Fe3Al金属间化合物的韧化（I）

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1991.06.023 北京科技大学学报 第13卷第6期 Vol.13No.6 1991年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov.1991 FeAl金属间化合物的韧化(I) 孙庆祖·黄原定·杨王玥·陈国良· 摘要：通过加铬合金化及合理的热加工工艺，制得了高室温韧性FaA】金属间化合 物。实验结果表明：合金元素铬的诉加，改变了铁铝合金的断裂模式，即由纯解理断裂模式 变为解理、沿品混合断裂模式：铬的加人改善了室温韧性，提高了解理强度。 关键词：金属间化合物，铝化物，有序化处理，室温脆性 The Ductility of Fe3Al Intermetallic Compounds (I) Sun Zuqing'Huang Yuanding'Yang Wangyue Chen Guoliang ABSTRACT A Fes Al intermetallic compound with high room temperature ductility has been obtained by means of combination of proper alloying addition and hot deformation,The relationship between properties and fractography was investigated,It was found that the fracture model of the alloys became a mixed intergranuar-cleavage model while the Fe:Al containing no Cr showed pure clea- vage one.The improvement of room ductility can be attributed to the incre- ase of cleavage strength. KEY WORDS:Intermetallic compound,Aluminides,ordering treatment,room temperature brittleness F€aAI金属间化合物较低的比重，高抗蚀性，优良的软磁性能早已为人们所认识。然 而，70年代前，室温延伸率一直在(2~3)%的水平徘徊。近20年来，由于室温脆性的研究 在某些金属间化合物中取得重大突破，继NigAI后，FesA1金属间化合物的研究也受到高度 重视。为改善室温塑性，近几年在晶粒组织控制，合金元素添加及材料制备和加工工艺方面 已开展了不少工作1-s),虽见到关于FeAI室温塑性得到改善的报道，但都没有详细的介 绍。本文研究从合金化和加工工艺的结合上探素改善室温塑性的实用方法，并对F©aAI室温 1991-05-06收精 ●材料科学与工系(Department of Materials Science and Engineering) 539

第 卷第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。 一 。 。 金属间化合物的韧化 孙 庆祖 黄原定 杨王 明 陈国良 ’ 摘 要 通过 加铬 合金化及 合理的 热加工工艺 ， 制得 了高室 温韧性 金 属 间化 合 物 。 实验结果 表 明 合金元素铬的 添加 ， 改变 了铁铝合金的断裂模式 ， 即 由纯 解理断裂模式 变为解 理 、 沿晶混 合断 裂模式 ， 铭的 加入 改善 了室温韧性 ， 提高 了解理 强 度 。 关健词 金属 间化合物 ， 铝化物 ， 有序化处理 ，室温脆性 “ 口 夕 “ 夕 “ ” 夕 件 夕 牙 夕夕 儿 匕 扭 五 五 五 一 ， 。 ， ， ， 金属间化合物较 低的 比重 ， 高抗蚀性 ， 优 良的软磁性能 早已 为 人 们 所 认识 。 然 而 ， 年代前 ， 室温延伸 率一直在 写的 水平徘徊 。 近 年来 ， 由于室温脆 性 的 研究 在某些金属间化合物中取得重大突破 ， 继 后 ， 金属间化合物的 研究也受到高 度 重视 。 为改善室温塑 性 ， 近几年在晶粒组织控制 ， 合金元素添加及材料 制备和加工工艺方面 已开展 了不少工作 〔 ’ 一 “ ’ ， 虽 见到 关于 室温塑性得到改善的报道 ， 但都 没 有详细的介 绍 。 本文研究从合 金化和加工工艺的结合上探素改善室温塑 性的 实用 方法 ， 并对 室温 一 一 收稿 材料科学与工 程系 牡 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1991．06．023

