块体纳米材料是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶材 料，由于具有一系列优异的性能，将可能被广泛的应用于医药、家电、电子、纺织、 机械等工业领域。 由于以上特点，现对f e a l 系金属间化合物及块体纳米晶材料的研究现状及存 在的问题；合金元素和热加工对块体纳米晶f e 3 舢材料性能的影响、研究进展等进 行综述。 1 1f e - al 系金属间化合物 金属间化合物是指金属与金属、金属与准金属形成的化合物。通常构成化合物 的原子有序地排列在两个或两个以上亚点阵中，构成一个超点阵【卜4 1 。两个组元的原 子各占据点阵中的固定点，最大程度地形成异类原子之间的结合【3 】。原子之间的键 合不再仅仅是金属键，而且也包括共价键。共价键的出现，使得原子间的结合力增 强，化学键趋于稳定，具有高熔点、高硬度的特性【5 1 。由两个组元a 和b 组成的金 属间化合物一般具有a b 、a 2 b 和a 3 b 类型，还有a 5 8 2 以及a 7 8 6 等类型。除了两 个组元外，还有三个或三个以上的组元组成的金属间化合物。人们已经对理化性能 热压加1 = 对几种块体纳米晶f e 。a l 基合金组织和性能的影响研究 进行了测量的金属间化合物有4 0 0 0 多种【】。 然而，金属问化合物的室温脆性妨碍了它的应用【。直到八十年代初，金属间 化合物韧化研究取得两大突破性进展：一是日本材料科学研究所的和泉修等在脆性 的多晶n i 3 舢中加入0 0 2 0 0 5w t b ，使材料韧化，室温拉伸延伸率从近于0 提 高到4 0 5 0 ；二是美国橡树岭国家实验室( o a kr i d g e n a t i o n a l l a b o r a t o r y o r n l ) 的刘发现了无塑性的六方d o l 9 结构的c 0 3 v 中，用n i 、f e 代替 部分c o ，可使其转变成面心立方的l 1 2 结构，脆性材料变成具有良好塑性的材料【6 9 j 。 这些进展使人们看到了金属间化合物高温结构材料的希望和前景，在世界范围内掀 起一个研究热潮【钾】。目前作为高温结构材料的有序金属间化合物，国内外重点研究 并取得重大进展的主要为n i 砧、t i 舢以及f e 舢三个体系的a 3 b 和a b 型铝化物 【1 0 】 o 1 1 1f e - ai 系金属间化合物 由于世界各国的高速工业化，不锈钢的用量日益增加，而不锈钢中含量较高的 n i 、c r 元素又很难回收，将面临枯竭的危险。因此，研究和开发低能源和低资源消 耗可替代不锈钢的材料具有重要的战略意义【1 1 1 2 1 。 f e 舢系金属间化合物是近年来研制发展而成的一类不含战略元素n i 和c r 的新 型耐蚀材料。这类合金具有低廉的成本，较低的密度，好的耐磨性，优异的抗氧化 性，因而被认为是一种具有重要应用前景的结构材料【1 1 。f e 础系金属间化合物包括 f e 3 舢，f e a l ，f e a l 2 ，f e 2 a 1 5 和f e 3 等。 p 蚕 啪 帆。二 _ 冈： w 、羹 岱笼、 ，。糕圳 ( m 0 - - 帕( 原子) 图1 1f e - a 1 系二元合金相图 2 硕十学位论文 图1 2d 0 。、b 。有序结构单胞 图1 1 为f e 系二元合金相图【1 3 1 。在铝含量为2 5 3 5a t 时，室温下稳定的 f e 舢系金属间化合物具有d 0 3 有序结构，空间群为f m 3 m 。当量成分f e 斜( 2 5a t ) 点阵常数为0 5 7 8 0a m 。随着温度和铝成分的变化，该结构会以二级相变的方式向部 分有序的b 2 结构及无序的a 结构转变。对于当量成分的二元f e 3 a l 金属间化合物， d 0 3 b 2 转变温度约为5 0 0 ，b 2 a 有序转变温度约为9 5 0 。c 。室温下，舢含量为 3 6 5 5 0a t 时，构成b 2 有序结构的二元f e a i 金属间化合物，空间群为p m 3 m 1 4 j 8 1 。 