代位合金元素对Fe3Al金属间化合物塑性与氧化行为的影响

D0I:10.13374/.issn1001-053x.1996.03.011 第18卷第3期 北京科技大学学报 Vol.18 No.3 1996年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jn1996 代位合金元素对Fe,Al金属间化合物塑性与 氧化行为的影响 杨王玥盛丽珍徐峰黄原定孙祖庆 北京科技大学材料科学与工程系，北京100083 摘要研究了将Cr,Mo,Mn、Ti,Ni.Si等合金元素分别加人当量成分的Fe,Al金属间化合物 后对其室温塑性、800℃周期氧化性能，氧化物结构及A1元素由试样表面向内部的分布状态的 影响.结果表明，只有Cr元素提高了DO,结构的F,A金属间化合物合金在真空中的室温拉伸 延伸率，其他元素都不同程度地降低了合金的塑性，C提高室温塑性的主要原因不是由于Cr改 变了合金的表面氧化动力学或改变了表面氧化物结构及表面状态，进而降低了环境敏感性的缘故， 关键词塑性，氧化/铁铝化物，环境敏感 中图分类号TG135.4 F,A]合金由于其严重的室温脆性而影响了它作为结构材料的广泛应用.已有的实验结 果表明，在Cr、Ni、Mo、Ti、Mn、Si等固溶合金元素中，Cr是唯一可以提高FeAl基金属 间化台物合金在空气中室温拉伸延伸率的合金元素，在探讨Cr提高F,A]合金室温塑性机 制的问题时、存在这样两种基本观点，其一认为C改善塑性的主要原因是Cr的加入，改变 了合金的内禀特性，降低反相畴界能(APB),超结构四分位错间距变大，容易发生交滑 移，因而表现出较高的塑性"一；其二认为是Cr改变了合金表面状态，改变了氧化动力学 及氧化物的化学成分、结构进而减弱了表面环境敏感效应[：.为此，本研究进行了F,Al合 金及其分别含有Cr、Mn、Mo、Ti、Ni等固溶合金元素的5种合金在8O0℃的周期氧化试 验及真空中的室温拉伸试验，研究了上述6种合金的氧化动力学、氧化膜结构、由表面向试 样内部的成分变化，试图了解上述合金元素分别对表面状态的作用及对其塑性的影响· 1实验方法 试验合金设计成分(atom),%)分别为Fe-25Al、Fe-25Al-5Cr.Fe-25Al-5Ti、Fe- 25A1-5Mo、Fe-25Al-5Mn,Fe-25A1-3Ni和Fe-20Al-5Si.采用真空电弧钮扣炉熔 炼，翻动3~4次，浇铸成锭.随后在1000℃均匀化扩散退火24h,随炉冷.铸锭在1000℃ 锻成6~7mm厚的板，然后在950~600℃经多道次轧制成1.0~1.2mm厚的板材.沿轧 向切取工作标距为3mm×10mm的真空拉伸试样，将拉伸试样在750℃再结品退火处理1h 后，再在500℃有序化处理13d以得到DO,结构的等轴品组织·为了消除表面氧化膜对真 空拉伸性能的影响，将试样在硫酸+甲醇(1：I3)电解液中抛光以去除表面氧化膜，电压为 1995-09-12收搞 第一作者女9岁副教授 ·国家63课题

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 几 代位合金元 素对 金 属 间化合物塑性 与 氧化行为的影 响 ’ 杨 王 明 盛 丽 珍 徐 峰 黄原 定 孙祖庆 北 京科 技 大 学 材 料 科 学 与上 程 系 ， 北 京 幻 摘要 研 究 了将 、 。 