【摘要】：輕質(zhì)高鋁耐熱鋼具有良好的耐高溫特性,在航天、海洋開發(fā)、汽車制造、能源、醫(yī)療器械等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。由于鋁是較活潑的金屬,在鋼中易與其它元素形成化合物第二相,例如鋁與鐵可形成FeAl和Fe_3Al等有序相,鋼中第二相對鋼的機械性能、物理化學(xué)性能等有著至關(guān)重要的影響,因此研究高鋁耐熱鋼中的第二相對高鋁鋼的開發(fā)有著明顯的工程應(yīng)用價值和學(xué)術(shù)意義。本文采用熱力學(xué)、第一性原理計算和固溶時效實驗及XRD、EDS等檢測方法研究了Fe-Cr-Al-N高鋁耐熱鋼中第二相的析出(分解)溫度、種類、形貌、大小和分布特征。通過FactSage熱力學(xué)計算并預(yù)測鋼中第二相析出(分解)溫度、第二相種類和最大可能析出量,使用第一性原理計算并預(yù)測了Cr含量對FeAl有序相的穩(wěn)定性及力學(xué)性能的影響,通過固溶時效處理、DSC熱分析、XRD、金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡等檢測方法研究第二相的析出(分解)溫度、種類、形貌、大小及其分布特征。同時對試樣鋼的硬度和耐蝕性能進行了檢測,結(jié)果表明:Fe-Cr-Al-N高鋁耐熱鋼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;理論計算和實驗檢測結(jié)果表明鋼中穩(wěn)定存在的第二相化合物主要是FeAl和AlN,其他種類的化合物第二相由于不穩(wěn)定或量太少而未被檢測到。熱力學(xué)計算表明FeAl有序相和AlN的析出溫度分別是570℃、1620℃,熱分析測試表明FeAl有序相析出的范圍為561℃~740℃;AlN的析出溫度1620℃高于鋼的熔點1495℃,屬于液析化合物。第一性原理結(jié)果表明:Cr摻雜能提高FeAl有序相的穩(wěn)定性,主要表現(xiàn)為Cr的添加使得FeAl體系的總態(tài)密度在低能級-72.24~71.24eV和-44.09~42.46eV能量范圍內(nèi)多出2個成鍵峰,且隨著Cr含量的增加,所有成鍵峰強度明顯增強、電荷密度增大、電子轉(zhuǎn)移增多,電子間的相互作用增強。Cr的摻雜還能提高FeAl化合物相的強度、抗切變和抗形變能力。且隨著Cr含量的增加,FeAl化合物有序相的強度逐漸增大,而抗切變和抗形變能力呈先增大后減小的趨勢,在Cr含量達18.75%時,抗切變和抗形變能力達最大值。Cr含量小于18.75%,Cr元素將提高FeAl相的室溫脆性,但當(dāng)Cr含量達到25%時,Pugh模量、泊松比和Cauchy壓力常數(shù)均達最大值2.300、0.31、60.777,降低了FeAl相室溫脆性。高鋁耐熱鋼中由于Cr的存在,提高了FeAl有序相穩(wěn)定性,因此高鋁耐熱鋼中FeAl有序相很容易大量生成。Fe-Cr-Al-N高鋁耐熱鋼鑄態(tài)基體為鐵素體,組織致密,沒有明顯的宏觀氣孔、裂紋、縮孔等缺陷,但晶粒粗大,其直徑達到500~600微米,而且出現(xiàn)了晶界富鉻貧鋁的現(xiàn)象;第二相AlN以小顆粒形式分布在基體上;XRD檢測結(jié)果表明:組織中存在較多的FeAl有序相,但是由于FeAl有序相與鋼的基體鐵素體均為體心立方結(jié)構(gòu),所以在金相和掃描電子顯微鏡中都沒觀測到FeAl有序相的形貌。固溶態(tài)基體為鐵素體,組織致密,掃描電子顯微鏡中觀測到少量小顆粒分布在基體上,能譜檢測結(jié)果表明小顆粒為貧鋁相;高鋁鋼在空氣中固溶處理后,表層的鋁全被燒完、鐵鋁氧化物脫落,最終導(dǎo)致鋼出現(xiàn)嚴重的脫鋁現(xiàn)象。對兩種固溶態(tài)在溫度分別為550℃、600℃、650℃下進行時效處理,結(jié)果表明:時效態(tài)基體為鐵素體,組織致密。能譜分析和XRD檢測結(jié)果表明:僅在時效溫度為550℃下檢測到FeAl有序相,表明該溫度為析出FeAl相的最優(yōu)時效溫度值。同時觀測到少量小顆粒分布在基體上,能譜檢測結(jié)果表明小顆粒既有富鉻相,也有貧鉻相,說明經(jīng)時效處理后,基體存在成分偏析。表層的鋁被燒掉的固溶態(tài)在550℃和650℃時效處理后,仍未在表層析出鋁。試樣經(jīng)不同的固溶時效處理后,硬度發(fā)生了變化。鑄態(tài)、固溶態(tài)、550℃時效態(tài)、600℃時效態(tài)、650℃時效態(tài)的硬度分別為204.84HV、176.12HV、253.84HV、212.35HV和210.83HV。由于試樣鋼經(jīng)固溶處理并未發(fā)生奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變,并且硬質(zhì)合金相及化合物相溶入基體,因此經(jīng)過固溶處理會使得鋼的硬度降低。時效處理后硬質(zhì)合金相及化合物相析出,提高了鋼的硬度。550℃時效態(tài)、600℃時效態(tài)、650℃時效態(tài)、鑄態(tài)的腐蝕電位依次為-0.741V、-0.736V和-0.637V、-0.575V。鑄態(tài)鋼的耐蝕性良好,耐腐蝕性能由大到小順序排列為:鑄態(tài)650時效態(tài)600時效態(tài)550時效態(tài)。經(jīng)時效處理后耐腐蝕性能降低表明時效過程中析出硬質(zhì)相,550℃時效態(tài)的耐腐蝕性能最差,推測550℃處析出的第二相的量最多。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG142.73
【圖文】：

