添加鉻、鋁、鈦、鎳合金元素對Fe-17Mn阻尼合金性能的影響

(浙江久立特材科技股份有限公司，湖州 313008)

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，交通、能源、建筑、航天等領(lǐng)域?qū)C(jī)器及其部件性能的要求越來越苛刻。機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)中所產(chǎn)生的振動特別是共振，會嚴(yán)重影響其零部件的使用壽命，降低產(chǎn)品的質(zhì)量以及儀器儀表的精度和可靠性。因此，如何減少機(jī)械振動、降低噪聲成為研究者們十分關(guān)注的問題，這也使得阻尼合金的研究得到了發(fā)展。阻尼合金通過材料本身內(nèi)部結(jié)構(gòu)將振動機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散[1-2]，其中Fe-Mn阻尼合金因具有良好的力學(xué)性能、高應(yīng)變下較好的阻尼性能以及低廉的投入成本而受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。JUN等[3]和JEE等[4]在對Fe-Mn二元合金進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)：Fe-Mn合金在錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%時(shí)，其阻尼性能最好，同時(shí)合金具有良好的力學(xué)性能(抗拉強(qiáng)度在700 MPa以上，伸長率可達(dá)到38%)；兩相或三相的共存使Fe-Mn合金中容易形成電化學(xué)原電池，導(dǎo)致其耐腐蝕性能很差。較差的耐腐蝕性能不僅會縮短Fe-Mn合金零部件的使用壽命，還會限制其在惡劣環(huán)境中的應(yīng)用[5-6]。目前，有關(guān)Fe-Mn阻尼合金的研究主要集中在其阻尼性能和力學(xué)性能方面，而有關(guān)其耐腐蝕性能的研究較少。黃姝珂等[7]和于學(xué)勇等[8]研究發(fā)現(xiàn)，鉻元素可增加Fe-Mn二元阻尼合金在NaCl溶液中的鈍化性，使合金表面形成鈍化膜，從而保護(hù)合金內(nèi)部不被腐蝕；朱雪梅等[9]研究表明，在Fe-Mn合金中加入少量的鋁元素后，合金表面形成以氧化鋁為主的較為致密的保護(hù)膜，從而提高合金的電化學(xué)腐蝕性能。由此可見，在Fe-Mn阻尼合金中加入一些耐腐蝕元素，能夠在一定程度上改善其耐腐蝕性能差的缺點(diǎn)。但是，加入的耐腐蝕元素除了會對Fe-Mn阻尼合金的耐腐蝕性能造成影響，還會對其阻尼性能和力學(xué)性能造成一定的影響。因此，作者針對高強(qiáng)度Fe-Mn阻尼合金耐腐蝕性能差的問題，選擇在阻尼性能最佳的Fe-17Mn二元合金中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鉻、鋁、鈦、鎳等元素，研究了這些合金元素對合金阻尼性能、耐腐蝕性能和力學(xué)性能的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

參考文獻(xiàn)[10]，選擇在Fe-17Mn合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的鉻元素，制備Fe-17Mn-5Cr合金。考慮到添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～12%的鉻元素會增加合金的層錯(cuò)能[11]，降低阻尼性能，同時(shí)考慮到鋁、鈦、鎳可細(xì)化晶粒，有利于增加合金中可移動界面數(shù)量，從而提高阻尼性能，因此為了在提高耐腐蝕性能的同時(shí)保持良好的阻尼性能，選擇在Fe-17Mn-5Cr合金成分的基礎(chǔ)上分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為1%的鋁、鈦、鎳元素，制備得到Fe-17Mn-5Cr-1Al，F(xiàn)e-17Mn-5Cr-1Ti和Fe-17Mn-5Cr-1Ni合金。