点阵常数随铝含量及热处理工艺发生变化。图1 2 给出了d 0 3 及b 2 有序结构的单胞 【1 9 】，此结构可看作由八个体心立方亚点阵组成，其体心位置有x 和y 两种位置， 砧原子只占据x 体心位置，y 体心位置和各顶角位置都由f e 原子所占据，就为d 0 3 超点阵。x 和y 体心位置都为削原子所占据，各项角位置由f e 原子所占据，就为 b 2 结构。 目前对f e 舢系金属间化合物的研究主要集中在f e 3 a l 和f e a l 。f e 3 趟与f e a l 相比，f e 3 在室温下具有更好的韧性，高温下更高的强度，而f e a i 具有更低的密 度，更好的高温抗氧化和抗腐蚀性，室温下更高的强度，具有更高的电阻可作为加 热元件。 1 1 2f e - ai 系金属间化合物的性能 1 1 2 1 力学性能 ( 1 ) 室温力学性能 高强度低塑性是金属间化合物的特性。f e 3 灿和f e a d 在真空条件下，其室温延 伸率分别为1 2 8 和5 4 ，在空气中只有4 1 和2 2 ，表现出明显的低温脆性，严 重地阻碍了此类合金的实用化进程。研究表明，f e - a j 系合金通过 1 1 0 滑移变 3 热压加工对几种块体纳米晶f e 。a l 基合金组织和性能的影响研究 形，有五个以上独立的滑移系，本应该有较好的低温塑性。然而，室温下，f e 3 和f e a l 的塑性均较低，并发生脆性断裂。近来的研究表明，f e 系金属间化合物 在室温下低的延伸率和断裂韧性的主要原因是：( 1 ) 环境氢脆；( 2 ) 弱的晶界强度； ( 3 ) 空位强化引起的脆性。f e 瑚金属间化合物在室温下较低的延伸率与环境脆性 ( 氢脆) 有关，f e 3 的室温塑性低的原因是由于空气中的水汽与f e 瑚中的发 生表面反应生成原子h + i j i 起氢脆所致，即2 a 1 + 3 h 2 0 一a 1 2 0 a + 6 h + + 6 e 反应生成的原子 h + 活性好，在受力状态下沿晶界迅速渗入金属内部，促进裂纹尖端位错不断的发射、 增殖和运动。当达到临界状态时，引起裂纹形核，促进裂纹扩展，导致脆性断裂， 显示出氢脆。而对于f e a l 金属间化合物，弱的晶界强度和空位强化引起的脆性是其 室温脆性的更主要的原因【1 9 1 。 根据上述分析，改善f e 趾系金属间化合物的室温脆性，提高其强度，是一个 重要的研究方向。采取适当的材料制备和加工工艺、适当的热处理工艺、合金化、 细化晶粒等方法都是改善f e 系金属间化合物室温塑性的有效手段。 ( 2 ) 高温力学性能 f e 3 舢金属间化合物尽管在室温下的塑性不甚令人满意，但随着温度的上升塑性 可显著提高，8 0 0 下拉伸延伸率高于1 0 0 ，表现出极好的热加工性，为该合金 的组织改性提供了良好的条件。该合金的韧脆转变温度( t c ) 约为6 0 0 。c ，6 0 0 下合 金的屈服强度随实验温度的上升而提高，表现出了一般传统合金所不具备的特征【l ， 6 。9 1 ，一般认为这一现象和合金长程有序度的变化有关。反相畴界能和长程有序度成 正比关系，随温度的上升，长程有序度下降，反相畴界能降低，超点阵位错中的位 错间距增大，超位错的分解变的容易，分解后位错的运动产生最临近反相畴和次临 近反相畴，位错反相畴界的形成导致和位错的交互作用加剧，导致基体硬化。但6 0 0 口以上强度的急剧下降和较差的中高温抗蠕变性能是阻碍其应用的另一重要因素。 6 0 0 口以下，合金中滑移的位错基本为( 1 1 1 ) 型位错，而此温度以上则为( 1 0 0 ) 型 完整位错。其中后者为完整位错，该位错的滑移不产生位错反相畴，随温度的提高， 此位错的交滑移或攀移能力提高，导致强度下降。此外，高温( 8 0 0 口) 下，f e 瑚 金属间化合物变形过程中已发生动态回复现象，在局部发生了动态再结晶现象，这 些现象的发生皆会导致该合金的强度进一步下降。