塑性改善的机理进行了系统研究。 1实验方法 本实验所研究的FeaA1金属间化合物基础成分为含量28at%A1的Fe-A1合金，并添加 (2~7)at%的Cr,所用原料为4NFe、4NAl和4NCr,经真空熔炼浇注为30mm×150mm的 表1试验合金的化学成分(at%) 试样。X射线荧光分析结果表明，合金成分与 Table 1 Analysed experimental 设计成分基本一致（表1），且气体含量均在 composition (at%) 合理范围。用常规方法对合金的密度进行了测 量，其结果见表2。 试样 XRF分析结果 为了清除微观偏析，对所有试样进行了均 Fe Al Cr 匀化处理。处理工艺为：1000℃保温24h, A 72.14 27.86 0 然后炉冷至室温。退火后的试样进行了热加工， B 70.60 27.40 2.00 初轧温度为1000℃，终轧温度为850℃。采用 Q 68,50 28.10 3.40 多道次轧制，轧制后试样在850℃保护性气氛 分 67,40 27.60 5.00 ⊙ 中再结晶处理1h,然后炉冷至500℃，保温 67,80 26.50 5.70 F 64.55 28.45 7.00 168h作有序化处理以获得单一的D03相，最后 炉冷至室温。 金相试样经机械抛光后用36.5%的发烟盐酸浸蚀，晶粒尺寸用截线法测量，拉伸试验在 In-stron1185试验机上进行，拉伸速度为0.2mm/min;拉伸试样断口观察在S-250扫描电镜 上进行，透射电镜试样经机械减薄到(50~70)4m以后双喷，电解液为15%高氯酸+85%乙 醇，液氮冷却，温度控制到-28℃；观察用透射电镜为H-800和EM400T,加速电压分别为 200kV和100kV。 2结果与讨论 2.1光学组织 未经有序化处理的铸态试样，热加工+再结晶退火+有序化处理试样的金相组织如图 00uma 图1(a)B合金未经有序化处理的铸态金相组织 (b)B合金热加工+耳结晶退火+有序化处理后的金相组织 Fig.1 Metallographic morphology of alloy B,as-cast and withowt ordering (a)after hot deformation,annealing and ordering (b) 540

塑 性改善的机 理进行 了系统研 究 。 实 验 方 法 本实验所研 究的 金属间化合物基础成分 为含量 的 一 合 金 ， 并添加 的 ， 所 用原料 为 、 和 ， 经真空熔 炼浇 注 为 中 的 表 试验合 金的化学成分 试 样 分析结果 试 样 。 射线 荧光分 析结果表 明 ， 合金成分 与 设计成分 基本一致 表 ， 且气体含量均在 合 理范 围 。 用 常规 方法对 合金的密度进行了溯 量 ， 其结果见表 。 为 了清除微观偏析 ， 对所 有试样进行 了均 匀化处 理 。 处 理 工 艺 为 ℃ 保 温 ， 然后炉冷至 室温 。 退火 后的 试样进行 了热加工 ， 初轧温 度为 ℃ ， 终轧温度为 ℃ 。 采用 多道 次轧 制 ， 轧 制后试样在 ℃ 保护性气氛 中再结 晶处理 ， 然后炉 冷 至 ℃ ， 保 温 作有序化处理 以获 得单一的 相 ， 最后 炉 冷至 室温 。 金相试样经机械抛 光 后用 的 发烟盐酸浸蚀 ， 晶粒尺寸 用 截线法测量 拉伸试 验在 一 试验机上 进行 ， 拉伸 速度为。 加加 拉伸试样断 口观察在 一 扫描电镜 上 进行， 透射电镜试样 经机械减薄到 声 以后双喷 ， 电解液 为 高 氯酸 乙 醇， 液氮冷却 ， 温度控制到 一 ℃ 观察用 透射 电镜 为 一 和 ， 加 速电压分别为 和 。 结果与讨论 光学组 织 未经有序化处理的铸态试样 ， 热加工 再结 晶退火 有序化处理试样的 金 相 组织 如图 图 合金未经 有序化处理 的 铸态 金相 组织 合金 热加工 再结晶退 火 有序 化处理后 的金相 组 织 尽 ， 一

