Fe-Mn-Al-C系低密度钢及其强韧化机制研究进展

汽车行业的迅速发展使得能源消耗、环境污染等问题日益严重,而开发高强度且轻量化的汽车用钢对节能减排具有重要意义。目前正在研发的第三代先进高强钢包括轻质(Lightweight)钢、Q&P(Quenching and partitioning)钢和中锰钢(Mn质量分数为5%~10%)。其中,Fe-Mn-Al-C系低密度高强钢由于Al元素的加入,在密度降低的同时保持着良好的力学性能,满足第三代汽车用钢对轻量化的要求。同时,由于大量Al、Mn和C元素的添加,Fe-Mn-Al-C系低密度钢的冶炼连铸、微观结构、变形机制、加工过程及应用性能与传统钢种大不相同。本文系统阐述了Fe-Mn-Al-C系低密度钢的成分设计及其中合金元素的作用,介绍了低密度钢的微观组织结构特征;重点讨论了单一铁素体钢、奥氏体基钢、奥氏体基双相钢和铁素体基双相钢的各种强韧化机制,包括固溶强化、细晶强化、沉淀强化及其独特的应变硬化机制,如相变诱导塑性(TRIP)、孪晶诱导塑性(TWIP)、微带诱导塑性(MBIP)、剪切带诱导塑性(SIP)和动态滑移带细化(DSBR)等;并就层错能(SFE)对奥氏体钢变形机制产生的影响进行了总结;最后,对Fe-Mn-Al-C系低密度钢的强韧化机制研究进行展望,为后续研究者的工作提供参考。

Al-Ce铸造铝合金的制备及其微观组织研究

本文以不同Ce含量的Al-Ce合金为研究对象,研究不同Ce含量对合金显微组织的影响规律,优化出综合性能最高的Al-Ce合金配比。结果表明,随着Ce含量的不断增加,Al_(11)Ce_3衍射峰强度不断增加,衍射峰逐渐宽化,Al_(11)Ce_3相在铝基体上分布越来越均匀,局部偏聚现象逐渐消失,形成宏观组织较均匀的组织形貌。

Fe-Mn-Al-C系低密度钢热处理研究进展

在节能环保大背景下,汽车工业领域用钢不断得到升级优化,作为新一代先进钢铁材料,Fe-Mn-Al-C系低密度钢以其低密度和高强韧性得到了越来越多的关注。Fe-Mn-Al-C系低密度钢中基本合金元素为Fe、Mn、Al、C,基本组成相为奥氏体(γ)、铁素体(α),在一定工艺条件下,还含有κ-碳化物、B2、DO_(3)和β-Mn等析出相,根据其组成相,可分为铁素体低密度钢、奥氏体低密度钢、铁素体基低密度钢和奥氏体基低密度钢。热处理工艺对调控低密度钢组织构成和析出相的析出行为有着重要作用,进而提高低密度钢的综合力学性能。研究表明,退火处理可以有效地消除冷轧低密度钢的带状组织,改善其强韧性;而控制固溶和时效处理工艺,可以调控析出相的大小、形态、分布等获得高强塑积低密度钢,因此热处理是优化低密度钢综合性能的一个行之有效的方法。本文对Fe-Mn-Al-C系低密度钢的成分设计和组成相特点作了介绍,从热处理工艺角度出发,对该体系钢的微观结构和力学性能影响进行了综述,着重从退火、固溶处理和时效处理等热处理方式进行了阐释,基于Fe-Mn-Al-C系低密度钢研究现状,对该体系钢未来的研究方向进行了展望,为后续研究提供一定的参考价值。

淬火-回火热处理对超高强Fe-Mn-Al-C合金钢组织与力学性能影响研究

对一种成分为Fe-8Mn-8Al-0.8C的Fe-Mn-Al-C系超高强合金钢的热轧钢板进行“淬火+回火”热处理试验,研究其力学性能和微观组织。结果表明,试验用钢在热轧后由铁素体、奥氏体以及κ-碳化物三种物相组成,且组织呈现明显的带状,经热处理后κ-碳化物消除,热轧板在900℃保温1 h后水淬200℃回火60 min后呈现最优整体力学性能,抗拉强度达到1410 MPa,延伸率为29%,强塑积达到41 GPa·%。

