（材料学专业论文）合金元素对粉末冶金低合金钢性能和组织的影响研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 本论文基于前人研究n i 元素添加对f e 基体的影响，确立了以 f e 2 n i 为基体，向其中分别添加c r 、m o 元素来研究这两种元素对 f e 。2 n i 合金的影响，并最终期望获得一种综合性能较优的合金。 用注射成形方法( m i m ) 制各f e 一2 n i x c r ( x = o 5 ，1 ，3 ) 合金研 究表明：随着c r 含量的增加，合金密度降低，孔隙增多且变大。合 金烧结态强度和硬度增加，延伸率和冲击功下降。合金的断口形貌 由韧窝向河流花纹状的解理形貌转变。烧结态合金的微观组织为珠 光体+ 很少量的铁素体，f e 2 n i 3 c r 合金中出现n i 的富集区；热处 理态合金的微观组织加入c r 后变为回火屈氏体，且在f e 。2 n i 3 c r 合 金中出现网状的渗碳体。 烧结温度的高低和烧结时间的长短直接影响着合金的扩散和孔 隙的变化。本论文对f e ( c s ) 2 n i 一1 c 什0 3 c 合金分别在1 1 2 0 、 1 2 5 0 、1 3 3 6 三种温度下烧结研究发现，随着烧结温度的提高， f e ( c s ) 2 n i 1 c 什o 3 c 合金的密度逐渐提高，抗拉强度、硬度和延伸 率也逐渐提高。我们引入扩散函数坷t ，t ) 反映烧结过程中能量的输 入，可用其来预测合金性能，用扩散函数稚，t ) 预测f e ( c s ) 2 n i 1 c r _ 卜o 3 c 合金性能抗拉强度和硬度的公式分别为o = 0 5 0 1 5 鳅， t ) + 3 2 9 91 和硬度= o 0 5 4 5 心，t ) + 5 3 7 l 。 用粉末冶金模压方法( p m ) 制备f e 一2 n i x m o + y c ( y = o 3 时 x = 0 5 ，1 ，2 ，5 ；x = l 时y = o 3 ，o 5 ，0 8 ) 合金研究表明：随着m o 含量 的增加，合金烧结态的强度和硬度明显提高，延伸率下降。合金热 处理强度、硬度和延伸率变化有着同样的规律。随着m o 的加入，合 金显微结构由铁素体组织向贝氏体和马氏体转变。f e 一2 n i - 1 m o + o 8 c 合金显微组织已全为贝氏体+ 马氏体组织了。f e - 2 n i 一5 m o + o 3 c 合金 烧结样品中出现了m o 元素的明显富集。四种合金物质均以f e 的合 金固溶体为主。f e 2 n i 5 m o + 0 1 3 c 合金衍射图谱中还出现了f e 3 m 0 3 c 物相，有助于提高合金强度和硬度。 基于前面c r 、m o 元素添加对f e 2 n i 合金性能影响的研究，我 们同时添加c r 、m o 元素，添加量取以上研究得出的最合适的元素 含量( c r 元素取1 ；m o 元素取2 ) ，以期获得一种性能优良的 ， 合金。恫时与4 6 5 0 合金( f e 2 n i o 5 c r - o 5 m o ) 比较性能。结果表。矽 中南大学硕士学位论文摘要 r f 明：f e 一2 n i 1 c r _ 2 m o 合金相比f e 2 n i o 5 m o 。o 5 c u 合金最终烧结密 i 度低得多。f e 2 n i o 5 m o 0 5 c u 合金孔隙少且孔隙细小。f e 一2 n i 1 c r _ 2 m o 合金烧结态的强度比f e 2 n i o 5 m o 0 5 c u 合金高出 2 0 0 m p a ，达到8 6 7m p a ，延伸率棵当。前者低温回火热处理态与后 者中温回火热处理态的性能接近。1 关键词粉末冶金低合金钢，合金元素，性能，微观组织，热处理 i i 堕查兰堡主兰垡堕塞 垒呈! ! 坠曼! a b s t r a c t i nm ea n i c l e ，b a s e do nm ef o m e rs t u d i e s 曲o u tm ee 腩c to fn i a d d “i o nt 0 f e ，f e 一2 n i 、v a sc h o s e nt ob e 也eb a s e t h ee f 诧c to ft l l e a m o u l l to fc ra n dm oa d d i t i o no n 廿1 em e c h a l l i c a lp r o p e n i e so ff e 2 n i a l l o y sb ys i l l t e r i n g a i l d b yh e a tt r e a 恤e n tw a sr e s p e c t i v e l ys t u d i e dt o e x p e c t t oa t t a i na 芏1a l l o yw i me x c e l l e m p m p e r t i e s f e - 2 n i x c r ( x = o 5 ，1 ，3 ) a 1 1 0 yp r e p a r e d b y m w e r em e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wm a tw i t l lc r i i l c r e a s i n t l l ed e n s i t yo fa l l o y sr e d u c e ，t h e 锄o u n to f p o r e si n c r e a s e sa n dt l l ep o r e sa r el a r g e r ；t l l ei r l t e n s i t ya n dm e h a r d n e s so fs i m e r e df e n i - c r a l l o yi n c r e a s e ，吐1 ee l o n g 丑_ _ t i o n a 1 1 d 也e i m p a c te n e r g yo fs i m e r e df e n i c ra l l o yr e d u c e t h e 丹a c t u r e so ft h e a l l o y sc h a n g e 丘o md i m p l et oc l e a v a g e 丘a c t u r ew i mr i v e rp a _ c t e m t h e m i c r o s t r u c t u r e so fs i l l t e r e da l l o y sa r ep e a d i t ea n d1 j t t l ef e 耐t e t h e r ea r e t h ee n r i c h m e ma r e a so fn imf e 2 n i 一3 c ra l l o v 皿1 em i c r o 曲m c t u r e so f a l l o yw i 1c r a d d i t i o na r e rh e a t 廿e a n l l e n tc h a n 留et ot e m p e rt r o o s t i t ea n d t 1 1 e r eo c c u rm e s h ys e c o n d a r yc e i n e m i t ei i lf e 2 n i 一3 c ra 1 1 0 y d 【l r m g 廿1 ep r o c e s so fs i l l t e 血g ，t 量l es i n t e r i n gt e m p e r a _ c u r ea n dt i m e d i r e c u yi n n u e n c em ed i f m s i o no fa l l o y sa 1 1 d 协ec h a n g eo fp o r e s i n 也e a r t i c l e ，f e ( c s ) 一2 n i 1 c 件0 3 ca 王l o yi sr e s p e c t i v e l ys i m e r e di i l1 1 2 0 、 1 2 5 0 、1 3 3 6 a n dm er e s u n ss h o wm a t 研t l lt h es i n t e r i l l gt e l n p e m 讥r e i n c r e a s i i l g ，t l l ed e n s i t yo fa l l o y si n c r e a s e s ，m ei n t e n s i 钾、t i l eh a r d n e s s a i l dd u c t i l 时o fs i m e r e df e - n i c ra l l o yg m d u a l l yi n c r e a s e d i 执s i o n 向n c t i o nf ( t ，t ) i su s e dt or e n e c tt 1 1 e i n p u to ft 1 1 ee n e r 留d u r i n gt l l e p r o c e s so fs i m e r i n ga n dp r e d i c t m e p r o p e n i e so f t l l ea l l o y t h ep r e d i c t i o n r e s u l t so f i n t e l l s 毋a n dh a r d 芏1 e s so f f e ( c s ) 一2 n i - l c r o 3 ca l l o yb y f ( t ，t ) a r e r e s p e c t i v e l yo = o 5 0 1 5 球，t ) + 3 2 9 9 l a n dh a r d n e s s _ o 0 5 4 5 f ( t ，d + 5 3 7 1 f e 2 n i x m o + y c( w h e ny = 0 3 ，x - 0 5 ，l ，2 ，5 ； w h e n x = 1 ，y = o 3 ，o 5 ，o 8 ) a l l o yp r e p a r e d b yp 肌w e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s s h o wt h a tw i t l lm o i n c r e a s i n g ，m ei m e n s 酊a n dt h eh a r d n e s so fs i n t e r e d a l l o yi i l c r e a s e ，也ee l o n g a t i o no f s i n t e r e da l l o yr e d u c e t h ec h a i l g e so fm e i m e n s i t y 、m eh a r d n e s sa i l d 廿1 ee l o n g a t i o no fa l l o ya f t e rh e a t 廿e a t m e n t h a v em ea n a l o g i cr e s u l t s w i 廿lm oa d d e d ，t 置1 em i c r o s 廿u c t u r e so fa l l o y s i i i 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t c h a l l g e 行o mf e r r i t et ob a i n i t ea n dm a r t e n s i t e t h em i c m s t r u c n l r e so f f e 2 n i l m o + 0 8 ca r ea l lb a i n i t ea n dm a n e n s i t e t h e r eo c c u rm ee n r i c h m e n t a r e a so fm oi nf e 2 n i 一5 m o + 0 3 ca l l o v _ t h er e s u l t so fx 。r a vt e s to ff o u r a l l o y ss h o wm a tm ea l l o y sa r ea h l o s tc o r n p o s e do ff es o l i ds o l u t i o n i n a d d i t i o n ，t h e r eo c c u r sf e 3 m 0 3 ci nf e 2 n i 5 m o + 0 _ 3 ca 1 1 0 yw h i c hh e l p s t oi n c r e a s et 1 1 ei n t e n s i t ya n dh a r 血e s s b a s e do na n t e r i o rr e s p e c t i v es t u d i e s l b o u tt 1 1 ee 丘e c to fa d d i n gc r a i l dm o t of e 一2 n i ，m e “1 0 yt h a tc ra n dm ow e r et o g e t t l e ra d d e dt of e 一 2 n ii nt 1 1 ea p p r o p r i a t e 锄o u n tw a si r l v e s t i g a t e dt oe x p e c ta na 1 1 0 yw i t l l g o o dp m p e n i e sa 1 1 dc o r n p a r e dt of e - 2 n i 一0 5 c r - 0 5 m oa l l o y t h er e s u l 乜 s h o wm a tm ed e n s i t yo f f e 2 n i l c r 2 m oa 1 1 0 vi sm u c hl o w e rt 1 1 a nt h 砒o f f e 2 n i 0 5 c r - o 5 m oa l l o y t h ea m o u r l to fp o r e so ff e 一2 n i o 5 c r - o 5 m o a l l a yi saf l e wa 1 1 dt h ep o r e sa r es m a l l t h ei n t e l l s i 乜，o fs i n t e r e df e 2 n i l c r - 2 m oa l l o yi s8 6 7 m p a ，2 0 0 m p ah i 曲e rt l l a nm a 士o ff e 一2 n i o 5 c r - o 5 m oa l l o y w h i l em e i re l o n g a t i o ni sc l o s e t h ep r o p c n i e so ff e 一2 n i - lc 卜2 【oa