f e a l 材料的强度温度反常关系是 由于在中间温度范围由热空位导致的“固溶 强化和高温下由于空位促使的位错蠕 变。 1 1 2 2 化学性能 ( 1 ) 高温抗氧化性 f e 越系金属问化合物具有优良的抗高温氧化的特性。而含铝量低的f e 舢系金 属间化合物的抗高温氧化、硫化性却较差。这是因为：低a 1 ( 1 0a t 舢) 合金表面 4 硕士学位论文 仅形成不致密的硫化物( 外层f e s ，内层f e a l 2 s 4 ) 。中等越含量( 1 8 - 2 8a t a i ) 合金表面上形成硫化物( f e a l 2 s 4 ) 外层和具有砧2 0 3 的内层，而高铝( 4 0a t 触) ， 可以生长出具有保护性的a 1 2 0 3 膜，它成为f e 向外扩散的阻挡层，从而使表面膜具有 保护性。 ( 2 ) 抗溶液腐蚀 f e 砧系有序合金在水溶液中的抗腐蚀性取决于表面保护性舢2 0 3 膜在各种化学 和电化学条件下是否保持致密。实验表明，该合金在模拟海水和模拟酸雨环境中有 良好的抗腐蚀性能。合金元素c r 及稀土元素c e 对f e 系合金耐氯离子腐蚀性能 的改善也具有显著的作用。 1 1 2 3 物理性能 金属间化合物的电导率较小。一般情况下，它比形成化合物的组元的电导率要小 的多。这是因为形成化合物后，原子间的结合类型发生了变化。原子间的金属结合 有部分变成为共价结合，甚至是离子结合，同时电子浓度减少。有的元素组成化合 物以后，合金甚至变成半导体材料。由于f e 灿系金属间化合物有高的电阻率以及优 异的高温抗氧化性，抗硫腐蚀的性能，因而有可能开发成新型电热材料。 1 1 3 合金元素对f e 。ai 系金属间化合物性能的影响研究现状 改善金属间化合物室温脆性，提高其综合力学性能，合金化被认为是有效手段 之一。合金化是改善f e 枷金属间化合物力学性能的一种重要手段，从6 0 年代开始， 人们就致力于利用合金元素来提高该合金的室温塑性，但收效甚微。直到8 0 年代， 才取得一些突破性进展【删，为该合金的商业化打下了坚实的基础。美国n a s a 路易 斯研究中心和橡树岭国家实验室( o r n l ) 在这方面开展了大量工作，如t i t r a n 等以元 素添加量5 a t 为限，试验了元素周期表中的主要过渡族金属元素【2 ，并把它们分 为三类，一类与f e a i 基体完全互溶，如c r ，m n ，c o ，t i 等，第二类则形成第二相， 如n b ，t a ，z r ，h f ，r e 等，它们能大大提高材料的高温流变应力，第三类为高 熔点元素，它们与基体不溶解，以自然粒子方式存在，如w ，m o 等。含量小于 3 8 ( 原子) 时有利于该合金塑性的改善【2 2 矧。在该合金中，c r ，m n ，t i 等合金元素 常作为宏观合金化元素，而b 和z r 等则作为微量合金化元素添加。研究发现2 1 m n ，5 c r 及1 b ，o 1 z r ( 原子) 等对改善f e 3 6 5 a 1 合金的室温塑性有益处【2 4 j 。 几乎所有的合金元素都可以或多或少地溶入铁素体中，形成合金铁素体，其中 原子半径很小的合金元素，溶入铁素体后间隙中形成间隙固溶体，原子半径较大的 合金元素( 如锰、镍等) 溶入铁素体后，占据晶粒中铁原子的位置形成置换固溶体。 合金元素溶入铁素体后均使晶格发生崎变，产生固溶强化，使铁素体的强度硬度提 高，韧性塑性下降【2 5 j 。一般说来合金元素的晶格类型和原子半径与铁相差愈大对铁 素体的强化效果就愈大。 5 热压加工对几种块体纳米晶f e ，a 1 基合金组织和性能的影响研究 m n 对。f e 刘具有一定的韧化作用，加入一定量的m n 不但使其室温韧性及强度 均有所提高，且m n 对f e ：赳的温度冲击韧性也有很大影响。在合金中加入m n 可 在一定条件下改善材料的室温延性，增大解理强度，提高晶界结合能【2 刚。