高强韧无磁非晶复合结构钢的组织和性能优化

摘要

钢铁是当今主导结构材料，随着超导和高磁场技术的发展，对磁导率<1.5的新型无磁高性能结构钢的需求剧增，要求处于高磁场中的钢材不易被磁化和产生涡流、避免因扰乱磁场分布使材料发热造成能量损失和构件失效；非晶钢具有超高强度，但加载时表现为室温脆性和应变软化，严重制约了其作为高性能结构材料的应用，探索兼具高强度和塑韧性的新型无磁高性能非晶钢体系具有重要工业应用前景。本文选择具有一定非晶形成能力和形状记忆效应的Fe-Mn-Si系合金，通过组元调控和微合金化，采用真空磁悬浮熔炼水冷铜坩埚-负压铜模吸铸法制备出直径2mm的具有连续组织梯度的非晶复合材料。具体研究内容有：通过改变C元素含量优化出无磁非晶复合结构钢的合金成分，在此基础上添加稀土元素Ce对合金的组织和性能进行优化，最后通过预处理除杂，采用工业原材料制备出具备良好综合力学性能的无磁非晶复合结构钢。利用XRD、OM、SEM、TEM及VSM、ICP-AES和万能力学试验机对合金的组织结构、成分和力学、磁学性能进行分析。 结果表明，Fe-15Mn-5Si-10Cr-xC(x=0.2-1.0,wt.%)非晶合金复合材料，组织均为非晶相和晶体相组成，且从边缘到心部铸态组织呈现出由非晶相到晶体相的梯度变化。合金体系具有良好的室温压缩力学性能，压应力加载过程中均发生奥氏体→马氏体相转变，由TRIP效应对合金增强增韧。x=0.2-0.5时，合金析出的晶体相为γ-Fe过冷奥氏体相(CFe15.1)和α-Fe铁素体相(Fe-Cr)，x=0.6-1.0时，合金析出的晶体相为单一γ-Fe过冷奥氏体相(CFe15.1)。x=0.6合金屈服强度为857MPa，断裂强度为2366MPa，并具有高达22.8%的塑性应变，0.9C合金综合力学性能最好，屈服强度为1300MPa，断裂强度为2378MPa，塑性应变为17.2%。利用VSM对宏观上顺磁性的非晶复合结构钢进行检测，发现其相对磁导率μr均低于1.04963，且随C含量增加μr值呈减小趋势。 在此基础上，首先研究了通过添加稀土元素Ce替代Fe-15Mn-5Si-10Cr-0.2C合金中的主元Fe，得到Fe-15Mn-5Si-10Cr-0.2C-1.0Ce成分合金，合金的凝固组织结构仍为非晶基体+晶体相的复合结构，其晶体相为γ-Fe过冷奥氏体相+α-Fe铁素体相。稀土元素Ce的添加，使合金混合熵从1.04R增加到1.08R，混合焓从-14.37降低到-14.79，合金断裂强度达到了3146MPa，塑性应变也高达30.1%。然后，通过研究Ce元素替代主元Ti，制得Ti39Ni40Cu20Ce非晶复合材料，其晶体相为B2-Ti(Ni,Cu)奥氏体相和热致B19’-Ti(Ni,Cu)马氏体相，并与Fe基非晶复合材料的力学性能和加工硬化行为进行对比。稀土元素Ce的添加，使合金混合熵从1.06R增加到1.10R，混合焓从-23.72降低到-24.12，合金屈服强度达到1091MPa，断裂强度为2511MPa，塑性应变为13.8%。Ti基非晶复合材料具有更强的非晶形成能力和更高的屈服强度，但断裂强度及塑性应变能力都不及Fe基非晶。 然后，从热力学和动力学方面分析设计出符合工业原材料进行预处理除杂所需的预熔渣系及其成分，探索由工业原料制备合金进一步优化组织并降低成本。由FactSage软件模拟计算得出具体成分为CaO：SiO2：Fe2O3=3:1:6，满足磁悬浮水冷铜坩埚熔炼设备的熔炼条件，碱度为3，液相线温度为1322℃。脱硫和脱磷反应产物CaS和3CaO·P2O5进入浮在金属液表面的液态熔渣中，冷却后随熔渣从合金脱除，渣金易分离。Fe-15Mn-5Si-10Cr-0.6C-0.06P-0.12S合金和Fe-15Mn-5Si-10Cr-0.9C-0.06P-0.12S合金分别经预熔渣和稀土混合预熔渣两种预处理除杂方式处理后得到的四种合金，均为非晶相和单一γ-Fe奥氏体相复合结构。经预熔渣预处理得到的Fe-15Mn-5Si-10Cr-0.6C-0.06P-0.12S合金和Fe-15Mn-5Si-10Cr-0.9C-0.06P-0.12S合金屈服强度分别为942MPa、1143MPa，断裂强度分别为2672MPa、2380MPa，塑性应变分别为25.1%、20.3%，与高纯元素制备的x=0.6合金（屈服强度为857MPa，断裂强度为2366MPa，塑性应变为22.8%）和x=0.9合金（屈服强度为1300MPa，断裂强度为2378MPa，塑性应变为17.2%）相比综合力学性能相差不大，甚至性能更好；而经稀土混合预熔渣预处理得到的Fe-15Mn-5Si-10Cr-0.6C-0.06P-0.12S合金和Fe-15Mn-5Si-10Cr-0.9C-0.06P-0.12S合金，断裂强度和塑性应变较预熔渣预处理得到的两种合金均有提高，其中Fe-15Mn-5Si-10Cr-0.6C-0.06P-0.12S合金的断裂强度高达3589MPa，塑性应变高达30.8%，同时提高了合金的强度和塑性。经预处理后四种合金脱P率均在75%以上，脱S率均在80%以上，稀土混合预熔渣预处理得到的Fe-15Mn-5Si-10Cr-0.6C-0.06P-0.12S合金和Fe-15Mn-5Si-10Cr-0.9C-0.06P-0.12S合金脱磷脱硫效果更显著，脱硫率分别为91.7%、91.4%，脱磷率分别为78.8%、81.7%。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 非晶合金