、 、 、 、 等合金元 素分别加人 当量成分的 金 属 间化 合物 后 对其室 温 塑性 、 图 ℃ 周期 氧化性 能 、 氧化物结构及 元 素 由 试样 表 面 向 内部 的 分 布 状 态 的 影 响 结果表 明 ， 只有 元 素提 高 了 】 〕 结 构的 川 金 属 间化合物 合金 在 真 空 中的 室 温 拉 伸 延 伸率 ， 其他元 素都不 同程 度地 降低 了合金 的塑性 提高室 温 塑性 的主要 原 因不 是 由于 改 变了合金 的表面氧化动力学或改变了表面氧化物结构及表面状态 ， 进而降低 了环境敏感性 的缘故 关键词 塑性 ， 氧化 铁铝 化物 ， 环境敏感 中图分类号 月 合金 由于 其严 重 的室 温脆性 而 影 响 了它作 为结 构 材 料 的 广 泛 应 用 己 有 的实 验 结 果表 明 ， 在 、 、 、 、 、 等固溶 合金 元 素中 ， 是 唯一 可 以提 高 基 金属 间化毛物合金在 空 气 中室 温拉伸延 伸率 的合金 元 素 在 探 讨 提 高 川 合 金 室 温 塑 性 机 制 的 问题 时 ， 存在 这样 两 种基 本观 点 其一认 为 改 善塑性 的主要 原 因是 的加 人 ， 改 变 了 合金 的 内察 特 性 ， 降低 反 相 畴 界 能 ， 超 结 构 四 分 位 错 间距 变 大 ， 容 易 发 生 交 滑 移 ， 因而 表 现 出较 高 的塑性 一 ’ 其二认 为是 改变 了合金 表 面状态 ， 改 变 了 氧 化 动 力 学 及 氧化物 的化学成分 、 结 构进而 减 弱 了表 面 环境敏感 效 应 ‘ 为 此 ， 本 研 究 进 行 了 合 金 及其分别含有 、 、 、 、 等 固溶合金元 素的 种 合 金 在 ℃ 的 周 期 氧 化 试 验及真 空 中的室 温拉伸 试验 研 究 了 上 述 种合金 的氧化 动力学 、 氧化膜结构 、 由表 面 向 试 样 内部 的成分变化 ， 试 图了解 上 述 合金元 素分别 对表 面状 态 的作 用及 对其 塑性 的影 响 实验方法 试验合金设计成分 ， 分别为 一 、 一 川 一 、 一 川 一 、 一 一 、 一 川 一 、 一 川 一 和 一 一 采 用 真 空 电 弧 钮 扣 炉 熔 炼 ， 翻动 一 次 ， 浇铸成锭 随后在 ℃ 均匀化扩散退 火 ， 随炉冷 铸锭在 ℃ 锻成 一 厚 的板 ， 然后在 一 ℃ 经多道次轧制成 一 厚 的板材 沿轧 向切取工 作标距 为 又 的真空 拉伸 试样 将拉伸 试样在 ℃ 再结 晶退 火处理 后 ， 再在 ℃ 有序 化处理 以 得 到 减〕 结 构 的等 轴 晶组 织 为 了 消 除 表 面 氧 化 膜 对真 空拉伸性 能 的影 响 ， 将 试样 在硫 酸 十 甲醇 电解液 中抛 光 以 去 除表面 氧化膜 ， 电压 为 一 珍 一 收 稿 国 家 课题 第 一 作 者 女 岁 副教 授 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1996．03．011

·250· 北京科技大学学报 1996年No.3 6~7V.真空拉伸试验在Gleeble-1500机上进行，真空度为l.333×10-2Pa,拉伸速率为 3.3×103/5.每种合金至少保证2根试样的断裂部位在拉伸试样的工作标距以内.氧化试样 尺寸为1mm×10mm×15mm,各面机械磨光，800℃周期氧化试验在空气中进行.为了测 定合金元素在DO,结构的F,Al金属间化合物表面到内部的分布情况，将800℃氧化后的 试样再在500℃处理13d.用X射线衍射技术分析氧化膜结构，试样横截面氧化膜及拉伸 断口形貌观察在S一250扫描电镜上进行，采用线扫描及能谱观察从试样表面向内部的成分 分布及变化· 2实验结果 2.1真空拉伸试验 6种试验合金的真空拉伸曲线见图1.