10圖 2.1（a）Fe-Al、（b）Fe-C、（c）Fe-N、（d）Al-N、（e）Al-Cr、（f）Cr-C、（g）Cr-Si 二元相圖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如圖2.1（a）為Fe-Al合金二元相，從圖中可以看出可能形成的化合物有Fe3l、FeAl2、Fe2Al5四種化合物相，然而 Fe-Al 二元系中 Al 的含量占 5.9%，

圖 2.2 Fe-Cr-Al-N 中第二相的最大可能析出量隨溫度的變化（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圖 2.2（a）為鋼液可能的最大含量隨溫度變化曲線圖，可以看出從 1620℃降溫過程中，隨著溫度的降低，鋼液逐漸凝固且在 1495℃時，凝固完全，即 Fe-Cr-Al-N的熔化溫度為 1495℃。圖 2.2（b）為 AlN 第二相的最大可能析出量隨溫度變化的曲線圖，當(dāng)溫度從 1620℃開始降低時，開始析出 AlN，且隨著溫度的降低，AlN可能析出的最大含量逐漸增加，在 1400℃時，AlN 的最大可能析出量達 0.05%，之后隨著溫度的降低，AlN 最大可能析出量基本保持不變。如圖 2.2（c）所示為FeAl 有序相的最大可能析出量隨溫度變化的關(guān)系圖，從圖中可以看出溫度從1620℃逐漸降低至 570℃時，F(xiàn)eAl 有序相開始析出，且隨著溫度的不斷降低其最大可能析出量不斷增加，當(dāng)溫度達到 30℃時，其最大可能析出量達 16.23%。圖 2.2（d）為（Fe,Cr）7C3和（Fe,Cr）23C6第二相的最大可能析出量隨著溫度變化的曲

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 陳煜;姚正軍;張平則;魏東博;羅西希;韓培德;;Cr、Mo和W對FeAl金屬間化合物電子結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能影響的第一性原理研究[J];稀有金屬材料與工程;2014年09期

2 王振;劉建華;余曉艷;;La、Ti處理對FeCrAl不銹鋼凝固組織的影響[J];鋼鐵釩鈦;2013年03期

3 劉勇;朱景川;王慧;趙榮達;;Fe-24Al-1Cr合金固溶時效處理的組織和力學(xué)性能[J];金屬熱處理;2013年01期

4 高飛;劉振宇;張維娜;劉海濤;孫廣庭;王國棟;;17%Cr鐵素體不銹鋼中的第二相與織構(gòu)[J];金屬學(xué)報;2012年10期

5 趙榮達;朱景川;劉勇;來忠紅;;FeAl(B2)合金La,Ac,Sc和Y元素微合金化的第一性原理研究[J];物理學(xué)報;2012年13期

6 查小琴;王小華;;低鉻鐵素體不銹鋼晶間腐蝕敏感性的測試方法及性能[J];理化檢驗(物理分冊);2011年12期

7 陳禮斌;高永春;;不銹鋼技術(shù)及其發(fā)展[J];河北冶金;2011年03期

8 喇培清;李玉峰;劉閃光;;鋁對310S耐熱鋼高溫抗氧化性能的影響研究[J];鋼鐵;2011年01期

9 鄢文;李楠;方選明;劉光平;李媛媛;;熔渣對剛玉-尖晶石澆注料侵蝕的熱化學(xué)模型研究[J];武漢科技大學(xué)學(xué)報;2010年05期

10 李麗坤;劉實;;La對17wt%Cr鐵素體不銹鋼組織和性能的影響[J];熱加工工藝;2010年18期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 張彩麗;合金元素對Mg-Li-X強/韌化作用機制的第一性原理研究[D];太原理工大學(xué);2011年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 鮑俊;Fe-Mn-Al-C-N輕質(zhì)不銹鋼的化合物相及耐蝕性能研究[D];重慶大學(xué);2016年

2 李慶詩;軋制工業(yè)純鋁晶粒細化及力學(xué)性能研究[D];東北大學(xué);2011年

本文編號：2732333