Fe-3%Si合金薄带连铸板热处理过程层状异构组织演变的相场模拟研究

本研究基于Fe-3%Si合金铸轧板材组织特征,构建了不同类型柱状晶/等轴晶层状异构组织相场模型,实现了界面曲率为驱动力的情况下层状异构组织的高温粗化过程模拟,量化分析了层状异构特征对铸轧组织演化过程的影响规律。研究表明,由于晶粒长径比对晶粒尖端曲率的影响,当初始状态下柱状晶长径比较高时,在界面曲率的驱动下最终会形成等轴化的多晶组织;反之则等轴化程度减小。明确了不同类型异构组织演化特征,相同退火时间下组织的等轴化程度受其层状异构特征的影响,这一现象的本质是等轴晶通过自身演化引起柱状晶两端曲率变化,诱发柱状晶间的相互“吞噬”并发生等轴化,柱状晶则在部分结构的组织中生长至带钢表面后停止生长,最终保持柱状特征。本研究进一步加深了对铸态薄带中初始凝固组织在后续热处理时演化过程的认识,对硅钢制备工艺优化具有重要的理论指导意义和实际应用价值。

Al−Si−Fe−Mn合金熔体保温过程中富铁相的三维形态特征和生长行为

采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、热力学计算和同步辐射X射线成像技术研究Al−7.0Si−1.0Fe−1.2Mn合金熔体保温过程中富铁相的形态演变和生长行为。结果表明,随着保温温度的降低,富铁相的形态由粗大的星形和多边形状转变成细小的汉字状以及汉字和多边形的耦合结构。富铁相的三维形貌显示,星形富铁相由多个多分支的初生相和衍生的不规则次生相组成;耦合结构由多面体和枝晶组成;单一汉字相则由枝晶组成。随着保温温度的降低,富铁相的数量、体积分数以及最大富铁相的体积和连通性显著降低。原位同步辐射X射线结果显示,在凝固过程中形成了两类初生富铁相,其中尺寸较小的初生富铁相保留在熔体中,并成为耦合共晶结构富铁相的形核质点。

Fe-Si-B非晶合金粉末的制备及吸波性能

采用正交试验法,利用硼氢化钠水溶液还原氯化亚铁和氟硅酸钠水溶液中的Fe和Si,制备出一种粒径为200~500 nm的球形粉末,采用X射线衍射仪、同步热分析仪、透射电子显微镜及选区电子衍射、X射线光电子能谱仪以及电感耦合等离子体光谱分析表明该粉末是成分为Fe87.6Si1.08B11.31的非晶态合金。利用矢量网络分析仪研究了该粉末的吸波性能,结果表明:该粉末在14.56 GHz处最小反射损耗为-44.8 dB,对应的匹配厚度为1.5 mm,有效带宽为6.16 GHz且为最大吸收带宽。对电磁波的损耗以磁损耗为主,介电损耗为辅,其中介电损耗以偶极极化为主,磁损耗以涡流损耗和自然共振为主。

Ti-Si-Fe添加量与氮气压强对BN/SiC/Si_(3)N_(4)复相陶瓷材料的影响

以BN粉、Si粉、SiC粉、Ti-Si-Fe合金、助烧剂B_(2)O_(3)及外加结合剂酚醛树脂(PFF)为原料,采用原位氮化反应烧结制备BN/SiC/Si_(3)N_(4)复相陶瓷材料。探讨了在氮气气氛中添加不同含量Ti-Si-Fe合金部分替代硅粉及不同的气压下制得试样的力学性能差异。结果表明,Ti-Si-Fe合金中的Fe、Mn等元素促进了硅粉的氮化和氮化硅晶须的生长,所有的氮化产物均可以更好地填充气孔并提高试样的致密化程度以及调控材料的力学性能。当Ti-Si-Fe合金添加量为1.5 wt.%时,常压下试样的显气孔率最低为25.3%、体积密度最高为1.97 g·cm^(-3),常温抗弯强度最高为33.8 MPa;气压下试样的显气孔率最低为20.8%,体积密度最高为2.15 g·cm^(-3),常温抗弯强度最高为43.4 MPa。与常压相比,2 MPa气氛压力烧成的试样,纤维状的Si_(3)N_(4)晶须明显偏少,柱状的Si_(3)N_(4)晶须明显偏多。