由曲线得到，二元Fe-25Al合金与三元Fe-25A1-5Cr 合金已发生屈服进人塑性变形阶段，与Fe-25A1合金相比，Cr元素的加人，使合金的屈服 强度由841MPa降为695MPa,拉伸延伸率由5.18%提高到9.10%，断裂强度由990MPa提 高到1084MPa;分别加人Mo、Mn,Ti、Ni等元素后，合金的拉伸延伸率依次降为3.70%、 2.10%、4.65%及2.15%，断裂强度分别降至664、553、604及522MP. 1500 1300- Fe-25AI Fe-25Al-SCr 三 500 Fe-25Al-5Mo Fe-25Al -5Mm Fe-25Al-STi Fe-25Al-3Ni 人0 0 图16种试验合金室温真空拉伸曲线 2.2氧化试验 周期氧化试验在800℃进行，每隔48h称重1次，直到变化平稳为止，试样氧化增重 随时间变化曲线如图2所示，周期氧化增重动力学结果表明，本研究6种试验合金中，F,A1 合金的周期氧化增重值随时间的增长速度最慢，抗氧化性能最好.分别加入Cr、Ti、Mo、M、 Ni元素以后，不同程度地降低了合金的抗氧化性.抗氧化性能依次为Fe-25Al、Fe-25A1-3Ni、 Fe-25Al-5Mn.Fe-25A1-5Mo、Fe-25A1-5Ti、Fe-25A1-5Cr逐渐降低.其中，Fe-25Al-5Cr 合金的氧化增重最多，曲线位于最上方，加入Ti元素的合金在氧化200h后曲线斜率发生明 显变化，增重速度加快，在氧化440h时与Fe-25A1-5Cr合金氧化增重值接近，尽管如 此，本研究所有试验合金的抗氧化性能仍明显优于耐热不锈钢[1

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 年 一 真 空 拉 伸试验 在 一 机 上 进 行 ， 真 空 度 为 一 ， 拉 伸 速 率 为 一 ’ 每种 合金 至 少保证 根 试样 的断裂部位在拉伸试样 的工作标距 以 内 氧化试样 尺 寸 为 巧 工 各面机械磨光 ， ℃ 周期氧化试验在 空气 中进 行 为 了 测 定 合金 元 素在 〕 结构 的 月 金属 间化合物表 面 到 内部 的分 布情 况 ， 将 ℃ 氧 化 后 的 试样再在 ℃ 处理 用 射线衍射技 术分析 氧 化 膜 结 构 ， 试样 横 截 面 氧 化 膜 及 拉 伸 断 口 形貌 观 察在 一 扫描 电镜上 进行 ， 采用线扫描及能谱观 察从 试 样 表 面 向 内部 的 成 分 分布及 变 化 实验结果 真空拉伸试验 种 试验合金 的真空拉伸曲线见图 由曲线得到 ， 二元 一 合金与三元 一 一 合金 已 发 生屈服 进入 塑性 变形 阶段 与 一 合金 相 比 ， 元 素的加 人 ， 使合 金 的 屈 服 强度 由 降为 ， 拉伸延 伸率 由 提高到 ， 断裂强度 由 提 高到 分 别加 入 、 、 、 等元素后 ， 合金的拉伸延 伸率依次降为 、 、 及 ， 断裂强度分别 降至 、 、 及 二种二卫 珊绷 己乏一勺 图 种试验合金室温真空拉伸 曲线 氧化试验 周期 氧化 试验在 ℃ 进行 ， 每 隔 称重 次 ， 直 到 变 化 平 稳 为 止 试 样 氧 化 增 重 随时 间变 化 曲线 如 图 所 示 周期 氧 化增 重 动力 学结果表 明 ， 本研究 种 试验合金 中 ， 合金的周期氧化增重值随时 间的增 长 速度最慢 ， 抗 氧化性 能最 好 分别 加人 、 、 、 、 元素以后 ， 不 同程度地降低 了合金 的抗 氧化性 抗氧化性能依次为 一 月 、 一 月 一 、 一 一 、 一 一 、 一 一 、 一 一 逐渐 降低 其 中 ， 一 一 合金 的氧化增 重最 多 ， 曲线位于 最 上方 加 人 元 素 的合金 在 氧化 后 曲线斜率发生明 显 变 化 ， 增 重 速 度 加 快 ， 在 氧 化 科 时 与 一 川 一 合 金 氧 化 增 重 值 接 近 尽 管 如 此 ， 本研 究所有 试验合金 的抗 氧化性 能仍 明显 优于 耐热不锈钢 ’