以高純金屬為原材料，采用真空感應(yīng)熔煉法制備Fe-17Mn，F(xiàn)e-17Mn-5Cr，F(xiàn)e-17Mn-5Cr-1Al，F(xiàn)e-17Mn-5Cr-1Ti和Fe-17Mn-5Cr-1Ni等5種不同成分的Fe-Mn合金鑄錠；對鑄錠進(jìn)行1 150 ℃×3 h均勻化擴(kuò)散退火后，采用900 kg鍛錘進(jìn)行鍛造，始鍛溫度為1 100 ℃，終鍛溫度不低于900 ℃，得到尺寸為300 mm×100 mm×10 mm的板材；對板材進(jìn)行1 100 ℃×1 h水冷的固溶處理。實(shí)測5種試驗(yàn)合金的化學(xué)成分如表1所示。

表1 不同試驗(yàn)合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

采用強(qiáng)迫次共振型PL-DMTA MKII型動態(tài)力學(xué)分析儀測試加載應(yīng)力和反饋應(yīng)變的滯后角δ，試樣尺寸為50 mm×1 mm×2 mm，測試頻率為1 Hz，扭轉(zhuǎn)應(yīng)變振幅范圍為01 200×10-6，得到合金在30 ℃下的損耗因數(shù)-應(yīng)變振幅變化曲線。按照GB/T 228-2002，將試驗(yàn)合金加工成標(biāo)準(zhǔn)圓棒狀拉伸試樣，直徑為5 mm，標(biāo)距為25 mm，采用WAW-300B型萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為1 mm·min-1。采用由CS310型電化學(xué)工作站和容積1 L的玻璃電解池組成的測試裝置測合金在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5% NaCl溶液中的動電位極化曲線，用三電極體系進(jìn)行測試，其中鉑箔為輔助電極，Ag/AgCl電極為參比電極，合金試樣為工作電極；合金試樣的尺寸為φ10 mm×2 mm，經(jīng)砂紙逐級打磨至2000#，然后采用酒精超聲清洗5 min，保留工作面積為1 cm2，其余部分均采用樹脂涂覆；電位掃描范圍為-0.50.5 V，掃描速率為1 mV·s-1，試驗(yàn)溫度為(25±1) ℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 阻尼性能

當(dāng)扭轉(zhuǎn)應(yīng)變振幅小于200×10-6時(shí)，合金的內(nèi)耗很低，測試系統(tǒng)內(nèi)耗(背底內(nèi)耗)所占的比例較大，合金內(nèi)耗的真實(shí)變化趨勢未能真實(shí)體現(xiàn)；而在扭轉(zhuǎn)應(yīng)變振幅大于200×10-6時(shí)，測試系統(tǒng)內(nèi)耗所占的比例相對較小，可以忽略不計(jì)，因此僅對扭轉(zhuǎn)應(yīng)變振幅大于200×10-6時(shí)的阻尼性能進(jìn)行分析。由圖1可以看出：Fe-17Mn-5Cr-1Ti合金的阻尼性能明顯低于其余4種合金的；Fe-17Mn，F(xiàn)e-17Mn-5Cr，F(xiàn)e-17Mn-5Cr-1Al和Fe-17Mn-5Cr-1Ni合金的阻尼性能隨扭轉(zhuǎn)應(yīng)變振幅的變化趨勢大致相同，當(dāng)扭轉(zhuǎn)應(yīng)變振幅位于200×10-6～900×10-6時(shí)，合金的損耗因數(shù)均近似呈線性增大趨勢，在扭轉(zhuǎn)應(yīng)變振幅大于900×10-6時(shí)，損耗因數(shù)增大的幅度減緩。

圖1 不同試驗(yàn)合金的損耗因數(shù)隨扭轉(zhuǎn)應(yīng)變振幅的變化曲線Fig.1 Curves of dissipation factor vs torsional strain amplitude of different test alloys