Mn/Fe比对Al-Mg-Si合金组织和性能的影响

以Al-Mg-Si合金为研究对象,采用金属型铸造研究Mn/Fe比对其组织和性能的影响。结果表明:Al-Mg-Si铸态合金组织中枝晶间存在α-Al基体和大量析出相,主要以Mg_(2)Si相为主,还存在少量的共晶Si相、AlFeSi相和Al(FeMn)Si相。随Mn/Fe比的增大,合金中的晶粒逐渐变得细小圆整,且由树枝晶向等轴晶发生转变。Mn可以促进铝合金中针状的β-AlFeSi相向骨骼状、颗粒状或块状的α-Al(FeMn)Si相的转变。当Mn/Fe比为0.5时,合金的热导率达到最大值181.08 W·m^(-1)·K^(-1)。当Mn/Fe比为1.0时,合金的晶粒尺寸最小且具有最佳的力学性能,抗拉强度、伸长率和硬度相较于Mn/Fe为0.2时分别提升17.45%、49.57%和27.48%,达到167.35 MPa、17.23%、HV 62.86。

双尺度Fe_(3)Si相调控对Cu-2.5Fe-0.2Si合金组织和性能的影响

通过在铜铁合金中添加微量Si元素,并利用组合形变热处理工艺对亚微米级Fe_(3)Si相和纳米级Fe_(3)Si相的析出行为进行调控。结果表明:处理后的Cu-2.5Fe-0.2Si合金中形成了大量细小的再结晶晶粒,其抗拉强度、电导率和伸长率分别为401MPa、69.25%IACS和12.50%。合金中纳米级Fe_(3)Si析出相与铜基体的位向关系为[011ˉ]Cu//[11ˉ1]Fe_(3)Si。双尺度Fe_(3)Si相对合金屈服强度的提高均有贡献。其中,纳米级析出相对屈服强度的贡献值更大,约为亚微米级第二相的6倍。相比于Cu-2.5Fe合金,Si的添加促进了合金基体中铁相的析出及细化,降低了动态再结晶温度,进而实现了合金强度、电导率和塑性的协同提高。

微量Fe、Si对铝导电杆组织与性能的影响

采用电子背散射衍射(EBSD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、扫描探针显微镜(SPM)、室温拉伸、单臂电桥和纳米压痕蠕变等方法,研究了微量Fe、Si对铝导电杆组织与性能的影响。结果表明:Fe、Si能够降低导电杆的晶粒尺寸,并使织构组分由弱〈001〉+〈111〉双织构向强〈111〉织构转变,产生沿挤压方向分布的Al-Fe和Al-Fe-Si相,且在第二相和(亚)晶界处出现位错塞积;Fe、Si通过粗颗粒促进再结晶和细颗粒抑制再结晶的共同作用,造成导电杆的显微组织沿径向出现周期性交替分布;Fe、Si能够在牺牲较小导电率的前提下,显著提高铝导电杆的强度和抗蠕变性能。

孔隙和α-Al(Fe/Mn)Si相对高压压铸Al-7Si-0.2Mg合金塑性的影响

采用高压压铸工艺制备两批次不同尺寸的Al-7Si-0.2Mg(质量分数,%)合金,获得显微组织和孔隙非均匀分布的薄壁铸件,并对比研究孔隙和显微组织对铸态合金塑性的影响。结果表明:不同铸件和不同位置样品的伸长率有较大波动(9.7%~17.9%)。当合金存在大面积孔隙时,有效承载面积减小导致由孔隙产生的应力集中使合金伸长率显著降低。当合金只存在小面积孔隙时,塑性变形过程中合金中的α-Al(Fe/Mn)Si相先于共晶硅相发生脆性断裂,α-Al(Fe/Mn)Si相的数量密度对伸长率的波动起主导作用,具有高数量密度α-Al(Fe/Mn)Si相试样的伸长率显著降低。此外,局部较高的冷却速率导致铸件α-Al(Fe/Mn)Si相数量密度的增加。