l l o ym e rl o w t e m p e r a t u r et e m p e r i l l g i se q u i v a l e n c et ot h o s eo f f e 一2 n i 一0 5 c r o 5 m o a 1 1 0 y a 船rm i d d l et e n l p e r a m r e 把m p e d n ge x p e c t i m p a c te n e r g y i ( e yw o i m sp ml o w a 1 1 0 ys t e e l ，a 1 1 0 ye l e m e m ，p r o p e 咄 l i l i c r o s 仃u c t u r e h e a 士仃e a t n l e n t i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 夕 9 8 的理论密度) ，微观组织为两相结构，沉淀富集晶粒和沉淀 贫瘠晶粒。两相结构来源于由于添加的n i b 时n i 产生富集，而n i 是稳定奥氏 体元素从而形成了沉淀贫瘠晶粒。整个基体中的残留孔隙小且分布得比较均 匀。添加f e b 导致在基体中沿晶界形成连续的网状沉淀。这些沉淀物相对而言 较为粗大。而用b 元素作为添加物则获得均匀的析出沉淀物，且几乎没有孔 隙。 l i uj i a i l 】【i n 【2 7 】，b a c z e 、s k ajk 口8 】，t 0 e n n e sc j ，m a d a i lds 口o 】研究了向不 同体系的合金钢中加入b 后发现促进烧结需要的b 含量很少，一般在0 3 0 4 之间就可起到最好的促进效果，获得的产品密度很高，力学性能好。 添加物的颗粒尺寸越细小越好，一方面细小的添加物在烧结后有利于获得 均匀的组织分布。另一方面添加的b 在反应生成液相后会产生二次孔隙，添加 物尺寸越小，二次孔隙就越小，在烧结过程中就越容易消除，有利于获得更好 的微观组织和力学性能1 2 “。 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 4 组织控制和- 陛能 对合金最后组织影响最重要的两个因素是：成分和冷却速度。要获得预想 的组织就要对合金成分和冷却速度进行很好的控制。 1 4 1 合金元素的影响 1 4 1 1 合金元素对铁一碳相图的影响 n i ，m h ，c 能降低a f e n i m o c r ：在珠光体中固溶强化的次序为c r m o m ” n i ：在贝氏体中固溶强化的次序为m n m o c r n i l l 】。除镍外，多量合金元 素往往降低铁素体的韧性( 特别是铝) ，但加入适量合金元素可提高或很少降 低其韧性。加入合金元素对铁索体性能的影响如图1 3 所示。 = 篙 雕 妁o 1 6 c 越 卑1 2 c | 甘 惫8 d 口l23 s 口， 涪于繁蠢律中的音垒元囊。 ( a ) 舍金元素对铁素体硬虞的影响( b ) 合金元素对铁素体冲击韧性的影响 图1 3 合金元素对铁素体性能的影响“ f i g 1 - 3t h ei n n u e n o f a n o y e l e m 钮乜t 0 p r o p e r t i e so f f e m t e 合金元素在钢中还能和c 发生作用生成碳化物。c r 、m o 为中强碳化物形 成元素，m n 为弱碳化物形成元素，它们一部分可溶入铁基固溶体，另一部分则 溶入渗碳体中，即合金元素代替一部分f e 3 c 中的铁原子而形成合金渗碳体，如 ( f e ，c r l 3 c ，除溶入固溶体和形成合金渗碳体外还有剩余，也可以形成特殊碳化 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 物，如( f e ，c r ) 7 c 3 ；n i 、c u 不形成碳化物。 1 4 1 3 合金元素对钢中相变的影响 在加热转变过程中，n i 加速碳在奥氏体中的扩散速度，因而加速奥氏体的 形成；c r 、m o 它们的碳化物比较稳定，不易溶解于奥氏体中，溶解后也会减慢 碳在奥氏体中的扩散，故c r 、m o 延缓奥氏体形成。 当在烧结温度保温后的降温过程中，合金元素会影响过冷奥氏体的转变。 n i 、c u 、m o 、c r 、m n 都延缓珠光体和贝氏体的形成，因为它们都降低了碳在 奥氏体和铁素体中的扩散速度，同时本身也较难扩散。在1 1 2 0 时，c 、c u 、 m o 、n i 的扩散速率依次为8 1 0 7 c m 2 s 、1 5 l o 1 1 c m 2 s 、4 1 0 。1 1 c m 2 s 、6 1 0 0 2 c m 2 ，s 【“。n i 、m n 为奥氏体稳定元素能使钢的淬火临界冷却速度减小容 易得到马氏体；相反c r 、m o 较难在低冷却速度下得到马氏体。添加的合金元 素均溶于奥氏体并使马氏体开始转变温度m s 和结束转变温度m f 降低，所以合 金钢淬火至室温后有较多的残余奥氏体。 