纳米ZrO_(2)/Zn-Al-C涂层在模拟地热水中的防腐性能

为提升环氧涂层的防腐性能,采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)改善纳米二氧化锆(ZrO_(2))颗粒的团聚,联合Zn-Al-C合金粉,制备改性纳米ZrO_(2)/Zn-Al-C环氧树脂复合涂层。利用X-射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FT-IR)和扫描电镜(SEM)表征纳米ZrO_(2)改性前后的结构变化。结合电化学交流阻抗谱(EIS)和极化曲线(Tafel)分析复合涂层在模拟地热水环境中的腐蚀行为。结果表明:纳米ZrO_(2)表面成功接枝KH-550;复合涂层在模拟地热水中全浸泡720 h,其表面腐蚀结垢产物数量较原片明显减少;自腐蚀电流密度为6.113×10-10(A·cm-2),电化学性能良好。经改性后的环氧复合涂层,有效利用了纳米材料及金属材料的优越性能,其硬度及耐蚀性均得到显著提升,为环氧涂层在地热水环境中长期使用提供借鉴。

热处理工艺对Fe-Mn-Al-C钢组织和性能的影响

利用SEM、XRD、EPMA等试验方法,对不同退火、固溶以及时效工艺下Fe-Mn-Al-C钢的组织演变规律和力学性能进行研究。结果表明,900~1050℃退火温度对试验钢的组织与性能影响较大,随着退火温度的升高晶粒尺寸增大、碳化物逐渐回溶,强度降低、塑韧性提高,在1050℃保温2 h空冷时抗拉强度为1036 MPa,断后伸长率为39%,冲击功41 J,强塑积40 GPa·%;经1050℃保温2 h水冷固溶后时效处理,试验钢组织为奥氏体+铁素体+κ碳化物,随着时效温度的增高,κ碳化物逐渐析出,使试验钢的强度增加、塑韧性降低。600℃时效时,抗拉强度1145 MPa、断后伸长率22%、冲击功28 J,综合力学性能全部满足设计要求。

不同钛碳摩尔比和铝含量对Ti-Al-C体系燃烧合成Ti_3AlC_2粉体的影响

以Ti,Al,C和TiC粉末为原料,研究了钛碳摩尔比和Al含量对Ti-Al-C体系燃烧合成产物相组成的影响。实验表明,不同的钛碳摩尔比和Al含量变化,对Ti-Al-C体系燃烧合成Ti3AlC2粉体有很大影响。当Ti/C=1或1.5时,燃烧产物主晶相是TiC,与原料中Al含量变化关系不大;Ti/C=2和Ti/C=3时,主晶相分别是Ti3AlC2和Ti2AlC,它们的衍射峰强度均分别随原料中Al含量增加而增强,当Al含量增加到一定量后,Ti3AlC2和Ti2AlC的衍射峰强度均又减弱;TiC是Ti-Al-C体系燃烧合成TiAlC相的中间产物。

Al-C反应的DSC和XRD分析

在通常情况下C与Al自然混和后,由于润湿性差而难以发生反应。但经过压块或球磨处理,Al、C混合物能够进行反应。该反应受动力学影响,反应温度和速度相差较大。经压块处理的,反应温度的范围为602 1～1122℃,反应最高峰温度为907℃;经过球磨20h处理的混合粉末,反应在551～723℃较窄的温度范围内进行,在698 6℃就达到了反应最高峰。利用视差扫描量热分析(DSC)和X射线衍射(XRD)对Al C粉末的反应进行了分析,验证了上述的结果。

Mg-Al-C中间合金对AZ91镁合金组织和性能的影响

通过真空烧结制备出Mg-Al-C中间合金,发现该合金可以有效地细化Mg-Al系AZ91合金的晶粒,细化后的AZ91合金力学性能显著提高,粗大且易于聚集成团的Mg_(17)Al_(12)相得以消除;分析认为其细化机制是在镁合金熔体中形成了大量的结晶形核质点Al_4C_3或Al-C-O化合物。

