轻质高强度Fe-Mn-Al系合金的制备及组织和力学行为的研究

作     者：焦东东 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：白亚平;颜君衡

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：Fe-25Mn-9Al-8Ni-1C-xNb合金 真空电弧熔炼 微观组织 力学性能 氧化性能 摩擦磨损性能 

摘      要：近年来,高功率密度柴油机逐渐发展起来,相较于传统发动机,其体型更小、质量更轻、气缸容积使用率更高,且服役标准也较过去的柴油机更高。气缸盖作为高功率密度柴油机燃烧室关键部件,在服役过程中经受柴油或润滑油未充分燃烧造成含硫氛围环境,严重影响了其使用寿命。据推测,当柴油机升功率超过88 k W/L时,气缸盖火力面温度能达到100℃;当柴油机升功率超过105 k W/L时,气缸盖火力面温度能达到600℃。因此,急需研发一种符合未来气缸盖要求的新型材料。本课题以Fe-25Mn-9Al-8Ni-1C合金为研究对象,采用真空电弧熔炼方法制备了Fe-25Mn-9Al-8Ni-1C-x Nb(Nb元素的质量百分比0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%)板状(65mm×30 mm×10 mm)试样,并对材料进行微观组织、密度、硬度、拉伸、氧化及摩擦磨损性能测试分析,总结Nb含量对合金组织与性能的影响规律。得出以下结论:经Pandat相图软件计算可得,未添加Nb元素的Fe-25Mn-9Al-8Ni-1C合金凝固时相结构主要为B2+FCC+Kappa,Nb元素添加后的Fe-25Mn-9Al-8Ni-1C-x Nb的相结构则主要为B2+BCC+FCC+MC。真空电弧熔炼制备的Fe-25Mn-9Al-8Ni-1C合金物相主要由奥氏体、Ni Al金属间化合物和K-碳化物组成,添加微量Nb元素后,合金微观组织分布较为均匀,物相主要由铁素体、奥氏体、Ni Al金属间化合物和Nb C组成。随着Nb元素含量的增加,Fe-25Mn-9Al-8Ni-1C-0.3Nb合金的组织最为细化。随着Nb元素含量的增加,Fe-25Mn-9Al-8Ni-1C-x Nb合金的硬度与密度呈逐渐增大的趋势,当Nb含量为0.4%时,合金平均硬度与密度均达到最大值为38.12 HRC与6.79 g/cm,较Fe-25Mn-9Al-8Ni-1C分别提高了10%和4%。室温拉伸性能测试表明,Fe-25Mn-9Al-8Ni-1C-x Nb合金的延伸率随Nb元素含量的增加总体呈增大的趋势,而抗拉强度则呈先增后减的趋势。Fe-25Mn-9Al-8Ni-1C-0.3Nb合金综合性能较为优异,平均抗拉强度为853 MPa,平均延伸率为29.90%,较Fe-25Mn-9Al-8Ni-1C合金的平均抗拉强度提升了14%,且延伸率达到基体材料的7倍。拉伸断口分析表明,Fe-25Mn-9Al-8Ni-1C合金的断裂机制为解理断裂,断裂方式为脆性断裂。Nb元素添加后合金的断裂机制为韧窝断裂、解理断裂,断裂方式为脆性-韧性混合断裂。不同工况下摩擦磨损性能测试结果表明:Fe-25Mn-9Al-8Ni-1C-x Nb合金平均摩擦系数与体积磨损率均呈现:干摩擦油润滑含硫边界润滑,Fe-25Mn-9Al-8Ni-1C-0.4Nb合金在三种工况下摩擦磨损性能均较好,其在含硫边界润滑工况时平均摩擦系数与体积磨损率最小分别为0.061、1.931×10mmNm,较干摩擦时的0.264、1.567×10mmNm分别下降了76.89%、98.77%,归因于在含硫边界润滑工况时合金表面会生成结构为密排六方的Fe S固体润滑相。磨损机理分析可知,Fe-25Mn-9Al-8Ni-1C-x Nb合金在干摩擦时磨损机理以剥层磨损与磨粒磨损为主、氧化磨损为辅;在油润滑工况下磨损机理为磨粒磨损;在含硫边界润滑工况下磨损机理以磨粒磨损为主、氧化磨损为辅。随着Nb元素含量的增加,Fe-25Mn-9Al-8Ni-1C-x Nb合金在600℃不同氧化时间的抗氧化性能逐渐提升。Fe-25Mn-9Al-8Ni-1C-0.4Nb保温200 h后氧化增重为1.24 mg/cm,抗氧化性能最佳,较Fe-25Mn-9Al-8Ni-1C保温200 h氧化增重的1.85 mg/cm下降了32.97%,归因于合金表面生成了两层氧化层,外氧化层为α-FeO和少量MnO,而内氧化层为α-AlO、α-FeO和Ni O,其中α-AlO较致密,能够限制外部的氧原子向合金内部扩散,进而提升了合金的抗氧化性能。