(1)所示。所有试样都没有观察到第2相，照片中某些黑点为腐蚀坑，X线衍射分析结果 与金相观察一致。 表2试验结果 Table 2 The experimental results 试样 密e盛 品粒对 沿晶断 μm % MPa MPa 6.22 230 3.8 250 495 0 B 6.27 200 13.2 213 581 30-40 6.31 235 7.0 183 517 40-50 0 6.35 200 6.8 182 532 30-40 ⊙ 6.40 250 8.0 175 593 40-50 F 6.40 210 5.6 232 556 40-50 利用截线法测得经轧制+耳结晶退火+有序化处理的各试样的晶粒尺寸见表2。可以看 出，含Cr与不含Cr的Fe3Al金属间化合物品粒尺寸相差不多，由此可见，本实验合金试样力 学性能的差异不能归于晶粒尺寸的影响。 2,2拉伸实验 室温实验结果见表2。结果表明，与不含Cr的A合金相比，Cr合金化后，Fe3A1金属间 化合物的屈服强度略有下降，而断裂强度则明显提高，二者约相差100MPa左右；并且加C 以后，使室温塑性得到明显提高，最高延伸率（试样B)可达到13,2%，其余的也在(6~ 8)%之间，而试样A仅为3,8%。过高的C对室温塑性的改善无明显的作用。 2.3断口观察 所有拉伸试样的SEM断口观察结果表明，不含Cr的Fe,AI试样断裂模式为纯解理；加 C以后，模式由单一的纯解理变为解理和沿晶混合型断裂，沿品所占的比例约为(30~50)% 左右，Cr含量在2%以后，其高低对它的影响不大，见图(2)、表2。 20011 (a)A合金 (b)B合金 (c)B合金 图2试验合金的拉伸断口形貌 Fig.2 Tensile fraetography of the experimental alloys 541

所示 。 所 有试样都 没 有观察到 第 相 ， 照 片 中某些 黑点 为腐蚀坑 ， 线 衍射分析结果 与金相观 察一致 。 表 试 验 结 果 试 样 沿 晶 断 氛悉 晶粒 对 科 命 祥 一 一 一 · 一 川 。 。 。 。 。 。 利用 截线 法 测 得经轧 制 十 再结晶退火 有序化处理 的 各试 样的 晶粒尺寸 见表 。 可 以看 出 ， 含 与不含 的 。 金属 间化合物 晶粒尺寸 相差不 多 ， 由此可 见 ， 本实验合金试样力 学性能 的差异不能归于 晶粒尺寸 的影响 。 。 拉伸 实验 室温实验 结果见 表 。 结 果 表 明 ， 与不含 的 合金 相 比 ， 合 金化 后 ， 金 属间 化合物的 屈服强 度略有下 降 ， 而 断裂强 度则明显 提高 ， 二者约 相差 左 右 并且加 以后 ， 使 室温塑 性得到 明显提高 ， 最高延伸 率 试 样 可 达 到 ， 其余的也在 一 写之 间 ， 而试样 仅为 。 过 高的 对 室温塑性的改善 无 明显 的 作用 。 。 断 口 观察 所 有拉伸试样的 断 口观察结果表 明 ， 不含 的 试样断裂 模 式 为纯解理 加 以后 ， 模 式 由单一的 纯 解 理变为解理和 沿 晶混合型 断裂 ， 沿 晶所 占的 比例约 为 左右 ， 含量在 以后 ， 其高低对它 的影响不大 ， 见 图 、 表 。 合金 合金 图 试验 合金 的拉 伸断 口 形貌 合金 丁 王

金属间化合物的室温脆性可以分为3类： (1)本征的脆性这类化合物通常在具有明显脆性的同时还表现出较低的断裂强度，实 际上是某些解理面的解理强度较低的反映(8)； (2)晶界的脆性如NA1,这类化合物在单晶时具有良好的室温塑性，但由于晶界强 度较低，在多晶状态下则显示出低的室温塑性。通过某些微量元素如B的添加可直接强化晶 界，或通过某些宏量元素如M的添加与品界有害元素结合可起到间接强化晶界的作用，从 而使室温塑性得到改善(8)； (3)环境敏感脆性最近的工作表明，Fe3AI,Nig Al等相当一部分金属间化合物的力 学行为均具有环境敏感特征7，⑧)。本工作的拉伸试验均在干燥空气中几乎是同时进行， 应认为环境作用不会太严重，至少对各合金是相同的。合金中没有特意添加微量元素，成分 分析结果表明所有微量元素的含量均很低。X线衍射分析证实为单一DO3相，而对元素C的 面扫描分析也表明该元素在晶内及晶界的分布基本均匀（如图3），至少可以排除晶界第2相 图3卫合金的铬元素面分布 Pig.3 SEM morphology of alloy E (a)and the distribution of Cr (b) 对室温脆性产生的影响。从加Cr后断裂强度提高、延伸率提高、且断裂模式由单一的解理转 变为沿晶及解理的混合模式现象来看，添加C以后室温塑性的改善应归于解理强度的提高， 解理强度和品界强度的相对关系发生变化。某些晶界的强度相对较低成为导致断裂的部分原 因。而解理强度的提高则可能与C添加后在DO3中占据的位置有关。正在进行的相关工作表 明，Cr原子同时占居了DOg结构中原来Fe原子和Al原子的位置ra)。Cr原子不但改变了Fe、 AI原子的近邻关系，并引入了新的Fe-Cr、Al-Cr原子配对，从而使晶体结构中原子键性质 发生改变。 3结 论 (1)合金元素Cr及合理的加工工艺可明显改善FesAl1金属间化合物的室温塑性，其断裂 模式由单一解理转变为解理和沿晶断裂的混合模式；高于4%的C对于进一步增加延伸率无 显作用。 (2)合金元素Cr导致室温塑性改善的原因可初步归结为F©3Al金属间化合物原子间相互 作用的增强导致了解理强度的提高。 542