研究表明，F(xiàn)e-Mn合金阻尼性能的影響因素主要為ε馬氏體[3,12-22]、ε馬氏體與γ相內(nèi)的層錯(cuò)[20-21]等。一般認(rèn)為，F(xiàn)e-Mn 合金中彈性能的耗散主要來自于e馬氏體與γ母相界面的往復(fù)運(yùn)動。γ/ε之間的界面被認(rèn)為是由Shockley不完全位錯(cuò)形成的。如果ε馬氏體的數(shù)量減少，在其他條件均不變的情況下，耗散彈性能的界面面積相應(yīng)減少，這也會降低材料的阻尼性能。在扭轉(zhuǎn)應(yīng)變振幅大于900×10-6時(shí)，F(xiàn)e-17Mn-5Cr合金的阻尼性能比Fe-17Mn合金的差，說明此時(shí)鉻的添加不利于高扭轉(zhuǎn)應(yīng)變振幅下阻尼性能的優(yōu)化。鉻是升高層錯(cuò)能元素，該元素的加入降低了合金中α′馬氏體與ε馬氏體含量，減少了阻尼源界面的數(shù)量，同時(shí)原子半徑的差異引起晶格畸變，釘扎了層錯(cuò)界面，使界面上的Shockley不全位錯(cuò)可移動性降低[22]。當(dāng)扭轉(zhuǎn)應(yīng)變振幅較小時(shí)，合金受到的外力很小，僅需要少量的彈性能界面數(shù)量就能耗散，導(dǎo)致沿變形方向?qū)渝e(cuò)界面上的Shockley不全位錯(cuò)先發(fā)生移動，內(nèi)耗較低，因此鉻元素對阻尼性能的阻礙作用較小；而當(dāng)扭轉(zhuǎn)應(yīng)變振幅增大時(shí)，由于阻尼源界面的數(shù)量不足，合金受到的外力無法全部由界面耗散，而鉻元素的加入釘扎了層錯(cuò)界面，使γ/ε界面位錯(cuò)移動受到影響，因此鉻元素對阻尼性能的阻礙作用較大。

在Fe-17Mn-5Cr合金成分基礎(chǔ)上添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的鋁或鎳元素后，合金的阻尼性能略微降低，這是因?yàn)殇X和鎳元素的添加會導(dǎo)致合金組織中α′馬氏體含量增加，釘扎了Shockley不全位錯(cuò)運(yùn)動，導(dǎo)致層錯(cuò)的移動性下降，從而不利于阻尼性能的提高；當(dāng)扭轉(zhuǎn)應(yīng)變振幅小于620×10-6時(shí)，F(xiàn)e-17Mn-5Cr-1Al合金的阻尼性能優(yōu)于Fe-17Mn合金的，而在扭轉(zhuǎn)應(yīng)變振幅大于620×10-6時(shí)，其阻尼性能比Fe-17Mn合金的差；當(dāng)扭轉(zhuǎn)應(yīng)變振幅小于750×10-6時(shí)，F(xiàn)e-17Mn-5Cr-1Ni合金的阻尼性能優(yōu)于Fe-17Mn合金的，而在扭轉(zhuǎn)應(yīng)變振幅小于750×10-6時(shí)，其阻尼性能比Fe-17Mn合金的差。在Fe-17Mn-5Cr合金成分基礎(chǔ)上加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的鈦元素會導(dǎo)致合金阻尼性能迅速惡化，這是由于鈦是強(qiáng)碳化物形成元素，而馬氏體是碳在α-鐵中的過飽和固溶體，鈦的加入使合金γ母相中局部貧碳，從而導(dǎo)致部分ε馬氏體因碳元素的減少而無法形成，因此合金的阻尼性能變差。

2.2 拉伸性能

由表2可以看出：在Fe-17Mn合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%鉻元素后，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度顯著提高，斷后伸長率略降低，這主要是由鉻元素的固溶強(qiáng)化作用導(dǎo)致的；在Fe-17Mn-5Cr合金成分基礎(chǔ)上添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的鋁或鈦元素后，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度降低，斷后伸長率顯著提高；在Fe-17Mn-5Cr合金成分基礎(chǔ)上添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的鎳元素后，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度變化不大，斷后伸長率提高。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e-17Mn-5Cr-1Ni合金的拉伸性能最優(yōu)，這主要是由于添加鎳元素后合金晶粒細(xì)化，裂紋擴(kuò)展的路徑變長，裂紋擴(kuò)展困難[23]，因此合金表現(xiàn)出較好的塑性和韌性。