1 。4 1 4 合金元素对性能的影响 1 4 1 4 1 添加非金属元素c 、b 、p 的影响 们添加c 元素 碳是钢铁中最常用的合金化元素，可溶入铁中形成间隙式固溶体，也可与 铁生成f e 3 c 间隙式化合物改变材料的显微组织，因而具有很大的强化效果。 f e 3 c 为硬脆相，当它以细片状与铁素体细片交替分布时形成了珠光体，有较高 的强度和硬度，塑性较差。当二次f e 3 c 在晶界形成连续的网络时，会使钢的脆 性大增。碳的原子无论在位- f e 中还是在y - f e 中均具有较高的扩散速率，烧结过 程中f e c 间容易达到平衡。但要使碳在铁中有效充分地扩散，实现合金成分均 匀化，烧结温度一般需要在1 0 5 0 以上。 曲选辉【3 2 l 利用f e c 压坯的内气相碳化法，在f e c 混合粉末压坯中加入 0 1 o 5 的碱金属或碱土金属的碳酸化合物( 如n a 2 c 0 3 、k 2 c 0 3 ) ，使烧结过程 中通过固气反应把石墨转化成活性碳，在压坯内部孔隙的铁粉表面沉积，从而 加速了碳在铁中的扩散，使合金化过程在更低的温度下完成。 h i r o v u l ( ij i n u s l l i 等口3 】研究了c 在m v ff e 4 n i 烧结过程中的作用，结果表 明c 在减少金属氧化物中起主导作用，这种作用是通过反应：m 。0 + c ；x m 十c o ( m = f e 。n i ) 来实现的。 因此c 元素在粉末冶金铁基材料中的作用可以归结为：溶入铁形成间隙式 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 固溶体起固溶强化作用；与铁生成f e 3 c ，改善材料的显微组织，与铁素体形成 珠光体时强化效果较好；减少金属氧化物数量，从而改善力学性能。 b ) 添加b 元素 添加硼元素能显著提高钢的淬透性能和综合性能。但b 在f e 中扩散的微观 机制及b 在晶界非平衡偏聚有关的扩散问题尚有待解决。一般认为b 在v f e 中 处于间隙位置，在a f e 中同时处于间隙和置换位置【3 4 】。 b 元素在粉末冶金铁基材料中的作用主要可归结为：溶入铁中起固溶强化作 用；提高材料的淬透性，有利于热处理后力学性能的提高。但可能会由于硼化 物或硼渗碳体的析出而降低力学性能。 c ) 添加p 元素 在铁基烧结合金中加入磷能大大提高合金的力学性能，能使合金强度提高 的同时，韧性不降低【3 ”。主要存在3 种强化机理：( 1 ) 形成f e p 固溶体起固 溶强化作用；( 2 ) 稳定a f e ，强化了烧结时铁原子的扩散，加速烧结； ( 3 ) 液相烧结，1 0 5 0 形成了共晶液相，加速扩散和烧结致密化。 烧结过程中，p 向铁粉扩散形成f e _ p 固溶体，可产生显著的固溶强化作 用。另外p 有稳定洳f e 缩小y f e 相区的作用，可使铁基材料保持在a f e 相区 或f e + y f e 两相区内进行烧结，由于铁原子在a f e 中的扩散系数远比在t - f e 中大，这就强化了烧结时铁原子的扩散，加速了孔隙的球化和致密化，从而提 高了烧结体的强度和韧性【3 5 那】。而在烧结的初期，自1 0 5 0 开始，便形成了共 晶液相和稳定的铁素体，甚至在普通的烧结温度( 1 1 2 0 ) 下也是铁素体占优 势。形成液相以后，通过毛细管力作用和晶界渗透作用，磷很快分布于整个铁 骨架中，熔融相通过溶解和重结晶使物质很快重新分布，因此有助于加速烧结 过程。 但当磷含量大于0 6 为时，合金会产生突发的脆性。当磷铁中与氧亲和力 强的硅、钙、钛、镁杂质含量较高时，可能在晶界上形成氧化物薄膜，导致f e p 烧结合金交脆；另外在晶界上析出f e 3 p ，也将导致脆性。研究发现使用含碳 量为o 5 1 0 ，杂质少且颗粒细的特制f e 3 p 作为添加剂，可以得到韧性的磷合 金化的烧结钢。而虽然加入微量碳抑制脆性尚无科学的理论依据，但其积极作 用被证实p ”。 1 4 1 4 2 添加金属元素n i 、c r 、m o 的影响“- 3 町 a ) 添加n i 元素 粉末冶金材料由于固相烧结的特点及n i 的不均匀分布和孔隙的存在，n i 还有促进烧结致密化的作用，使孔隙减少和球化，密度提高，进而，强度和韧 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 性有所提高。另外，n i 可降低钢的临界转变湿度和降低钢中各合金元素的扩散 速度，从而提高了钢的淬透性【3 7 1 ，也可以促进形成n i 马氏体【1 4 ，3 6 1 。 z b a l l gh a o r o n g 等i 研究了镍含量不同对力学性能的影响。发现在相同的 工艺条件下，f e 一2 n i 合金显示了最高密度和较好的力学性能。这是因为烧结 初期，分散的镍颗粒造成化学梯度，镍颗粒周围局部地强化了扩散和致密化； 烧结后期，由于镍颗粒比铁颗粒大，镍颗粒周围产生局部致密化，导致具有不 同收缩应力的不均匀显微结构，抑制了周围的铁基体的致密化。