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柴油发动机气缸盖用铁基耐热合金的制备、力学及疲劳行为

柴油发动机气缸盖用铁基耐热合金的制备、力学及疲劳行为

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作者：郭凡西安工业大学

学位级别：硕士

随着现代化的需求不断增加,军事装备的发展应符合当今时代的需要,高功率密度柴油发动机作为核心部件,对其性能有了更高的要求。其中气缸盖是柴油发动机最重要的部件之一,在工作时承受着高温、高压、高载等恶劣工况。随着功率密度的不断... 详细信息

随着现代化的需求不断增加,军事装备的发展应符合当今时代的需要,高功率密度柴油发动机作为核心部件,对其性能有了更高的要求。其中气缸盖是柴油发动机最重要的部件之一,在工作时承受着高温、高压、高载等恶劣工况。随着功率密度的不断升高,发动机气缸盖工作温度最高可达600℃。现役铝合金、铸铁类气缸盖材料难以满足新一代柴油机更高的性能要求。而Fe-25Mn-9Al-8Ni-1C-0.2Ti材料具有良好的力学性能、耐高温氧化性能和抗热疲劳性能,有成为新一代柴油机气缸盖材料的潜质。本课题采用无压烧结法预制中间合金块体Al-10AlN,将其与铁基原材料按一定的比例通过真空悬浮熔炼制备Fe-25Mn-9Al-8Ni-1C-0.2Ti-xAlN（x=0、0.25、0.5、0.75、1wt.%）合金铸锭,研究AlN含量对合金显微组织、物理性能（密度、25-600℃导热性能）、力学性能（硬度、室温和600℃拉伸性能）、疲劳性能（室温和600℃高周旋弯疲劳性能）的影响规律。所得结论如下:通过均匀化混粉、真空无压烧结和真空熔炼相结合的方法制备Fe-25Mn-9Al-8Ni-1C-0.2Ti-xAlN合金,其物相主要由奥氏体相和铁素体相组成;加入AlN后,铁素体的形状由网状变为针状和块状,晶粒得到明显细化,当AlN加入量为0.5wt.%时,细化效果最为明显;随着AlN含量的增加,该系列合金密度变化不大为6.50-6.54 g/cm3;热导率随着AlN含量和温度的增加而提高,加入1wt.%AlN的合金在25℃和600℃热导率均最大分别为14.94W/（m·℃）、17.50W/（m·℃）,相较于基体材料分别提高了34.6%、17.1%。随着AlN含量的增加,合金洛氏硬度逐渐增加,当AlN的加入量为1wt.%时,合金硬度达到最大值38.2HRC,相较于基体材料硬度提高了15.6%;室温和600℃拉伸性能规律一致,抗拉强度随着AlN含量的不断增加均呈先降低后升高趋势,加入1wt.%AlN的合金抗拉强度最大,室温（802.4MPa）、600℃（585.6MPa）相较于基体材料分别提高了2.3%、2.8%;然而,该系列合金延伸率和强塑积随着AlN含量的不断增加均呈先增加后降低的趋势,加入0.5wt.%AlN的合金延伸率、强塑积最大,尤其在600℃时,延伸率和强塑积分别为20.1%、11.37GPa·%,相较于基体材料分别提高了103%、102%;该系列合金室温和600℃时的断裂方式均为韧-脆混合型断裂,综合性能较为优异的为加入0.5wt.%AlN的合金。对合金实时断裂过程进行分析,加入0.5wt.%AlN的合金相较于基体材料滑移系提前启动,且在相同条件下,加入0.5wt.%AlN的合金滑移线数量更多,这与拉伸性能相一致;奥氏体相在拉伸的过程中主要起到变形的作用,而铁素体相主要起到抵抗变形的作用,裂纹萌生晶内、晶界和滑移带处,晶粒细小的铁素体比晶粒粗大的铁素体先发生断裂。对性能较为优异的Fe-25Mn-9Al-8Ni-1C-0.2Ti-0.5AlN合金进行室温和600℃高周旋弯疲劳性能测试分析,AlN加入量为0的合金作为对照材料。得出两种材料在600℃时的疲劳寿命均大于室温。归因于高温旋弯疲劳过程中,铁素体相不断粗化,导致抗拉强度和屈服强度提高,裂纹萌生得以抑制;且在疲劳源区连续生成的致密且稳定存在的氧化膜（Fe2O3、Al2O3和Mn2O3）,进一步抑制了裂纹萌生;600℃下热导率约为室温时的2倍,且高的热导率使合金内部热应力降低,从而提高了合金的疲劳性能。此外,0.5wt.%AlN的加入,使得合金在室温和600℃的疲劳寿命较基体材料均明显提升,归因于加入AlN后合金晶粒发生细化,延伸率升高,疲劳裂纹扩展速度降低,裂纹扩展区面积有所增大所致。

关键词：柴油机气缸盖用铁基合金 Fe-25Mn-9Al-8Ni-1C-0.2Ti-xAlN材料制备显微组织力学性能高周旋弯疲劳性能

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