表2 不同試驗(yàn)合金的拉伸性能

2.3 耐腐蝕性能

圖2中的E為電位，i為電流密度。由圖2和表3可以看出：Fe-17Mn合金在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5% NaCl溶液中的自腐蝕電位最低，自腐蝕電流密度最大，說明該合金的耐腐蝕性能最差；在Fe-17Mn合金成分基礎(chǔ)上加入鉻元素后，耐腐蝕性能均明顯增強(qiáng)，這是由于鉻可以增強(qiáng)Fe-Mn合金的鈍化性，在合金表面形成鈍化膜而保護(hù)合金[24]。由氧化物的埃林厄姆圖[25]可知，Al2O3、TiO、Cr2O3、NiO的穩(wěn)定性由高到低，因此在相同條件下形成氧化物的先后順序?yàn)镹iO、Cr2O3、TiO、Al2O3。鋁元素和鈦元素的加入對Fe-17Mn-5Cr合金的耐腐蝕性能影響不大，這是由于在合金氧化時(shí)，在TiO和Al2O3生成前合金表面已形成大量Cr2O3膜。在Fe-17Mn-5Cr合金成分基礎(chǔ)上添加鎳元素后，合金表面優(yōu)先形成NiO膜，但NiO的穩(wěn)定性比Cr2O3的差，導(dǎo)致合金的腐蝕電位降低，腐蝕電流密度增大，因此Fe-17Mn-5Cr-1Ni合金的耐腐蝕性能比Fe-17Mn-5Cr合金的差，但仍優(yōu)于Fe-17Mn合金的。綜上可知，F(xiàn)e-17Mn-5Cr-1Ni合金的綜合性能最優(yōu)異。

圖2 不同試驗(yàn)合金在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5% NaCl溶液中的動電位極化曲線Fig.2 Potentiodynamic polarization curves of different test alloys in 3.5wt% NaCl solution

表3 擬合得到不同試驗(yàn)合金的自腐蝕電位與自腐蝕電流密度

Table 3 Free corrosion potential and corrosion current density of different test alloys by fitting

合金自腐蝕電位/V自腐蝕電流密度/(A·cm-2)Fe-17Mn-0.960 1929.406 00×10-6Fe-17Mn-5Cr-0.597 580.218 14×10-6Fe-17Mn-5Cr-1Al-0.627 740.114 42×10-6Fe-17Mn-5Cr-1Ti-0.634 300.253 89×10-6Fe-17Mn-5Cr-1Ni-0.791 702.939 50×10-6

3 結(jié) 論

(1) 在Fe-17Mn合金成分基礎(chǔ)上添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%鉻元素后，合金強(qiáng)度顯著提高，斷后伸長率略降低,在較低應(yīng)變振幅(200×10-6～900×10-6)下的阻尼性能提高，而在高應(yīng)變振幅(大于900×10-6)下的阻尼性能降低；鉻元素的添加增強(qiáng)了Fe-Mn合金在NaCl溶液中的鈍化，合金表面形成Cr2O3鈍化膜，耐腐蝕性能增強(qiáng)。

(2) 在Fe-17Mn-5Cr合金成分基礎(chǔ)上添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的鋁元素或鈦元素后，合金的耐腐蝕性能變化不大,強(qiáng)度降低，斷后伸長率顯著提高,添加鈦后Fe-17Mn-5Cr合金的阻尼性能變差，添加鋁后的阻尼性能變化不大。

(3) 在Fe-17Mn-5Cr合金成分基礎(chǔ)上添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%鎳元素后，合金的阻尼性能和強(qiáng)度變化不大，斷后伸長率提高，耐腐蝕性能略有降低，但仍優(yōu)于Fe-17Mn合金的；Fe-17Mn-5Cr-1Ni合金的綜合性能最優(yōu)異。