【摘要】：轻质高铝耐热钢具有良好的耐高温特性,在航天、海洋开发、汽车制造、能源、医疗器械等领域具有广阔的应用前景。由于铝是较活泼的金属,在钢中易与其它元素形成化合物第二相,例如铝与铁可形成FeAl和Fe_3Al等有序相,钢中第二相对钢的机械性能、物理化学性能等有着至关重要的影响,因此研究高铝耐热钢中的第二相对高铝钢的开发有着明显的工程应用价值和学术意义。本文采用热力学、第一性原理计算和固溶时效实验及XRD、EDS等检测方法研究了Fe-Cr-Al-N高铝耐热钢中第二相的析出(分解)温度、种类、形貌、大小和分布特征。通过FactSage热力学计算并预测钢中第二相析出(分解)温度、第二相种类和最大可能析出量,使用第一性原理计算并预测了Cr含量对FeAl有序相的稳定性及力学性能的影响,通过固溶时效处理、DSC热分析、XRD、金相显微镜和扫描电子显微镜等检测方法研究第二相的析出(分解)温度、种类、形貌、大小及其分布特征。同时对试样钢的硬度和耐蚀性能进行了检测,结果表明:Fe-Cr-Al-N高铝耐热钢中可能存在化合物第二相主要有:FeAl、Fe_3Al、Fe_4N、Fe_3C、Al_9Cr_4、Al_8Cr_5、AlN及Cr_(23)C_6;理论计算和实验检测结果表明钢中稳定存在的第二相化合物主要是FeAl和AlN,其他种类的化合物第二相由于不稳定或量太少而未被检测到。热力学计算表明FeAl有序相和AlN的析出温度分别是570℃、1620℃,热分析测试表明FeAl有序相析出的范围为561℃~740℃;AlN的析出温度1620℃高于钢的熔点1495℃,属于液析化合物。第一性原理结果表明:Cr掺杂能提高FeAl有序相的稳定性,主要表现为Cr的添加使得FeAl体系的总态密度在低能级-72.24~71.24eV和-44.09~42.46eV能量范围内多出2个成键峰,且随着Cr含量的增加,所有成键峰强度明显增强、电荷密度增大、电子转移增多,电子间的相互作用增强。Cr的掺杂还能提高FeAl化合物相的强度、抗切变和抗形变能力。且随着Cr含量的增加,FeAl化合物有序相的强度逐渐增大,而抗切变和抗形变能力呈先增大后减小的趋势,在Cr含量达18.75%时,抗切变和抗形变能力达最大值。Cr含量小于18.75%,Cr元素将提高FeAl相的室温脆性,但当Cr含量达到25%时,Pugh模量、泊松比和Cauchy压力常数均达最大值2.300、0.31、60.777,降低了FeAl相室温脆性。高铝耐热钢中由于Cr的存在,提高了FeAl有序相稳定性,因此高铝耐热钢中FeAl有序相很容易大量生成。Fe-Cr-Al-N高铝耐热钢铸态基体为铁素体,组织致密,没有明显的宏观气孔、裂纹、缩孔等缺陷,但晶粒粗大,其直径达到500~600微米,而且出现了晶界富铬贫铝的现象;第二相AlN以小颗粒形式分布在基体上;XRD检测结果表明:组织中存在较多的FeAl有序相,但是由于FeAl有序相与钢的基体铁素体均为体心立方结构,所以在金相和扫描电子显微镜中都没观测到FeAl有序相的形貌。固溶态基体为铁素体,组织致密,扫描电子显微镜中观测到少量小颗粒分布在基体上,能谱检测结果表明小颗粒为贫铝相;高铝钢在空气中固溶处理后,表层的铝全被烧完、铁铝氧化物脱落,最终导致钢出现严重的脱铝现象。对两种固溶态在温度分别为550℃、600℃、650℃下进行时效处理,结果表明:时效态基体为铁素体,组织致密。能谱分析和XRD检测结果表明:仅在时效温度为550℃下检测到FeAl有序相,表明该温度为析出FeAl相的最优时效温度值。同时观测到少量小颗粒分布在基体上,能谱检测结果表明小颗粒既有富铬相,也有贫铬相,说明经时效处理后,基体存在成分偏析。表层的铝被烧掉的固溶态在550℃和650℃时效处理后,仍未在表层析出铝。试样经不同的固溶时效处理后,硬度发生了变化。铸态、固溶态、550℃时效态、600℃时效态、650℃时效态的硬度分别为204.84HV、176.12HV、253.84HV、212.35HV和210.83HV。由于试样钢经固溶处理并未发生奥氏体向马氏体转变,并且硬质合金相及化合物相溶入基体,因此经过固溶处理会使得钢的硬度降低。时效处理后硬质合金相及化合物相析出,提高了钢的硬度。550℃时效态、600℃时效态、650℃时效态、铸态的腐蚀电位依次为-0.741V、-0.736V和-0.637V、-0.575V。铸态钢的耐蚀性良好,耐腐蚀性能由大到小顺序排列为:铸态650时效态600时效态550时效态。经时效处理后耐腐蚀性能降低表明时效过程中析出硬质相,550℃时效态的耐腐蚀性能最差,推测550℃处析出的第二相的量最多。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG142.73
【图文】：
10图 2.1（a）Fe-Al、（b）Fe-C、（c）Fe-N、（d）Al-N、（e）Al-Cr、（f）Cr-C、（g）Cr-Si 二元相图Fig.2.1 Binary phase diagrams of (a)Fe-Al、(b)Fe-C、(c)Fe-N、(d)Al-N、(e)Al-Cr、(f)Cr-C、(g)Cr-Si如图2.1（a）为Fe-Al合金二元相，从图中可以看出可能形成的化合物有Fe3l、FeAl2、Fe2Al5四种化合物相，然而 Fe-Al 二元系中 Al 的含量占 5.9%，
图 2.2 Fe-Cr-Al-N 中第二相的最大可能析出量随温度的变化（a）Liquid、（b）AlN、（c）FeAl、（d）（Fe,Cr）7C3和（Fe,Cr）23C6Fig.2.2 The maximum possible precipitation of the second phase changes with the temperature inFe-Cr-Al-N of （a）Liquid、（b）FeAl、（c）AlN、（d）（Fe,Cr）7C3and （Fe,Cr）23C6图 2.2（a）为钢液可能的最大含量随温度变化曲线图，可以看出从 1620℃降温过程中，随着温度的降低，钢液逐渐凝固且在 1495℃时，凝固完全，即 Fe-Cr-Al-N的熔化温度为 1495℃。图 2.2（b）为 AlN 第二相的最大可能析出量随温度变化的曲线图，当温度从 1620℃开始降低时，开始析出 AlN，且随着温度的降低，AlN可能析出的最大含量逐渐增加，在 1400℃时，AlN 的最大可能析出量达 0.05%，之后随着温度的降低，AlN 最大可能析出量基本保持不变。如图 2.2（c）所示为FeAl 有序相的最大可能析出量随温度变化的关系图，从图中可以看出温度从1620℃逐渐降低至 570℃时，FeAl 有序相开始析出，且随着温度的不断降低其最大可能析出量不断增加，当温度达到 30℃时，其最大可能析出量达 16.23%。图 2.2（d）为（Fe,Cr）7C3和（Fe,Cr）23C6第二相的最大可能析出量随着温度变化的曲
【参考文献】
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本文编号：
2732333
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