鋁熱法制備的大尺寸納米晶鐵基材料的力學(xué)性能研究.pdf

1、本文首先選取Fe-Al-Cr合金為研究對象，通過鋁熱法在較低的溫度(260℃)，較高的壓力(4MPa)下成功制備出具有納米晶/微米晶復(fù)相結(jié)構(gòu)的大尺寸塊體材料，其直徑可以達(dá)到200 mm左右，厚度達(dá)到10mm左右。
　　合金元素Cr的加入，使大尺寸納米晶Fe3Al合金的強(qiáng)度得到顯著提高，并使其從脆性材料轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄圆牧?。大尺寸納米晶Fe-Al-Cr合金由無序bcc鐵基固溶體的納米晶基體和均勻分布其中的微米Cr7C3第二相組成。通過Cr

2、含量的變化，可以調(diào)控納米晶基體的平均晶粒尺寸和晶粒尺寸分布。另外，通過Cr含量的變化，可以調(diào)控Cr7C3第二相的形態(tài)、尺寸和體積分?jǐn)?shù)，繼而可以調(diào)控納米晶Fe-Al-Cr合金的力學(xué)性能。通過Cr7C3第二相的引入，使納米晶合金在具有更高強(qiáng)度的同時，也賦予其良好的室溫塑性，粒狀、球狀第二相對納米晶合金塑性的幫助作用最大，壓縮應(yīng)變可達(dá)100％以上而不發(fā)生破裂。其中，10wt.％Cr的合金的屈服強(qiáng)度和15wt.％Cr的合金的流變應(yīng)力最高，是微米

3、晶Fe-Al-Cr合金屈服強(qiáng)度3倍以上。
　　通過后續(xù)等溫處理工藝的調(diào)整，可以進(jìn)一步調(diào)控合金的顯微組織，抑制變形時的軟化并使流變應(yīng)力均勻穩(wěn)定。合金基體的晶體結(jié)構(gòu)和第二相會顯著影響納米晶的長大，合金在較低溫度處理時，納米晶發(fā)生異常長大，越過該溫度范圍后，合金的晶粒尺寸與鑄態(tài)相比僅略有長大。隨1000℃等溫處理時間的延長，細(xì)針狀Cr7C3第二相逐漸熔斷、球化，合金的屈服強(qiáng)度逐漸減小。第二相在24小時后轉(zhuǎn)變?yōu)閺浬⒎植嫉牧?，但此時合金中

4、的納米晶已長大至超細(xì)晶而失去納米晶強(qiáng)化效應(yīng)。
　　隨后本研究開創(chuàng)性的將預(yù)變形引入納米晶材料中，發(fā)現(xiàn)預(yù)變形和后續(xù)等溫處理可明顯加速Cr7C3第二相的球化過程，在保持納米晶晶粒尺寸基本不變的同時使第二相迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閺浬⒎植嫉那蛐晤w粒。預(yù)變形和后續(xù)等溫處理后，合金在保持良好壓縮塑性的同時，其屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度可達(dá)1.3GPa和1.6GPa，與直接等溫處理的合金相比，進(jìn)一步提高25％，并且是傳統(tǒng)微米晶Fe-Al-Cr合金屈服強(qiáng)度的4倍以上。

5、總之，經(jīng)不同條件等溫處理后，合金的流變應(yīng)力穩(wěn)定，當(dāng)?shù)葴靥幚頃r間不超過16小時時力學(xué)性能較鑄態(tài)時均有明顯的提高。通過鋁熱法和后續(xù)工藝制備的大尺寸納米晶Fe-Al-Cr合金已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。
　　通過鋁熱法制備得到了兼?zhèn)涑邚?qiáng)度和良好塑性的大尺寸納米晶Fe-Al-Cr合金，說明該方法在制備納米晶/微米晶復(fù)相結(jié)構(gòu)的大尺寸塊體材料方面具有一定的先進(jìn)性，可以彌補(bǔ)其他制備方法的不足。因此，本文進(jìn)一步選取304、316L不銹鋼和20、45亞共

6、析鋼這幾種典型的應(yīng)用更加廣泛的鐵基材料作為研究對象，研究鋁熱法及其后續(xù)熱處理對材料的組織、力學(xué)性能的影響及組織與力學(xué)性能間的相互關(guān)系。
　　鋁熱法制備得到的大尺寸納米晶/微米晶304不銹鋼由納米晶、微米晶奧氏體和少量納米晶高溫鐵素體組成。而復(fù)相316L不銹鋼由納米晶、微米晶奧氏體組成。鑄態(tài)的復(fù)相304、316L不銹鋼由于納米晶晶粒尺寸細(xì)小，微米晶體積分?jǐn)?shù)較小，變形機(jī)制以晶界滑移為主，兼?zhèn)漭^高的強(qiáng)度和良好的塑性。600℃等溫處理后，

7、復(fù)相不銹鋼中的納米晶、微米晶晶粒尺寸和微米晶體積分?jǐn)?shù)增大，位錯滑移機(jī)制開始起作用，并與晶界滑移相互競爭，導(dǎo)致復(fù)相合金在600℃等溫處理后屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較鑄態(tài)明顯提高，但延伸率大幅減小塑性較差。800℃等溫處理后，傳統(tǒng)的位錯滑移機(jī)制起主導(dǎo)作用，復(fù)相不銹鋼在保持高強(qiáng)度的同時，延伸率有所提高并達(dá)到鑄態(tài)合金的水平，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。1000℃等溫處理后，合金的晶粒尺寸和微米晶體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增大，材料的變形機(jī)制已完全轉(zhuǎn)變?yōu)槲诲e滑移機(jī)制，

8、合金的強(qiáng)度降低而延伸率增大。
　　利用鋁熱熔化法成功制備出大尺寸納米晶/微米晶復(fù)相亞共析20、45鋼，其顯微組織由納米晶鐵素體和具有納米結(jié)構(gòu)的珠光體團(tuán)組成。鑄態(tài)大尺寸納米晶/微米晶復(fù)相亞共析20，45鋼具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。隨等溫處理溫度的提高，珠光體團(tuán)形態(tài)由鏈狀和條狀逐漸向球狀轉(zhuǎn)變，其體積分?jǐn)?shù)減小，直徑增大。隨等溫處理溫度的提高，珠光體團(tuán)中的片間距逐漸增大。大尺寸納米晶/微米晶復(fù)相45鋼的珠光體片層間距為78nm，僅為復(fù)相20