Mg-Al-C中间合金对AZ31镁合金的晶粒细化

通过特种粉末冶金法制备了一种用于Mg-Al系合金晶粒细化的Mg-Al-C中间合金,初步分析了Mg-Al-C中间合金对AZ31镁合金的细化机理。在该中间合金中,Al(C)固溶体分布在Mg颗粒的界面上。细化试验表明,该中间合金对AZ31(Mg-3Al-1Zn)合金有良好的细化作用。当加入3该中间合金时,AZ31的晶粒尺寸由原来的850μm减小到260μm。

先驱体转化法制备耐高温Si-Al-C-O纤维

以聚硅碳硅烷(PSCS)与乙酰丙酮铝为原料,在常压高温条件下反应制备出聚铝碳硅烷(PACS),经过熔融纺丝、空气预氧化、烧成等工艺,制备出性能优异的耐高温Si-Al-C-O(KD-A)纤维。研究了PACS纤维组成,预氧化过程中的质量增加、Si—H反应程度、凝胶含量,探讨了氧对KD-A纤维性能的影响;通过元素分析、AES和SEM等一系列分析,研究了KD-A纤维的结构组成以及耐高温性能。研究表明,PACS纤维空气预氧化过程中,主要是Si—H键与氧发生反应生成Si—O—Si交联结构;KD-A纤维的组成SiC1.51O0.31Al0.013耐高温性能明显优于普通SiC纤维,在空气中1000℃下加热100h后,强度保留率达到60%左右。

(Ti,Fe)-Al-C体系钢铁基复合材料的热力学计算与分析

利用溶液热力学理论,研究了(Ti,Fe)AlC体系钢铁基复合材料可能的反应产物的吉布斯自由能变化。热力学实验模型是在FeC熔液中加入钛铁合金(Ti,Fe)和纯铝块,继续加热到1600℃,熔液经过充分混合、反应后随炉冷却到常温。计算结果表明,TiC先于Fe2Ti、Fe3C等相生成,但始终没有Al4C3和TiAl3相产生;体系中TiC的热力学稳定性最高;在凝固过程中,TiC相优先析出,随后可能有Fe2Ti、Fe3C等相析出;铝含量的增加能够促进TiC、Fe2Ti、Fe3C等相的生成。

Al-Ce柱撑膨润土的制备研究

以内蒙某地的钙基膨润土为原料,对其进行特性分析、钠化改型,再以改型膨润土为基质,采用常规水相合成法制备了蒙脱石层间Al-Ce柱撑化合物。借助X射线衍射分析(XRD),氮气吸附及扫描电镜(SEM)等分析手段,考察了Al/Ce摩尔比、柱撑剂反应温度、柱撑反应时间和柱撑化合物洗涤次数对柱撑膨润土在层间距(d001)、比表面积(BET)等性能方面的影响行为。结果表明,当n(Al)∶n(Ce)=5∶1,柱撑剂反应温度40℃,柱撑反应时间5 h,柱撑膨润土洗涤5次时,500℃煅烧后Al-Ce柱撑膨润土的层间距稳定在1.847 nm,比表面积达307.2 m^2/g,具有较好的热稳定性,可作为高性能柱撑膨润土加以应用。

Al含量对Ni-Al-C合金凝固组织和性能的影响

研究了Al含量对Ni-Al-C系自润滑材料凝固组织的影响，测试了合金的力学性能和摩擦磨损性能。结果表明：当Al含量为4．25％时，凝固组织中的石墨含量较高，且以共晶石墨形态为主，基体为单相γ-Ni（Al）；随着Al含量的增加，凝固组织中的石墨含量有所降低，共晶石墨减少，初生相中石墨占多数并有球化的趋势；当Al含量为6.85％时，合金基体由γ-Ni（Al）固溶体和少量（γ＋γ＇）共晶组织组成；当Al含量为8．13％-9．94％时，凝固组织由γ＇-Ni3Al相、（γ＋γ＇）共晶相和石墨组成，γ-Ni（AI）固溶体消失；当Al含量为12．74％时，合金基体转变为单相γ-Ni3Al，其网状晶界由高硬度的Ni3AlC0．5相生成。Al含量较低的合金具有较好的韧性，提高Al含量有利于提高材料的强度和耐磨性。Al含量为8．13％的合金基体组织主要由（γ＋γ＇）共晶组成，晶粒尺寸显著细化，其综合力学性能显著提高，摩擦因数小，磨损率低。