Fe-Si-B非晶合金电极在电芬顿法处理模拟港口含油废水中的应用

根据港口含油废水的组成,配置了含有乳化油等污染物的模拟废水,考察了Fe-Si-B非晶合金作为电芬顿体系中的阳极在降解乳化油废水中的情况,分别考察了反应时间、电流密度、初始pH值、H_(2)O_(2)投加量对反应的影响,并优化了工艺参数。实验结果表明:在反应时间为40 min、电流密度为30 mA/cm^(2)、初始pH值为3、H_(2)O_(2)浓度为20 g/L时,废水含油量去除率可达到99.91%。分析推测了电芬顿法降解乳化油废水的可能反应途径,结果表明:电芬顿体系中产生的羟基自由基的强氧化作用下将原本废水中的长链有机物部分氧化为易被生物降解的短链烷烃类有机物。为含乳化油废水的处理以及Fe-Si-B非晶合金作为电极材料的实际应用提供了良好的参考价值。

高温高压下液态Fe-8.6 wt%Si的声速和密度:富Si地核的证明

在前人的研究基础上,我们建立了新的热力学模型来计算高温高压下液态Fe和Fe-8.6 wt%Si(简称Fe-8.6Si)的状态方程(EOS)和纵波声速(VP).计算结果与静高压和动高压实验测量的EOS和VP一致.在外地核环境下,液态Fe-8.6 Si的EOS和VP同时与外地核的地震波数据一致.如果Si是外地核中唯一的轻元素,其含量不超过7.6~8.6 wt%.

Fe-3%Si大尺寸合金单晶的制备及磁感系数的计算

以取向Fe-3%Si合金热轧板为原材料,采用二次再结晶法制备了尺寸大于200 mm的合金单晶。随机选取3个单晶样品剪切成7个与轧向成不同角度、尺寸为50 mm×50 mm的样品,分别对所选样品进行单晶定向,并对每个样品的横、纵向磁性能进行了测量。以单晶定向结果为依据,计算每个单晶在晶体学坐标架下的极角和辐角,提出了一种单晶磁感系数的计算方法,并基于该方法以单晶磁性能实测值及其在晶体学坐标架下的极角和辐角为输入条件,测算了Fe-3%Si合金单晶磁感应强度系数并验证了其可靠性。采用该方法对{110}晶面平行于板面的任意方向单晶的磁感应强度进行了计算,为开展多晶材料磁性能计算提供了理论依据。

喷嘴尺寸对Fe-6.5 %Si高硅钢薄带组织和性能的影响

研究了快速凝固单辊甩带过程中喷嘴尺寸(Φ2 mm、Φ1.5 mm、Φ1 mm和Φ0.7 mm)对Fe-6.5%Si高硅钢薄带组织和性能的影响。结果表明,随着喷嘴尺寸的减少,有序相减少,薄带的连续长度明显提高,而薄带的厚度和宽度减小,晶粒尺寸减小,显微硬度也随之减小。薄带饱和磁化强度(M s)随着喷嘴尺寸的减小逐渐变小,而矫顽力(H c)逐渐变大,但磁性能总体变化不大。在Φ1 mm喷嘴下制得的高硅钢薄带质量较好。