金属间化合物的 室温脆性可 以分 为 类 本征的 脆性 这类化合物通常 在具 有 明显 脆性的 同 时还表 现 出较 低的 断裂强度 ， 实 际上 是某些 解理面的解理强度较低的 反映 〔 “ ’ 多 晶界的 脆性 如 ， 这类化合物在单 晶时具 有 良好的室温塑性 ， 但 由于 晶界强 度较低 ， 在多 晶状 态下 则显示 出低的 室 温塑性 。 通过某些 微量元素如 的添加 可 直接强化 晶 界 ， 或通过某些 宏 量元素 如 的添加 与 晶 界有害元素结合可起 到 间接 强化 晶界的 作 用 ， 从 而使室温塑性得到 改善 〔 “ ’ 环境敏感脆性 最 近的工 作表 明 ， ， 等相 当一部分金 属间化合物的 力 学行为均具有环境敏感特征 〔 ’ 〕 。 本工 作的拉伸试 验均 在千燥 空 气 中几乎是 同 时 进 行 ， 应 认为环境作用 不会太 严重 ， 至 少对各合金是 相 同的 。 合金 中没 有特意 添加 微量 元素 ， 成分 分析结果表 明所 有微量元素的含量均 很低 。 线 衍射分 析证 实为单 一 。 相 ， 而对 元素 的 面扫描分 析也表 明该 元素在晶 内及晶 界的分 布 基本均 匀 如 图 ， 至 少可 以排除 晶 界第 相 鬓薰… 图 合金 的铬元素面 分布 对室温脆性产生 的影响 。 从加 后断裂 强度 提高 、 延 伸率提高 、 且断裂模 式 由单 一的解理 转 变为沿 晶及解 理的 混合模 式现 象来看 ， 添加 以后室温塑性的改善应 归于解理强度的提高 ， 解 理强度和 晶 界强 度的相对 关 系发生变化 。 某些 晶 界的强 度相对较 低 成为导致断裂的部分 原 因 。 而解理强 度的提高 则可能 与 添加 后在 。 中占据的 位置 有关 。 正 在进行的相关工 作表 明 ， 原子同时 占居 了 。 结构 中原来 原子和 原子的 位置 〔 ’ 。 原子不 但改变 了 、 原子的 近邻关 系 ， 并 引人 了新 的 一 、 一 原 子配对 ， 从而 使 晶体 结构 中原子键 性质 发生 改变 。 结 论 合金 元素 及合 理的加工工 艺可 明显改善 。 金 属间化 合 物的 室温 塑性 ， 其断裂 模 式 由单一解理转变为解理和沿晶断裂的 混合模 式 高于 的 对 于进一步 增加延伸率无 显 作用 。 合金 元素 导致室温塑性改善 的原 因可 初步 归结为 。 金 属间化合物原子 间相互 作用 的 增强导致 了解理强度的提高 。 唾琴