Fe-Mn-Al-C系低密度钢焊接性能研究

针对12 mm厚Fe-Mn-Al-C系低密度钢热轧试验板,采用半自动MIG焊接工艺,焊接材料选用奥氏体不锈钢焊丝,对低密度钢的焊接性进行试验研究,重点考察低密度钢的焊接抗裂性、焊接工艺性及接头力学性能。结果表明:在纯氩保护气氛条件下,低密度钢同种材料的焊接具有良好的可焊性和优良的焊接抗裂性;焊接接头平均抗拉强度为750.7MPa,平均断后伸长率为11.0%。

Ti-Al-C体系中添加TiAl_3对燃烧合成Ti_3AlC_2粉体的影响

以单质粉末Ti,Al和碳黑为原料,按Ti_3AlC_2化学计量比配料,燃烧产物主要物相是TiC,只能得到少量Ti_3AlC_2相,但在保持原料配比不变的情况下,在反应物原料中添加金属间化合物TiAl_3(质量分数为0-23.5％),燃烧产物中Ti_3AlC_2的含量随添加TiAl_3量的增加而显著增多,成为燃烧产物的主要物相,从热力学和动力学的角度探讨了TiAl_3对燃烧合成Ti_3AlC_2的影响机理。

熔体快淬Al-Ce合金变质对ZL108组织和性能的影响

采用熔体快淬Al-Ce中间合金对ZL108活塞合金进行了变质处理,然后对变质后的ZL108合金试样进行了显微组织观察和性能检测,并与加入普通块状Al-Ce合金变质的ZL108合金进行了对比。结果表明,与加入块状Al-Ce变质剂相比,加入熔体快淬Al-Ce变质处理的ZL108合金,组织中的共晶硅得到了更好的细化,室温和高温力学性能得到了很大的提高。因此熔体快淬Al-Ce合金变质处理可更好的提高ZL108合金的综合力学性能。

铝纤维对Al_2O_3-Al-C材料高温机械性能和显微结构的影响

分别以板状刚玉、α-Al_2O_3微粉、金属铝(铝纤维和铝粉)、石墨为原料,以酚醛树脂为结合剂,制得Al_2O_3-Al-C材料。借助XRD和SEM分析了试样的物相组成和显微结构,研究了铝纤维加入量对材料抗热震性、高温抗折强度的影响,结果表明:用铝纤维代替铝粉可提高材料的高温抗折强度和抗热震稳定性。保持金属铝的总加入量为6%,当铝纤维加量由0%增加到1%时,1400℃的高温抗折强度由26.5 MPa提高到34.7 MPa,热震后的残余强度保持率由62%增加到69%。高温时铝纤维转变为非氧化物晶须编织体或纤维束,与基质紧密结合,起桥接和强化作用,可改善材料的抗热震性并显著提高其高温抗折强度。

还原气氛下SiO_2在Al_2O_3-Al-C材料中作用机理研究

本试验借助金属过渡塑性相理论,在Al2O3-C系耐火材料中引入中金属铝粉和SiO2粉,研究空气气氛埋碳条件,不同烧成温度下Al、SiO2的高温反应行为及产物的变化。对烧成后的试样进行XRD物相检测及SEM显微结构分析,发现不添加SiO2的试样中单质Al已经不存在,在材料的气孔中生成大量AlN纤维;添加SiO2的试样中单质Al和SiO2都已经不存在,且形成了大量纤维及六方片状晶体,经XRD及EDS检测,确定该物相为SiAl5O2N5。

Mg-Al-C中间合金对AZ31镁合金的晶粒细化

通过特种粉末冶金法制备了一种用于Mg-Al系合金晶粒细化的Mg-Al-C中间合金。在该中间合金中,Al(C)固溶体分布在镁颗粒的界面上。试验表明,该中间合金对AZ31(Mg-3Al-1Zn)合金有良好的细化作用。当加入3%中间合金时,AZ31的晶粒尺寸由原来的850μm减小到260μm。初步分析了Mg-Al-C中间合金对AZ31镁合金的细化机理。