Vol.18 No.3 杨王月等：代位合金元素对F,Al金属间化合物塑性与氧化行为的影响 ,251. 0.50 Fe-25Al-SCr 0.40- Fe-25Al-5Ti Fe-25Al-5Mo 月0,30 Fe-25Al-3Ni 置 Fe-25Al-5Mn Fe-25Al ©0.20 周期氧化 0.10 800℃ 周期：48h 0.00 200 400 t/h 图2800℃周期氧化曲线 3讨论 本研究以FeAl当量成分Fe-25Al合金为基本参照，分别加入Cr、Ti、Mo、Mn、Ni、 Si等元素，经X射线衍射分析确定，Fe-25A1-5Cr、Fe-25Al-5Ti、Fe-25A1-5Mo、 Fe-25A]-5Mn、Fe-25Al-3Ni、Fe-20Al-5Si合金均为单相固溶体.热加工过程中发现Si 元素的加入使合金塑性大幅度降低，Fe-20Al-5Si合金在锻造过程中锻裂，得不到板材， 包括F©，Al二元合金在内的6种合金均能通过锻造及热轧工艺制得试验用板材， 本研究采用了真空拉伸试验，基本排除了环境敏感的影响；又用电解抛光去除了拉伸试样 的表面氧化膜，可以较真实地反映材料本身的性质，DO,结构、等轴晶的Fe-25A1二元合 金在真空中的室温拉伸延伸率为5.18%，而在空气中的仅为2.00%1.21.SEM断口形貌观察 结果表明，空气中拉断的F-25Al合金断口为非常典型的脆性解理，解理面上有清晰的河 流条纹).真空拉伸试验排除了环境敏感的影响，断口解理面上显示出明显的微量塑性变形 痕迹，即浅韧窝（图3）·表明有序化程度很高的DO,结构F,Al合金本身具有一定的塑 性，在裂纹扩张过程中有一部分能量用于克服裂纹尖端的塑性变形功，表现出比空气中更高 的室温拉伸延伸率；而在空气中由于环境敏感的影响使它变得很脆·与图1结果相对应的 是，在Cr、Ti,Mo、Mn,Ni等5种固溶合金元素中，唯有Cr提高了DO,结构Fe,Al合金 的、真空中的室温拉伸延伸率，并表现为沿晶断裂形貌；而其他元素的加人都不同程度地降 低延伸率，合金表现为明显的脆性解理断裂（图3），由于拉伸试验在真空中进行，同时又 去除了试样表面的氧化膜，上述结果应反应出所研究的几种合金元素分别对F,A!合金内禀 特性的影响而不可能是表面状态的影响（即使有影响的话）· 另一个问题是，为了搞清合金元素Cr对F,Al合金在空气中的拉伸塑性的有利作用是 否主要由于表面状态的改变，本工作对氧化膜结构的研究及表层化学成分的分析结果对回答

杨 王 王月等 代位合金 元 素对 川 金 属 间化合物 塑性 与氧化行 为的影 响 厂 一 住 住 尹、 弋 尹芬 二少群 一 月 、 · 侧剪一罗 周 期 氧化 〕 〕 ℃ 周 期 的 图 以】 ℃ 周期氧化 曲线 讨论 本研究 以 当量成分 一 月 合金 为基 本参 照 ， 分 别 加 入 、 、 、 、 、 等 元 素 ， 经 射 线 衍 射 分 析 确 定 ， 一 月 一 、 一 川 一 、 一 一 、 一 川 一 、 一 月 一 、 一 川 一 合金均 为单相 固溶体 热加工过程 中发现 元 素的加 入使合 金 塑 性 大 幅 度 降低 ， 一 一 合 金 在 锻 造 过 程 中锻 裂 ， 得 不 到 板 材 包括 川 二元合金 在 内的 种合金 均 能通 过 锻造及 热轧工 艺制得 试验用板材 本研究 采用 了真 空 拉伸试验 ， 基 本排 除了环境敏感的影响 又用 电解抛光去除了拉伸 试样 的表 面 氧化膜 ， 可 以 较真 实地反 映材 料 本身 的性 质 】叉〕 结 构 、 等 轴 晶 的 一 二 元 合 金在 