m n 可取 代n i 以增强奥氏体的稳定性，使其具有良好的韧性和可加工性，它还可以抑制再结 晶，提高抗拉强度和屈服强度。f e 3 砧经用不同含量的m n 合金化后，其室温强度显 著提高，当m n 加入量为5 时，引入的l 1 2y 相虽对室温塑性的提高有一定贡献， 但不足以达到提高塑性的目的；当m n 加入量为1 0 时，其ob 、oo 2 均提高2 6 倍 以上，室温强度和塑性均能提高两倍以上；当m n 加入量为2 0 时，塑性大幅度提 高，这说明引入的具有面心立方有序结构的近l 1 2y 相达到一定量时，在室温下可 以明显韧化f e 州，同时提高其强度，但由于f e 3 舢在5 5 0 c 达到反常强度峰，所以 加m n 在此温度下的强度还是逊于f e 3 2 7 - 2 8 j 。用m n 对f e 3 a d 进行合金化，其组织 和性能均有很大变化；当m n 加入量适当时，可显著提高f e 枷的室温强度和塑性， 但中高温衰减较大。综合比较，1 0 m n 合金其塑性改善显著，室温强度大幅度提 高，中高温强度f e 瑚适当。 c r 合金化主要作用是改变金属问化合物晶体结构，增加滑移系或改变其形变方 式，c r 原子可固溶在f e 剁金属间化合物基体中，固溶度可达6 ，它占据灿原子 的次近邻f e 位，提高f e 3 的延伸率。主要是由于加c r 后，引起表面氧化膜的成 分和结构变化，或是氧化膜形成动力学的变化，从而降低中与水蒸气的化学反应 【2 9 】。c r 的加入能改变合金的有序性，有序态的不同，显著影响位错行为和机械性能， 而且c r 加入后，a p b 能量下降，易发生交滑移，从而提高了f e 3 合金的室温塑性。 c r 可以明显增大形变位错的可动性，显著降低f e 3 a 1 合金中反向畴界能( 降低幅度 均在5 0 以上) 【3 0 】。使f 铅舢金属间化合物中的超点阵位错更容易的分解成四个四分 位错组态分位错的交滑移更易进行，导致了含c r 的f e 3 舢室温塑性明显提高，但同 时c r 的加入增加了晶界处的应力集中，因而仍表现为穿晶断裂。 n i 原子进入a 1 和a 2 位，代替舢原子最邻近f e 原子。由于n i 元素成本较高 很少有人拿它作为f e 3 舢基金属间化合物的添加元素，因此关于n i 对f e 州基金属 间化合物性能的影响的文献很少见，但有研究表明n i 的添加使材料的塑性降低，表 现为脆性材料。 1 1 4f e 。a i 系金属间化合物热加工研究现状 f e 剁系金属间化合物室温塑性的改善可从两方面来考虑，即内在因素和外界因 素。内在因素包括超点阵位错的滑移能力、显微组织等外界因素有环境条件、变形 速率等，外在因素包括热加工和热处理工艺等。但这两大影响因素不是独立的，应 结合起来考虑，如片状拉长晶粒的获得一方面提高了该合金的本征塑性，另一方面 也抑制了该合金的环境脆性【3 1 3 2 1 。f e 3 舢的脆性在很大程度上受其晶体结构和成键特 性的影响，晶体中原子的有序排列导致产生晶界解理，热加工和细化晶粒也可以改 6 硕十学位论文 善f e 3 的室温脆性，经变形后而沿某一方向拉长的非再结晶组织和细化的晶粒可 大大改善其塑性。 和一般的铁合金相比，f e 3 灿基合金加工性能差，虽然它亦采用一般金属材料 的热加工工艺方法加工成形，但其材质的制备和加工过程中组织的控制都比一般以 固溶体为基的合金难以掌握，工艺方法和工艺参数都会对材料的力学性能和显微组 织带来显著影响。因此充分研究f e 3 基合金的加工性能，探索合理可行的热加工 形变方法，是f e 斜基合金实用化过程中至为关键的技术。 陈国良等【3 3 】的研究认为，f e 砧系合金的强度和塑性与越的成分和加热温度有 很大的关联，当舢原子含量为2 5 时，f e 舢系合金的屈服强度达到最大值，其原 因可能是在该成分下，f e m 系合金有一定的d 0 3 有序度，产生了许多d 0 3 的有序 畴界，它们会阻碍位错运动而强化合金。