致谢：本实验的材料熔炼和热加工均在英国设菲尔得大学材料学院进行，H·A·Davi©s教授提供了原材料和实验 设备，作者在此深表谢意。 参考文献 1 Mckamey C G and Liu C T.DE8700391 2 Mckamey C G and Liu C T,et al.ORNL/TM-10793 3 Gerhard Sauthoff.BP77 (1986)H10,Intermetallic Phase as High Tem- perature Materials 4孙祖庆，斯燕飞等。待发表 2郑建亭，孙超等。金属学报，1990,26(1)：20 6 Liu C T,Lee E H,Henson T J.Initial Development of High-Temperature Titanium Silicide Alloys,1988,ORNL-6435 7 Liu C T,Mckamey C G,Lee E H.Scripta Metal,1990,24:385~390 8 Bond C M,Robertson I M,Birnbanm H K.Acta Metal,1989,37:1407 楔横轧柴油机凸轮轴毛坯 1887年12月，北京科技大学与山东省莱芜市第二实业公司签定协议书，开展楔横轧新工 艺生产柴油机凸轮轴毛坯的实验研究，于1988年6月在北京科技大学实验室研制成功，同年 底在工厂试生产成功。 1989年5月19~21日，由冶金部科技司组织签定通过，签定主要意见为： (1)楔横轧工艺代替粗车工艺，生产“175”、“195”凸轮轴毛坯，经50000多件生产 考核，工艺是合理的、技术是先进的、产品质量是可靠的。 (2)凸轮轴毛坯采用楔横轧工艺生产，同用圆棒料车削加工的原工艺相比，单机生产效 效率提高4~6倍，节材率“I75”为38.7%，“195”为20%，产品综合机械性能提高30%以 上。 (3)密集非对称多凹挡台阶的“195”凸轮轴，是在理论与实践上解决了特殊轧制曲线的 设计与加工基础上实现的。这种楔横轧凸轮轴工艺，不仅国内首创，并具有国际先进水平。 (4)经济效益显著。按莱芜凸轮轴厂1989年年产60万件计，节材40t(45号钢)，价值 74,8万元，节约粗加工费30万元。据测算、全国年产这两种凸轮轴300万件以上，若全部采 用此工艺，年节料约2500t,价值400多万元。 1 (5)建议主管部门将这一科研成果列人技术改造计划，并在全国推广。 543

致谢 本实验的 材料熔炼和 热加工均 在英国设菲尔得大学 材料学 院进行 ， · · 室 教授提供 了原材料和 实验 设备 ， 作者在此深表谢 意 。 参 考 文 献 。 ， 。 一 。 ， ， 孙 祖庆 ， 斯燕飞 等 。 待发表 郑建 亭 ， 孙 超等 。 金 属学报 ， ， ， ， 。 一 。 ， 一 ， ， ， ， ， ， ， ， 楔横轧柴油机凸轮轴毛坯 年 月 ， 北京科技 大学 与山东省莱芜市 第二 实业 公 司签定协议 书 ， 开展 楔横轧新工 艺生产柴油机凸 轮轴毛坯的 实验研 究 ， 于 年 月在北京科 技 大学实 验室研制 成功 ， 同 年 底在工厂试生 产 成功 。 年 月 一 日 ， 由冶 金部科技 司组织 签定通过 ， 签定主要意见为 楔横轧 工艺 代替粗车工艺 ， 生产 ” 、 ” 凸轮 轴毛坯 ， 经 多件生 产 考核 ， 工 艺是合理 的 、 技 术是 先进的 、 产品 质量是可靠的 。 凸轮 轴毛坯采 用 楔 横轧工 艺生产 ， 同用 圆棒料车 削加工的 原工 艺相 比 ， 单机生 产效 效率提高 倍 ， 节材率 “ ， 为 。 ， “ ” 为 ， 产品 综 合机械性能 提高 以 上 。 密集非 对称多 凹挡 台阶 的 ” 凸轮轴 ， 是在理论 与实践上 解决 了特 殊轧 制 曲线 的 设计与加工基础上 实现 的 。 这 仲楔横轧 凸轮 轴工艺 ， 不 仅国内首 创 ， 并具有 国际 先进水平 。 经济效益 显著 。 按 莱芜 凸轮 轴厂 年年产 万件 计 ， 节材 号 钢 ， 价 值 。 万元 ， 节约粗加 工 费 万 元 。 据 测算 、 全国年 产这两 种 凸轮 轴 万 件 以上 ， 若 全部 采 用此工艺 ， 年节料 约 ， 价值 多万元 。 建议主管部门将这一科研 成果 列人技术 改造计划 ， 并在 全国推广 。 石