较低镍浓度 时，前者的影响占优势：随镍含量增加，最后阶段致密化速率下降；在f e - 2 n i 合金中这种综合作用为最佳。因此，f e - 2 n i 常用做注射成形铁基结构件 的一个材质体系，并进行了大量的研究。般认为n i 的均匀化由初始粉末特性 和烧结条件决定，球形粉有助于n i 的均匀化l ，而烧结的最终密度首先由烧结 温度决定，其次由烧结时间决定【4 2 】。k s h w a n g 等蜘的研究表明f e n i 合金中 n i 以预合金粉添加较直接混入组织均匀力学性能较好：而不论以何种方式加 入，随着n i 含量的增加，晶粒均会长大。 g l z h o u 等f 4 4 l 研究不同c 含量下n i 对力学性能的影响。发现c 含量决定 了力学性能和奥氏体的数量；n i 增强了力学性能，但在 o 2 时不影响奥氏体 的数量。合金在n i f e 2 n i - 3 c r 。f e n i 系和f e c r 系二元相图如图3 3 所示。根据f e - n i 系和f e c r 系二元相图，镍和铬的扩散可分为在a f e 和y f e 两部分。资料表明，f e 和n i 的扩散系数接近而c r 的扩散系数与f e 、n i 相差较大硼。在低温下随着c f 含 量的增加，这种f e 、n i 与c r 元素由于扩散系数差异的偏扩散在基体中形成 k i r k e n d a l l 孔洞，导致烧结收缩减小。据z h 趾gh a o r o n g 研究【4 2 ，5 9 。6 6 1 ，在烧结的 初期，合金中化学势梯度大，元素间的互扩散相比表面能的减少更占优势，成 为烧结的主要驱动力1 6 ”。此时，镍、铬含量的增加有利于烧结。随着烧结进 行，化学势对烧结的促进作用减小直至化学势变为零。同时，镍促进f e 向y f e 转变，并降低转变温度。由于n i 在7 f e 中的扩散系数小于在旺f e 中的扩散 系数 6 剐，使烧结速率变慢。对于c r 元素虽然它在y f e 中的扩散系数大于在仆 f e 中的扩散系数，但由于其与f e 扩散系数的差别阻碍铁镍合金烧结致密化和 均匀化。另外当洳f e 向y f e 转变过程中，晶粒长大导致晶界减少。而对粉末注 射成形样品的烧结来说，晶界是空位消亡和物质传输的重要区域，所以烧结速 率在温度提高后降低。所以，在镍含量很高的情况下想获得均匀的铁镍合金是 困难的。z h 髓gh a o m n g 还提出了一个预测f e _ n i 合金强度的公式如下公式( 1 ) 所示： 一 巧乙= 盯而+ 协i 】+ 若亨 ( 】) 叫u 其中咖为合金的抗拉强度；f 为合金相对密度：吓e 为f e 的本征强度； o n i 为添加n i 元素后n i 对合金的固溶强度；g 为晶粒大小，单位为p m ；常数 a 与合金的h a l l p e t c h 行为有关：在接近共晶成分时o f e 取3 0 0m p a ；a n i 取 3 8 0 m p a ；a 取8 0 m p a _ 本文中所采用的2 的n i 是文献研究表明最为合适的含量，以此为基体研 究c r 元素添加的影响。 3 3 2 合金的烧结密度和孔隙形貌 烧结获得的合金的密度如表3 4 所示。 中南大学硕士学位论文 第三章c r 元素对f e - 2 n i 合金的影响 表3 4 合仝的烧结密度 t a b 3 4t h es i n t e r j n gd 蚰s 姆o f t h ea u 0 y 从表3 4 中可以看出随着c r 含量的增加合金密度逐渐降低。其主要原因在 于f e 、n i 与c r 元素由于扩散系数差异的偏扩散在基体中形成陆k 曲d a l l 孔 洞，导致烧结收缩减小，密度降低。另外的一个可能原因是c r 粉与f e 粉、n i 粉粒度的差异。实验中采用的铁粉、镍粉和铬粉的粒度分别是3 2 2 灶m 、2 7 9 讧 m 和 2 0 “m 。从费氏粒度看三种粉末相差较大，而且c r 粉颗粒尺寸不均匀， 粒度分布范围较广，在c r 粉中存在相当一部分的大颗粒且形貌非球形( 从图 3 1 中可看出) 。在小颗粒粉末的网络中加入少量大颗粒会破坏小颗粒网络体系 的烧结致密化。小颗粒的烧结收缩被加入的大颗粒抑制。大颗粒与小颗粒接触 处产生的应力不但使小颗粒收缩受阻而且会在接触处产生大的孔隙甚至细小裂 纹l 田】。示意图如图3 4 所示。 蕺穰 图3 4 小颗粒体系和在小颗粒粉末体系中加入少量大颗粒的烧结示意图 f l 昏3 4s k e t c hm a po f s i n t e r i n g 当这些裂纹超过基体所能承受的强度时产品会出现开裂。与之对应，在c r 含量较低时样品孔隙细小且分布均匀，此时的孔隙主要是小颗粒粉末体系烧结 时所形成的孔。随着c r 含量的增加，孔隙变多且变大。这些大孔是小颗粒和大 颗粒接触处烧结时形成的孔隙。这就验证了上面所讨论的大颗粒加入后所引起 的烧结孔隙变化。样品的孔隙分布和形貌如图3 5 所示。 