简介概要

VC_p和TiC_p颗粒增强Fe₃Al基合金的显微组织和力学性能

来源期刊：中国有色金属学报2001年第z1期

论文作者：徐文雷孙扬善丁绍松

文章页码：150 - 153

关键词：Fe₃Al； VC； TiC；力学性能；显微组织；断裂模式

Key words：Fe₃Al； VC； TiC； microstructure； mechanical properties； fracture mode

摘要：采用反应铸造法制备了含VC、TiC颗粒的Fe₃Al基合金 ,并研究了颗粒相的加入对Fe₃Al合金组织结构和力学性能的影响。研究表明 ,TiC_p可以细化Fe₃Al合金铸锭组织 ,而VC_p的作用不明显 ,但可以细化热加工后的再结晶组织 ;同时发现 ,颗粒相的加入提高了Fe₃Al合金在室温和600℃下的屈服强度 ,而延伸率有稍许下降 ,并改变了合金的断裂模式。

Abstract: Fe₃Al based alloys containing 1.0%～1.5% VC (mole fraction) and TiC particles were fabricated by melting and casting processes, and the effects of VC and TiC particles on microstructure and mechanical properties of the alloys were investigated. It was indicated that the formation of TiC particles results in the refinement of the microstructure of the ingots while the formation of VC particles has no this effect, however, can refine the microstructure after recrystallization. Meanwhile, addition of VC and TiC particles improves the yield strength at room temperature and decrease the ductility of the alloys slightly. The SEM observations showed that the formation of the particles affects the fracture mode of the alloys.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.s1.036

VC_p和TiC_p颗粒增强Fe₃Al基合金的显微组织和力学性能

徐文雷孙扬善丁绍松

东南大学材料系

东南大学材料系南京210096

摘要：

采用反应铸造法制备了含VC、TiC颗粒的Fe3Al基合金 , 并研究了颗粒相的加入对Fe3Al合金组织结构和力学性能的影响。研究表明 , TiCp 可以细化Fe3Al合金铸锭组织 , 而VCp 的作用不明显 , 但可以细化热加工后的再结晶组织 ;同时发现 , 颗粒相的加入提高了Fe3Al合金在室温和 6 0 0℃下的屈服强度 , 而延伸率有稍许下降 , 并改变了合金的断裂模式

关键词：

Fe3Al;VC;TiC;力学性能;显微组织;断裂模式;

中图分类号： TG146

收稿日期：2000-09-10

基金：国家“8 6 3”高技术资助项目 ( 6 412 0 0 5 0 0 5 );

Effects of VC and TiC particles on mechanical properties and microstructure of Fe₃Al-based alloys

Abstract：

Fe 3Al based alloys containing 1.0%～1.5% VC (mole fraction) and TiC particles were fabricated by melting and casting processes, and the effects of VC and TiC particles on microstructure and mechanical properties of the alloys were investigated. It was indicated that the formation of TiC particles results in the refinement of the microstructure of the ingots while the formation of VC particles has no this effect, however, can refine the microstructure after recrystallization. Meanwhile, addition of VC and TiC particles improves the yield strength at room temperature and decrease the ductility of the alloys slightly. The SEM observations showed that the formation of the particles affects the fracture mode of the alloys.

Keyword：

Fe 3Al; VC; TiC; microstructure; mechanical properties; fracture mode;

Received： 2000-09-10

Fe₃Al基金属间化合物具有良好的高温强度、优异的抗氧化耐腐蚀性、较小的密度和低廉的成本等优点, 有望作为一种新型的高温结构材料而受到广泛重视, 然而室温环境脆性和温度超过600℃时强度急剧下降阻碍了它的实际应用 ^[1,2] 。近年来, 人们采取合金化如添加Cr, Mo, Nb, W等合金元素以及用合适的热机械处理工艺使Fe₃Al合金的室温塑性和高温强度得到了明显改善 ^{[3,4,5,6,7,8]} 。此外, 通过合成陶瓷增强颗粒可以弥补合金的高温强度低的不足, 但颗粒加入量的增多又使得室温塑性低的缺陷重新突出 ^[9] 。

原位合成制备颗粒增强复合材料技术因其工艺简单、材料性能优异、产品成本低等优点而成为材料研究中的前沿课题, 原位生成的颗粒尺寸十分细小、分布均匀、颗粒相与基体间的界面无杂质污染、界面结合良好、颗粒相热力学稳定, 被广泛应用于金属基复合材料的制备 ^[10,11] 。

作者在本文中采用反应原位合成法制备少量的VC、TiC颗粒增强Fe₃Al基合金, 研究了两种颗粒对Fe₃Al合金组织结构和力学性能的影响, 并分析其断裂模式和强化机制。

1 实验方法

实验用合金采用中频真空感应炉熔炼, 合金设计成分如表1所示, 铸锭质量为3.5kg, 其中, TiC颗粒的加入方法见文献颗粒通过加入钒铁和石墨在熔铸过程中形成, 微量Ce的加入是为了净化基体。熔炼后的锭子在1 000℃均匀化退火10h后热锻成截面为15 mm×30 mm的长条坯, 随后在1000℃左右热轧成厚度为2mm的板材, 并在700℃去应力退火1h并以油淬冷却后, 用线切割工艺加工成板状拉伸试样, 试样的标距尺寸为15 mm×3.5 mm×2 mm。合金的拉伸力学性能在WD-10电子拉伸机上测试, 室温和600℃的应变速率分别为5×10^-3 s^-1和2×10^-3 s^-1。