粉末冶金Fe-6.5wt.%Si高硅钢的热变形行为及组织演化

采用物理模拟手段研究了不同变形条件下粉末冶金Fe-6.5wt.%Si高硅钢的热变形行为,并利用金相显微镜(OM)和电子背散射衍射(EBSD)技术分析了合金热变形过程中的组织演化。结果表明:基于Zener-Holloman参数和线性拟合方法建立的本构方程能够很好地预测合金的高温变形行为;基于动态材料模型构建的热加工图能够为合金的热变形提供适宜的工艺窗口;粉末冶金Fe-6.5wt.%Si高硅钢在高温变形时的主要软化机制为动态再结晶和动态回复。变形温度的升高和应变速率的降低有利于合金的再结晶形核和长大。变形后铁素体相形成<100>//ND和<111>//ND丝织构,且随着变形温度升高,<111>//ND织构增强。

热处理对Fe−6.5%Si磁粉芯性能的影响

对Fe-6.5%Si粉末(质量分数)进行不同温度的热处理实验,经压制后得到Fe-6.5%Si磁粉芯,并对磁粉芯进行不同温度的热处理,探究热处理工艺对Fe-6.5%Si磁粉芯磁导率和损耗等磁性能的影响。结果发现:粉末热处理可以大幅度消除气雾化制粉过程中合金粉末受高压气体冲击造成的缺陷,并减少粉末中的C、O含量;随着热处理温度的升高,粉末的矫顽力先增后减,饱和磁化强度逐渐降低。通过对压制成型磁粉芯进行热处理也能够改善磁粉芯的磁性能,不同温度热处理后损耗均维持在600~700 mW∙cm^(-3)之间,最低值为625 mW∙cm^(-3)。综合分析,用经900℃热处理粉末制成的磁粉芯在800℃进行后续热处理,磁粉芯磁导率、损耗等性能综合较优。

Cr含量对Fe-Cr-Si三元系合金组织和耐蚀性能的影响

为了探究Cr元素含量对Fe-Cr-Si三元系合金组织和耐蚀性能的影响,采用SEM、XRD等仪器对3种不同Cr含量的Fe-Cr-Si系合金的显微组织、硬度及其腐蚀行为展开研究,系统分析了Cr含量变化对Fe-Cr-Si系合金材料的显微组织、硬度及耐蚀性能的影响。结果表明:3种不同Cr含量的Fe-Cr-Si合金均由树枝晶和枝晶间基体组成。随着Cr含量的增加,枝晶间Fe3Si相增多,Fe-Cr固溶体相生成。相比Fe8Cr10Si合金,Fe16Cr10Si合金的硬度降低16%。10%(质量分数)HCl溶液浸泡腐蚀试验结果表明,Cr含量较低的Fe8Cr10Si合金的腐蚀情况最为严重,出现较深的腐蚀坑,腐蚀坑中的片状硅化物未能有效地防止合金被侵蚀。固溶态Cr含量的升高是促使Fe-Cr-Si合金耐蚀性能提升的主要原因。

Si含量对Fe-Cr-Si合金高温耐磨性能的影响

为研究Si含量对Fe-Cr-Si合金高温耐磨性能的影响,改善Fe-Cr-Si合金在高温环境下的耐磨性能,采用真空电弧熔炼制备了4种不同Si含量(原子分数5%、10%、15%、20%)的Fe-Cr-Si合金,研究了Si含量变化对其高温耐磨性能的影响。结果表明,4种Fe-Cr-Si合金均由单相组织构成,Si含量的增加使得合金硬度逐渐升高,并且促进了金属硅化物Fe_(3)Si的形成。随着Si含量的增加,Fe-Cr-Si合金的摩擦系数和磨损率逐渐减小,磨损机制由剥落磨损转变为氧化磨损、磨粒磨损和黏着磨损。