中南大学硕士学位论文 第三章c r 元素对f e - 2 n i 合金的影响 ( a ) f e l 2 n i ( b ) 陬2 n 啪5 c r ( c ) f 越n 卜l c r ( d ) f e - 2 n i - 3 c r 图3 5 合金的孔隙分布和彤貌( 1 0 0 x ) f j 晷3 。5d i s t b u t j o na n dg r a p ho f t h ep o r e s 3 3 3 合金的力学性能 添加不同c r 含量的合金性能表3 5 所示。 表3 5 舍c r 量不同的合盒性能 t a b 3 5p r o p e r t i 幅o f t h ea l l o y sw i t hd i m m n tc ra 衄谳o n 合金两鬲嚣云丐磊厦话r 趸丽军 i i i r 冲j i 历 抗拉强度延伸率 硬度 冲击功 胍栅啦，j c m - 册a ， m c ，j c r n 。3 陬2 n i - 05 c r 9 4 7 f e - 2 n i - 1 c r 9 4 2 7 5 4 9 4 l 9 2 7 7 6 2 6 6 9 0 5 8 5 4 “ 1 2 4 0 1 0 6 1 f e ，2 n i - 3 c r 9 1 5 9 7 54 07 3 33 0 51 0 6 0 4 9 03 5 8 3 1 84 0 6 2 7 0 4 1 0 4 8 0 3 4 0 2 0 0 将表3 5 中的数据作成图如图3 6 所示。 中南大学硕士学位论文 第三章c r 元素对f e 2 n i 合金的影响 一 乱 薯 倒 蝮 捌 蠕 兽 、 黯 霪 j 瑷 u 配 毛 记 王 燃 麒 ： 雷 赛 图3 6 不同c r 含量舍金的力学性能 f i g 3 6p 向p e r d e so f t h e 叠u o ”w 油d i m 抛tc ra d d i 廿o n 从表3 5 中可以看出，随c r 含量的增加合金烧结态的强度和硬度明显提 高，延伸率和冲击功下降。强度和硬度提高的原因在于c r 以固溶形式进入f e 基体中，c r 含量越高，固溶强化作用越明显。但随大颗粒c r 粉的加入合金密 度越低，孔隙变多且越来越大，而延伸率和冲击功对台金中孔隙和缺陷尤为敏 感，所以随c r 含量增加延伸率和冲击功的值是下降的。热处理后就抗拉强度来 说。合金最高且只有和合金相比烧结态强度提高较大，延伸率和冲击功 随c r 含量的增加而减小。在本文所采用的热处理工艺下( 8 5 0 3 0 分钟，油 淬一4 0 0 回火6 0 分钟，空冷) ，属于中温回火范围。在中温回火时，由于c r 是强碳化物形成元素。因而在热处理过程中可以保证有足够数量的，弥散的碳 化物从马氏体中沉淀析出，在中温回火时这些析出碳化物成网状，且随着c r 含 量增加网状碳化物的量越多，这极大的损害了合金的性能导致强度、延伸率和 冲击功大大降低。但这些碳化物对合金的硬度有利，所以，随着c r 含量增加热 处理态合金硬度提高。表3 5 中的数据相比表1 3 中的数据表明本试验中合金的 烧结态综合性能比文献中的合金要好。 3 3 4 合金的断口形貌 、和合金烧结拉伸样品的断面形貌如图3 7 所示。 3 0 ! 堡型兰墅生兰塑笙奎 整三兰曼! 墨壅墅! ! ：! 型! 鱼全塑墅堕 ( 曩) f b 2 n i ( b ) f t 吨n 玉_ l c o ( c ) f 吨一i _ 3 c r 图3 7 ( d f b 2 n i 、f e l 2 n i - l c r 和f e - 2 n i - 3 c r 合金烧结拉伸样品的断面形貌( 从左至右 5 0 0 、1 0 0 0 、2 0 0 0 l f i g 3 7 s e mp i c t u r 嚣o f 曲e f h 曲i r o f f 吨n j 、 f e _ 2 n “c r 和f e _ 2 n j o c r a o y 从图3 7 中可以清楚地看出三种合金断口形貌，从而判断出合金延性的好 坏。f e 2 n i 合金的断口形貌为典型的韧窝。这些韧窝大小均匀且韧窝较深， 反映出合金具有很好的延性，其断裂基本为韧性断裂。f e 2 n i 1 c r 合金的 断口形貌为一部分韧窝和一部分河流花纹状的解理形貌。这些河流花纹状的解 中南大学硕士学位论文 第三章c r 元素对f e - 2n j 合金的影响 理形貌是典型的脆断形貌特征，所以合金的延性比合金要差。2 n i 3 c r 合金的断口形貌基本为河流花纹状的解理形貌。反映出这种合金的为脆 断，延性很差。这些断口形貌照片和前面测得的合金延伸率值符合得很好。 3 ，3 5 合金的微观组织 烧结合金的金相照片如图3 8 所示。 ( a ) 陬2n ( b ) 陬2 n 嗽r ( c ) f 卜2 n 扣l c r n 以n 0 3 c 图3 s 台金烧结态的崔瑰掘织( 2 0 0 x ) f i g 3 8m & m s t 啊c t u 啷o f s 诅把r e da h 0 p 从图3 8 中可以看出，f e 2 n i x c r ( o 7 c ) 合金的烧结态组织为珠光体+ 很少量的铁素体( h v 2 5 0 ) ，由于珠光体片层结构细密，在光学显微镜低倍下难于 分辨。