表1 Fe3Al合金的化学成分 Table 1 Chemical composition of Fe3Al alloys

本文用XRD分析了经萃取后的铸态颗粒相的结构, 并用EDAX分析了颗粒相的组成, 金相试样用王水浸蚀, 用SEM观察形变后试样的断口形貌。

2 实验结果与讨论

2.1 XRD分析

铸态试样经萃取后颗粒的XRD图谱如图1所示。No.1和No.2试样中有VC颗粒生成, EDAX分析表明此颗粒相富还固溶了部分试样中的颗粒为TiC, 不含其它合金元素;No.4试样含有两种颗粒VC和TiC, 其中TiC中固溶部分V, 而VC中固溶部分Ti和Cr。

图1 萃取后铸态颗粒相的XRD图谱

Fig.1 XRD pattern of particles extracted from as-cast alloys

2.2 铸态组织

熔炼后合金的铸态组织如图2所示。其中仅含VC颗粒的No.1和No.2合金仍为柱状晶和中心等轴晶, 晶粒比较粗大, 且柱状晶所占比例较高, 见图2 (a) ;而含TiC颗粒合金铸态组织均为细小的等轴晶, 如图2 (b) 。这说明, TiC颗粒在液态熔体中形成, 在熔体冷却过程中, 这些颗粒可以成为非均匀形核核心, 使熔体在较低的过冷度下具有较高的形核率, 从而达到细化晶粒的作用。TiC对铸态组织的细化作用, 对后续的热加工性能产生了重要影响。本文的热加工过程表明, 含TiC颗粒的No.3和No.4合金具有优良的热加工性能, 在锻造过程中, 铸锭表面始终完好, 未出现任何裂纹, 而只含VC颗粒的No.1和No.2合金的加工性能就不如含TiC的合金, 热锻过程中必须在多道次、小变形量条件下进行, 否则易形成表面裂纹。对于VC颗粒, 根据Fe-Al二元相图 ^[13] , 当温度在液相线以下, B₂有序转变温度以上, 熔体凝固转变为α-Fe, 根据热力学计算, 借助于VC在α-Fe中的浓度积公式 ^[14] :

图2 合金铸态断面组织

Fig.2 As-cast structures of alloys tested

(a) —Sample No.1; (b) —Sample No.3

在Fe₃Al熔点1540℃时, 其饱和浓度积常数为3.16;而根据本试验的成分设计, No.1和No.2的浓度积分别为0.85和0.32, 低于饱和浓度积, 在液态熔体中没有VC颗粒形成, 因而不能成为形核核心, 不能达到细化晶粒的效果, VC颗粒是在固相α-Fe中形核并长大的。

2.3 轧态组织

本试验的所有合金的热加工均在1 000℃左右完成, 这一温度大大超过了Fe₃Al合金的再结晶温度, 所以形变态组织由完全再结晶组织构成, 合金经热轧后的金相组织如图3所示。合金经热轧后, 组织发生细化, 其中加入1.5%VC (摩尔分数, %) 的No.1合金的晶粒尺寸下降最为明显, 如图3 (a) , 其对再结晶细化作用较加入TiC颗粒的合金 (图3 (b) ) 更为显著, 说明在热加工过程中, 大量细小的VC颗粒将对热加工后的再结晶组织的晶界的迁移产生拖曳作用, 从而阻碍再结晶晶粒的长大, 使再结晶后试样晶粒尺寸大大细化。

图3 合金轧态金相组织

Fig.3 As-rolled microstructures of alloys tested

(a) —Sample No.1; (b) —Sample No.2

2.4 力学性能

各种合金轧态试样经700℃保温1 h油淬后的力学性能见表2。由表可见, 在室温条件下, 合金的屈服强度得到了提高, 其中加入1.0%VC (摩尔分数, %) 的No.2试样和加入1.0%TiC (摩尔分数, %) 的屈服强度相近, 说明VC和TiC颗粒对屈服强度的影响相当, 且屈服强度随颗粒相的增加而增加。同时发现, 随颗粒相的增多也会导致合金的延伸率下降。

表2 合金试样的力学性能 Table 2 Mechanical properties of alloys tested

在600℃高温条件下, 与基体相比, 加入颗粒相后合金的屈服强度得到明显提高, 且VC颗粒的强化效果优于TiC颗粒的强化效果, 但VC颗粒对合金塑性的损害也高于TiC颗粒。

2.5 断口形貌分析

室温条件下, 几种合金试样拉伸断口为沿晶加穿晶的混合型断口, 并有粗大的二次裂纹, 如图4所示, 这与Fe₃Al合金的室温断口为穿晶型不同 ^[4] , 究其原因, 可能是颗粒在晶界的偏聚削弱了晶界的结合力, 导致晶界弱化, 在拉伸过程中成为裂纹的扩展源。合金试样在600℃条件下拉伸断口形貌如图5所示, 由韧窝、河流花样及撕裂棱构成。加入VC的颗粒韧窝较小, 解理台阶和河流花样较多;而加入TiC的No.4试样韧窝深大、且韧窝中有颗粒这与试样的塑性较好相一致

图4 室温拉伸断口形貌

Fig.4 RT tensile fractograph of Sample No.1

图5 6 0 0℃拉伸断口形貌

Fig.5 600℃tensile fractographs of Sample No.1 (a) and Sample No.3 (b)