随着温度的升高，f e 3 a i 、f e a l 的屈服强 度先升高后降低，在6 0 0 左右达到最大值，这是大多数金属间化合物所共有的现 象，最近的研究表明【3 4 。5 1 ，这与金属间化合物的位错运动和滑移特性密切相关。 陈明伟掣3 6 】通过t e m 及金相发现，f e 州在高温形变过程中伴生原位再结晶 ( i s r ) ，f e 斜合金良好的高温塑性f f i i s r 有密切关系，形变产生的位错通过攀移或 交滑移形成位错墙，在进一步的变形中，位错墙通过吸收晶内滑移位错增大两侧晶 体的位向差，并向亚境界和大角晶界演化。 1 1 4 1f e 3 a i 系金属间化合物热加工工艺 常用热加工工艺有热温轧、热温压、热温锻、热挤压等。热轧过程中粗大柱 状晶被破碎转变为等轴晶，经多次热轧至厚的中间坯料时，显微组织已完全为等轴晶， 但晶粒大小很不均匀，另一方面在热轧过程中，随总形变量的增加，坯料表面垂直于 轧制方向的横向裂纹增多，且前一道次形成的表面裂纹在下一道次轧制中不断加深； 同时，由于坯料各部位的变形不均匀性而产生附加应力极易超过f e 瑚的强度极限 而是坯料表面产生裂纹；热锻与热轧相比晶粒大小均匀，但试验中发现在锻打初始 阶段，如果落锤速率过大，坯料表面也极易出现裂纹，有时裂纹甚至扩展导致试样 报废。因此，对f e 3 a l 锻打必须遵循先慢后快的原则，即在第一火时要求落锤速度 尽可能慢，以避免形成微裂纹，随着热锻过程的进行，由于坯料中柱状晶被逐渐破 碎，材料的热塑性得到提高，因此，坯料表面也就不再产生新裂纹，锻造速度可适 当提高，形变量也可逐步加大；热压，当形变总量达到6 0 左右时，柱状晶被完全 破碎，晶粒也大幅度细化，但在整个横截面上组织分布不如锻造均匀，一般是中心 部位晶粒最细小，而坯料外缘部位较粗大，热压时裂纹的产生也往往在最初几个道 次，为防止裂纹的产生和扩展，最初几个道次的形变量要求在1 0 左右，并做较长 时间的坯料回炉保温处理以消除加工应力，与热锻工艺相比，热压表面裂纹明显减 少，工艺容易控制。通过热加工来改善f e 舢系金属问化合物室温塑性目前已经取 得了一定的成果。 7 热压加工对几种块体纳米品f e 。a 1 基合金组织和性能的影响研究 1 1 4 2f e 3 a i 系金属间化合物热加工工艺研究现状 余兴泉等人【3 7 。3 8 】采用真空中频感应冶炼，配制了名义成分f e 斜系合金，铸锭经 经不同方式( 热轧、热挤压、热锻、热压、热压+ 热锻) 开坯后，进行了热轧和温轧， 发现热压后再热锻对铸态进行开坯的方法，不仅加工工艺易于控制，且获得的坯料 轧制成的板材性能优异，是f e 3 基合金一条合理可行的热加工工艺路线。同时发现 f e 枷基金属间化合物铸锭的组织和缺陷对材料的热加工工艺性能有显著的影响，避 免在铸锭中形成穿晶组织以及缩孔和热裂纹等缺陷，是对f e 3 舢进行热加工的重要条 件。在轧制前采用一道锻造工艺，有助于破碎铸造形成的粗大柱状晶，细化晶粒， 析出物分布均匀，为轧制工艺提供良好的组织状态。铸锭经锻造再轧制其室温塑性 ( d = 1 2 5 3 ) 比铸锭直接轧制的试样室温塑性( d = 7 0 7 ) 提高将近0 8 倍，这说明 在铸锭轧板前进行锻造或热挤压是必要的。热锻和热挤压是破碎铸锭中的柱状晶， 细化晶粒的有效方法，热锻和热挤压改善了材料的后续热加工性能。经热锻和热挤 压后的坯料在再结晶温度以上进行热s l j n 工后，其晶粒可进一步细化，而在再结晶 温度以下的温轧加工形成晶粒呈条状形貌的纤维组织，这种组织有利于减小氢的扩 散通道，从而有效改善f e 3 舢室温力学性能。 余兴泉对f e 3 舢轧制研究表明，热轧加工能有效细化f e 3 舢基合金晶粒，在热轧 过程中，为避免坯板中产生裂纹，必须合理控制热轧工艺参数；增大温轧形变量， 可使f e 谢基合金获得较长的晶粒条带，有利于提高室温力学性能，形变量过大将导 致裂纹产生，合金的室温性能大幅度下降；f e 3 m 基合金在再结晶温度以下进行温轧 加工，合金的室温性能相差不大，但过低的温轧温度将增大加工难度，且易形成横 穿晶粒的裂纹。 