真 空 中的室温拉伸延 伸率为 ， 而 在 空 气 中的仅为 ’ ， 断 口 形貌观 察 结果 表 明 ， 空 气 中拉 断的 一 合金 断 口 为非 常典 型 的脆 性 解 理 ， 解 理 面 上 有 清 晰 的河 流条纹 ’ 真 空 拉伸试验 排 除 了环境敏感 的影 响 ， 断 口 解理 面上 显示 出明显 的微 量 塑 性 变 形 痕 迹 ， 即 浅 韧 窝 图 表 明有 序化 程 度 很 高 的 〕 结构 合 金 本 身 具 有 一 定 的 塑 性 ， 在 裂 纹 扩 张过 程 中有一部分能量 用于 克服 裂纹尖端 的塑性 变形 功 ， 表现 出 比空气中更高 的室温 拉伸延 伸率 而 在 空 气 中 由于 环 境 敏 感 的 影 响 使 它 变得 很 脆 与 图 结 果 相 对应 的 是 ， 在 、 、 、 、 等 种 固溶合金元 素中 ， 唯有 提 高 了 〕 结 构 合 金 的 、 真 空 中的室温拉伸延 伸率 ， 并 表 现 为沿 晶断裂形 貌 而 其他元 素的加 人都不 同程度 地降 低延 伸率 ， 合金 表 现 为 明显 的脆性 解理 断裂 图 由于 拉 伸 试 验 在 真 空 中进 行 ， 同 时 又 去 除 了试样 表 面 的氧化膜 ， 上 述结果 应反 应 出所研究 的几种 合金元 素分别 对 合 金 内察 特性 的影 响而 不 可 能是表 面状态 的影 响 即使有影 响 的话 另 一个 问题是 ， 为 了搞清合金元 素 对 合 金 在 空 气 中 的拉 伸 塑 性 的有 利 作 用 是 否 主要 由于 表 面状态 的改 变 ， 本工作 对氧化膜结构 的研究 及 表层 化 学成 分 的分 析结果 对 回答

杨 王 王月等 代位合金 元 素对 川 金 属 间化合物 塑性 与氧化行 为的影 响 厂 一 住 住 尹、 弋 尹芬 二少群 一 月 、 · 侧剪一罗 周 期 氧化 〕 〕 ℃ 周 期 的 图 以】 ℃ 周期氧化 曲线 讨论 本研究 以 当量成分 一 月 合金 为基 本参 照 ， 分 别 加 入 、 、 、 、 、 等 元 素 ， 经 射 线 衍 射 分 析 确 定 ， 一 月 一 、 一 川 一 、 一 一 、 一 川 一 、 一 月 一 、 一 川 一 合金均 为单相 固溶体 热加工过程 中发现 元 素的加 入使合 金 塑 性 大 幅 度 降低 ， 一 一 合 金 在 锻 造 过 程 中锻 裂 ， 得 不 到 板 材 包括 川 二元合金 在 内的 种合金 均 能通 过 锻造及 热轧工 艺制得 试验用板材 本研究 采用 了真 空 拉伸试验 ， 基 本排 除了环境敏感的影响 又用 电解抛光去除了拉伸 试样 的表 面 氧化膜 ， 可 以 较真 实地反 映材 料 本身 的性 质 】叉〕 结 构 、 等 轴 晶 的 一 二 元 合 金在 真 空 中的室温拉伸延 伸率为 ， 而 在 空 气 中的仅为 ’ ， 断 口 形貌观 察 结果 表 明 ， 空 气 中拉 断的 一 合金 断 口 为非 常典 型 的脆 性 解 理 ， 解 理 面 上 有 清 晰 的河 流条纹 ’ 真 空 拉伸试验 排 除 了环境敏感 的影 响 ， 断 口 解理 面上 显示 出明显 的微 量 塑 性 变 形 痕 迹 ， 即 浅 韧 窝 图 表 明有 序化 程 度 很 高 的 〕 结构 合 金 本 身 具 有 一 定 的 塑 性 ， 在 裂 纹 扩 张过 程 中有一部分能量 用于 克服 裂纹尖端 的塑性 变形 功 ， 表现 出 比空气中更高 的室温 拉伸延 伸率 而 在 空 气 中 由于 环 境 敏 感 的 影 响 使 它 变得 很 脆 与 图 结 果 相 对应 的 是 ， 在 、 、 、 、 等 种 固溶合金元 素中 ， 唯有 提 高 了 〕 结 构 合 金 的 、 真 空 中的室温拉伸延 伸率 ， 并 表 现 为沿 晶断裂形 貌 而 其他元 素的加 人都不 同程度 地降 低延 伸率 ， 合金 表 现 为 明显 的脆性 解理 断裂 图 由于 拉 伸 试 验 在 真 空 中进 行 ， 同 时 又 去 除 了试样 表 面 的氧化膜 ， 上 述结果 应反 应 出所研究 的几种 合金元 素分别 对 合 金 内察 特性 的影 响而 不 可 能是表 面状态 的影 响 即使有影 响 的话 另 一个 问题是 ， 为 了搞清合金元 素 对 合 金 在 空 气 中 的拉 伸 塑 性 的有 利 作 用 是 否 主要 由于 表 面状态 的改 变 ， 本工作 对氧化膜结构 的研究 及 表层 化 学成 分 的分 析结果 对 回答

参考宴蕙 D餐c160o 骨芽0用定事 廈髦养题0注寶 糕de0是

杨 王 王月等 代位合金 元 素对 川 金 属 间化合物 塑性 与氧化行 为的影 响 厂 一 住 住 尹、 弋 尹芬 二少群 一 月 、 · 侧剪一罗 周 期 氧化 〕 〕 ℃ 周 期 的 图 以】 ℃ 周期氧化 曲线 讨论 本研究 以 当量成分 一 月 合金 为基 本参 照 ， 分 别 加 入 、 、 、 、 、 等 元 素 ， 经 射 线 衍 射 分 析 确 定 ， 一 月 一 、 一 川 一 、 一 一 、 一 川 一 、 一 月 一 、 一 川 一 合金均 为单相 固溶体 热加工过程 中发现 元 素的加 入使合 金 塑 性 大 幅 度 降低 ， 一 一 合 金 在 锻 造 过 程 中锻 裂 ， 得 不 到 板 材 包括 川 二元合金 在 内的 种合金 均 能通 过 锻造及 热轧工 艺制得 试验用板材 本研究 采用 了真 空 拉伸试验 ， 基 本排 除了环境敏感的影响 又用 电解抛光去除了拉伸 试样 的表 面 氧化膜 ， 可 以 较真 实地反 映材 料 本身 的性 质 】叉〕 结 构 、 等 轴 晶 的 一 二 元 合 金在 真 空 中的室温拉伸延 伸率为 ， 而 在 空 气 中的仅为 ’ ， 断 口 形貌观 察 结果 表 明 ， 空 气 中拉 断的 一 合金 断 口 为非 常典 型 的脆 性 解 理 ， 解 理 面 上 有 清 晰 的河 流条纹 ’ 真 空 拉伸试验 排 除 了环境敏感 的影 响 ， 断 口 解理 面上 显示 出明显 的微 量 塑 性 变 形 痕 迹 ， 即 浅 韧 窝 图 表 明有 序化 程 度 很 高 的 〕 结构 合 金 本 身 具 有 一 定 的 塑 性 ， 在 裂 纹 扩 张过 程 中有一部分能量 用于 克服 裂纹尖端 的塑性 变形 功 ， 表现 出 比空气中更高 的室温 拉伸延 伸率 而 在 空 气 中 由于 环 境 敏 感 的 影 响 使 它 变得 很 脆 与 图 结 果 相 对应 的 是 ， 在 、 、 、 、 等 种 固溶合金元 素中 ， 唯有 提 高 了 〕 结 构 合 金 的 、 真 空 中的室温拉伸延 伸率 ， 并 表 现 为沿 晶断裂形 貌 而 其他元 素的加 人都不 同程度 地降 低延 伸率 ， 合金 表 现 为 明显 的脆性 解理 断裂 图 由于 拉 伸 试 验 在 真 空 中进 行 ， 同 时 又 去 除 了试样 表 面 的氧化膜 ， 上 述结果 应反 应 出所研究 的几种 合金元 素分别 对 合 金 内察 特性 的影 响而 不 可 能是表 面状态 的影 响 即使有影 响 的话 另 一个 问题是 ， 为 了搞清合金元 素 对 合 金 在 空 气 中 的拉 伸 塑 性 的有 利 作 用 是 否 主要 由于 表 面状态 的改 变 ， 本工作 对氧化膜结构 的研究 及 表层 化 学成 分 的分 析结果 对 回答