主轴转向对再生Al-Si-Fe-Mg合金多道次搅拌摩擦加工区组织和性能的影响

对4.5 mm厚的再生Al-7.0Si-0.85Fe-0.30Mg合金板进行相同主轴转向1~3道次和改变第2道次主轴转向2,3道次的搅拌摩擦加工,研究了主轴转向对搅拌摩擦加工区组织和力学性能的影响。结果表明:随着加工道次的增加,加工区的面积以及前进侧热机影响区的宽度增大,加工核心区的富铁相、共晶硅等第二相颗粒长度减小,圆整度提高,强度和硬度无显著改变,断后伸长率显著提高。改变第2道次主轴转向后加工区面积较相同主轴转向时减小,但组织对称性提高,前进侧热机影响区宽度减小;改变主轴转向后,第二相颗粒尺寸变化不明显,但圆整度显著降低,强度和硬度的变化也不明显,断后伸长率略有提高。

Al-Cr中间合金在熔融Al-Zn-Mg-Si-Fe镀液中的扩散反应研究

以Al-Cr中间合金锭和熔融Al-Zn-Mg-Si-Fe镀液为研究对象,研究了Al-Cr中间合金锭浸入含不同质量分数Fe的630℃熔融镀液15 h的扩散反应。使用扫描电子显微镜、能谱仪分析了扩散前后Al-Cr中间合金锭组织和成分的变化,同时研究了镀液中Fe质量分数对Cr溶解度的影响。研究发现,随着镀液中的Zn、Mg、Si、Fe长时间向Al-Cr锭内部扩散,Al-Cr锭中原有的Al基体的组织转变成了与镀液成分相近的组织,原有的富Cr第二相转变成了Al-Cr-Zn-Si相和Al-(Fe,Cr)-Si相。随着Al-Cr锭中的Cr向镀液扩散,镀液中Cr质量分数升高,并在5 h后达到饱和。由于Cr和Al、Fe、Si优先形成了Al-(Fe,Cr)-Si金属间化合物,因此镀液中的Fe显著降低了Cr元素的饱和溶解度,当镀液Fe质量分数由0.10%增加至0.42%时,镀液中Cr质量分数由0.047%~0.059%减少至0.012%~0.016%。

冷变形La_(0.6)Pr_(0.4)Fe_(10.7)Co_(0.8)Si_(1.5)合金的微观组织演变与磁热效应

为改善磁制冷工质的制备工艺从而提高实用化进程,提出了一种室温下冷压塑性变形加速磁热相形成的方法。对La_(0.6)Pr_(0.4)Fe_(10.7)Co_(0.8)Si_(1.5)合金的晶粒结构、相组成和磁热效应进行了系统的研究。结果表明,经过预变形,合金单位面积上晶粒数量增加且晶粒尺寸均匀,相比于未压缩样品,在相同条件下退火后磁热相比例增加。当压缩率为30%时,经3天的短时间退火后,1∶13相的比例可达92.68%(体积分数),明显高于未变形样品。30%预变形La_(0.6)Pr_(0.4)Fe_(10.7)Co_(0.8)Si_(1.5)样品居里温度为289 K,在2 T磁场下磁熵变为-7.1 J/(kg·K),可作为室温区实用的磁制冷材料备选工质。

(Si+Mn)/Fe对Al-5Cu合金铸态组织及力学性能的影响

在Al-5Cu-0.3Fe高强铸造合金中添加Mn和Si,采用OM、SEM、EDS及DSC等分析方法研究(Si+Mn)/Fe质量比(K=3、4、5和6)对其铸态组织及力学性能的影响。结果表明:随着K值的增大,富Fe相形貌的变化趋势为针状→汉字状→粗大汉字状富Fe相聚集,富Fe相由针状Al 3FeMn向汉字状Al 6FeMn转变。Al-5.0Cu-0.3Fe-1Si-x Mn合金,K=4时,拉伸断口展现良好的塑性特征,合金的综合力学性能最佳,比K=3时抗拉强度和延伸率分别提高了22%和65%。Si和Mn元素对Al-5.0Cu-0.3Fe合金的富Fe相有良好的变质作用。适当减少Mn的添加量,而增加Si的含量,保持(Si+Mn)/Fe=4,有助于减少合金的孔洞缺陷,降低热裂敏感性,较好地调控富Fe相形貌和尺寸。