1.1.1 非晶合金的基本概念及发展现状

1.1.2 非晶合金的意义与应用

1.2 Fe基块体非晶合金及其复合材料研究现状与发展

1.3 无磁钢概述

1.4 钢中脱磷脱硫研究

1.4.1 磷对钢的影响及脱除

1.4.2 硫对钢的影响及脱除

1.5 稀土在合金中的应用

1.5.1 稀土元素简介

1.5.2 稀土元素在合金中的作用

1.6 本文研究意义及主要内容

第2章 实验样品的制备和分析方法

2.1 熔炼设备

2.1.1 合金熔炼设备的选择

2.1.2 实验设备的原理

2.2 试样的制取

2.2.1 原料选用

2.2.2 合金成分的配制

2.2.3 非晶复合材料试样的制备

2.3 试样的检测

2.3.1 技术路线

2.3.2 X射线衍射(XRD)分析

2.3.3 金相显微分析

2.3.4 力学性能测试

2.3.5 扫描电镜(SEM)及EDS分析

2.3.6 透射电镜(TEM)测试

2.3.7 振动样品磁强计(VSM)检测

2.3.8 电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)检测

第3章 C元素含量对Fe基非晶合金复合材料组织与性能的影响

3.1 引言

3.2 实验材料与方法

3.3 实验结果与分析

3.3.1 合金的组织结构分析

3.3.2 力学性能及断后组织结构分析

3.3.3 磁学性能分析

3.4 本章小结

第4章 Ce元素添加对非晶复合材料力学性能的影响

4.1 引言

4.2 实验材料与方法

4.3 结果与分析

4.3.1 微观组织结构分析

4.3.2 应力应变曲线分析

4.3.3 试样断口形貌分析

4.4 本章小结

第5章 稀土混合预熔渣处理工业原料制备非晶复合结构钢

5.1 引言

5.2 实验材料与方法

5.3 结果与讨论

5.3.1 预熔渣的选择及渣系成分的确定

5.3.2 合金组织结构、力学性能及断口形貌分析

5.3.3 脱磷脱硫效果分析

5.4 本章小结

结论

参 考 文 献

致谢

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