张德志等人【3 9 j 对工业纯f e 瑚合金的热加工工艺进行系统的研究，并通过合金 化、热加工等手段来提高f e 捌基合金的室温及中温力学性能。研究表明，c r 、mn 复合合金化既可改善f e 洲的室温塑性又可以提高其强度。经c r 、mn 、nb 、m o 、 z r 、b 复合合金化的f e 刘基合金，在室温及中温具有较好的综合力学性能，室温 塑性明显提高，高达1 8 0 ；nb 、m o 等复合合金化后可明显提高屈服强度；c r 、 m 1 1 等合金化后的f e 3 基合金，其热加工工艺性能也较好，f e 3 舢基合金在6 0 0 。c 的 抗拉性能较好，延伸率都超过3 0 。 姚正军等人研究表明【4 0 1 ，通过轧制加工改变晶粒大小，对f e 斜基合金的拉伸和 蠕变性能有复杂的影响。在室温，f e 3 基合金的强度和延展性都随晶粒尺寸的减 小而增大。对于再结晶处理的试样，油淬处理改善了微观组织从而提高了其延展性。 然而对于未再结晶的试样，其延展性的提高是由于横截面上晶界数量的减少。在6 0 0 时，与薄试样相比，厚试样由于晶粒粗大而具有较高的抗拉强度和蠕变抗力。 8 硕十学位论文 1 2 纳米晶金属材料的性能 1 2 1 纳米晶材料的力学性能 纳米晶材料由于具有一系列优异的性能，自问世以来引起人们广泛和关注。在 纳米晶材料的研究中其力学性能一直是研究的热点之一，人们希望了解纳米晶材料 的力学性能及晶粒尺寸对其性能的影响，以开发性能更佳的纳米晶材料【4 1 1 。 当晶粒或者晶粒尺寸进入纳米尺度后，单位体积材料的表面或者界面面积大幅 增加，表面和界面的特性对材料性能会产生重要的影响，在晶界处少量的杂质对材 料的强度和扩散有明显的影响。特别是气相沉积和机械合金化制备的纳米结构材料 ( n s m s ) ，在晶界处成分的明显差异导致在力学性能存在很大的差异【4 2 】。目前已有 的纳米晶材料的力学性能数据较分散，使得关于纳米晶材料力学性能的实验研究结 果存在很多争议。 1 2 1 1 强度 对于普通金属材料，其强度和晶粒尺寸的平方跟成反比，即满足人们熟知的 h a l l p e t e c h 关系( s ，= s o + k d l 2 ) 。因此，常用细化晶粒的方法来提高材料的强度。 但当晶粒尺寸减小到纳米尺寸时，h a l l p e t e c h 关系是否仍然成立是人们非常关心的 问题。已有的研究结果表明，当晶粒尺寸降低到纳米尺寸时，材料的强度比同成分 大晶粒材料的强度要高的多。例如纳米晶体铝( 平均晶粒尺寸约为5 3 n m ) 的屈服强 度和抗拉强度分别为同质粗晶的1 2 1 6 倍和5 - 6 倍( 粗晶铝：屈服强度约为 1 5 2 0 m p a ，抗拉强度约为5 0 7 0 m p a ) 【4 引。实验表明当纳米晶材料的晶粒尺寸大于 某个临界值，纳米晶材料都符合h a l l p e t e c h 关系。对于很多纳米晶材料这个临界值 约为2 0 n m 4 3 - 4 4 1 。当晶粒尺寸小于2 0 n m 时，不同材料的h a l l p e t e c h 曲线随晶粒尺寸 的减小呈现出不同的变化趋势，一些纳米晶材料仍为正的h a l l p e t e c h 关系，即k 0 ； 而另外一些纳米晶材料则为反h a l l p e t e c h 关系，即k 0 【4 5 ，这表明变形机制发生了 改变，此时晶粒尺寸继续减小，材料强度降低。w a n g 4 6 j 等在无空隙纳米晶镍中所得 到的结论表明存在反h a l l p e t e c h 关系。对于理论致密度为9 6 的t i a i ，当晶粒尺寸 减小到3 0 n m 时，在室温和3 0 3 下也观察到反h a l l p e t e c h 关系。在一系列的实验中， 没有证据表明存在位错运动和致密度改变。对金属问化合物f e t i n ，n i t i n 的研究 表明，在室温下也存在反h a l