在加入3 的c r 时合金中出现n i 的富集区如图3 名( d ) 中白色区域所 示。这主要是因为加入较多的c r 后，前面讨论的大颗粒对小颗粒体系的烧结阻 碍作用更加明显，n i 在烧结后期本已较难扩散均匀，再加上大颗粒c r 的抑制 作用，使局部区域n i 产生富集( h v l 7 0 ) 。面扫描照片如图3 9 所示。从图 3 9 中可以看出f e 2 n i l c f 合金烧结样品中n i 和c r 元素的分布均比较均匀， 没有出现明显的元素富集区。而f e 。2 n i 3 c r 合金烧结样品中出现了n i 元素的 明显富集，同时c r 元素的分布也不均匀这对台金的力学性篚产生了不利影 响，合金相对合金增加了2 的c r 元素，强度提高较少而且延性下降厉 害。可以看出在这种情况下再提商c r 含量对合金性能提高已不具备优势。 中南大学硕士学位论文第三章c r 元素对f e 2 n i 合金的影响 ( a ) f e 2 n i - 1 c r 舍金c r 的面扫描( ”f e _ 2 n i - 1 c r 合仝n l 的面扫描 ( c ) f e - 2 n i o c r 夸金c f 的面扫描( d ) f e _ 2 n 沁c r 合金n i 的面扫描 图3 9f e 一2 n i l c f 和f e - 2 n i 一3 c r 合盒c r 和n i 的面扫描照片 f 喀3 9h 踮mp j c n i 嘟o f c r 蛆d n ii nf 2 n i 1 c ra n d 胃b 2 n ”c ra 1 1 0 y s 热处理态合金的金相照片如图3 1 0 所示。 从图3 。1 0 中看出合金热处理组织为珠光体和铁索体，均为回火屈 氏体，只是组织逐渐变得细小。在合金中出现了不连续的网状渗碳体( 图中 白色不连续的点) 。四种合金微观组织不同原因在于c r 元素的加入量的不同。 一般碳钢淬火后的回火过程中马氏体会发生分解。自马氏体中沉淀析出与d 相 保持共格关系的f e 。c ，并逐渐向f c 3 c 转变，这时碳原子要作长距离的扩散， 马氏体中的含碳量逐步下降。c r 与c 有较强的亲和力，使c 在n 相中的扩散减 慢，减缓了碳化物的析出和长大，因而显著地阻碍了马氏体的分解，使更多的 碳保留在马氏体中，同时也阻止了奥氏体晶粒的长大，因而组织更为细小。所 以，在碳钢的常用中温回火温度下，铬合金钢仍维持了较高的强度，同时塑性 的改善也不明显。但随着c r 元素量的增加，容易出现网状渗碳体对强度和延伸 率均有重要影响，使热处理的力学性能降低。另外造成样品延伸率低的另一个 可能原因是在热处理过程中未对样品采取保护措施，表面氧化严重。 ! 曼奎堂堡主堂垡堡奎 笙三兰空垂壅型! ! ：! 型盒全塑墅堕 ( a ) 附n i ( b ) m n j - o 5 c r ( c ) f e _ 2 n j l c r ( d ) 眦n i - 3 c r 图3 1 0 合金热处理态的微庾趣双g 0 0 x ) f 喀3 1 0 蛐口t n i 曲i r 靠o f8 i l o y sa f t e r h tt 嗽t m 髓t 3 3 6 合金的x 射线分析 、和合金烧结拉伸样品的x 射线分析如图3 1 1 所示。 从图3 1 l 中可以看出三种合金物质均以f e 的合金固溶体为主。对照标准 卡片a f e 、( f e ，n i ) 、f e c r n i 衍射峰位基本一致，其三强峰对应d 值分别均为 2 0 2 8 a 、1 4 3 4 a 、1 1 7 1a 。考虑到合金成分，分析( d 号线对应的f e 2 n i 合金 衍射物相应为f e 和( f e ，n i ) ；号线对应的f e 2 n i 1 c r 合金衍射物相为 f e 、 ( f e ，n i ) 和n i c r _ f e ：号线对应的f e 2 n i 3 c r 合金衍射物相与f e 2 n i 一1 c r 合金相同也为f e 、( f e ，n i ) 和n i c r f e ，只是含量可能不一样，n i c r f e 含量应该更多。 中南大学硕士学位论文 第三章c r 元素对f e 2 n i 合金的影响 岂 u 图3 1 1 f e 。2 n i 、f e - 2 n i - 1 c r 和f 越n i - 3 c r 合金烧结拉伸样品x 射线图谱 f i g 3 1 1x - r a yp i 咖嗍o f 陬2 n i 、 陬2 n i - l c ra n d 融2 n i - 3 c ra l l o y s 3 3 7f e ( c s ) 一2 n 卜1 c r + 0 3 c 合金的研究 将f e ( c s ) 2 n i 1 c m 3 c 合金分别在1 1 2 0 、1 2 5 0 和1 3 3 6 下烧结 9 0 r n i n 得到烧结样品的c 、o 含量和性能如表3 6 所示 表3 6f e ( c s ) 一2 n i l c