添加铬、铝、钛、镍合金元素对Fe-17Mn阻尼合金性能的影响

(浙江久立特材科技股份有限公司，湖州 313008)

0 引 言

随着现代工业的快速发展，交通、能源、建筑、航天等领域对机器及其部件性能的要求越来越苛刻。机器在运转中所产生的振动特别是共振，会严重影响其零部件的使用寿命，降低产品的质量以及仪器仪表的精度和可靠性。因此，如何减少机械振动、降低噪声成为研究者们十分关注的问题，这也使得阻尼合金的研究得到了发展。阻尼合金通过材料本身内部结构将振动机械能转化为热能而耗散[1-2]，其中Fe-Mn阻尼合金因具有良好的力学性能、高应变下较好的阻尼性能以及低廉的投入成本而受到国内外学者的广泛关注。JUN等[3]和JEE等[4]在对Fe-Mn二元合金进行研究时发现：Fe-Mn合金在锰质量分数为17%时，其阻尼性能最好，同时合金具有良好的力学性能(抗拉强度在700 MPa以上，伸长率可达到38%)；两相或三相的共存使Fe-Mn合金中容易形成电化学原电池，导致其耐腐蚀性能很差。较差的耐腐蚀性能不仅会缩短Fe-Mn合金零部件的使用寿命，还会限制其在恶劣环境中的应用[5-6]。目前，有关Fe-Mn阻尼合金的研究主要集中在其阻尼性能和力学性能方面，而有关其耐腐蚀性能的研究较少。黄姝珂等[7]和于学勇等[8]研究发现，铬元素可增加Fe-Mn二元阻尼合金在NaCl溶液中的钝化性，使合金表面形成钝化膜，从而保护合金内部不被腐蚀；朱雪梅等[9]研究表明，在Fe-Mn合金中加入少量的铝元素后，合金表面形成以氧化铝为主的较为致密的保护膜，从而提高合金的电化学腐蚀性能。由此可见，在Fe-Mn阻尼合金中加入一些耐腐蚀元素，能够在一定程度上改善其耐腐蚀性能差的缺点。但是，加入的耐腐蚀元素除了会对Fe-Mn阻尼合金的耐腐蚀性能造成影响，还会对其阻尼性能和力学性能造成一定的影响。因此，作者针对高强度Fe-Mn阻尼合金耐腐蚀性能差的问题，选择在阻尼性能最佳的Fe-17Mn二元合金中加入不同质量分数的铬、铝、钛、镍等元素，研究了这些合金元素对合金阻尼性能、耐腐蚀性能和力学性能的影响。

1 试样制备与试验方法

参考文献[10]，选择在Fe-17Mn合金中添加质量分数5%的铬元素，制备Fe-17Mn-5Cr合金。考虑到添加质量分数0～12%的铬元素会增加合金的层错能[11]，降低阻尼性能，同时考虑到铝、钛、镍可细化晶粒，有利于增加合金中可移动界面数量，从而提高阻尼性能，因此为了在提高耐腐蚀性能的同时保持良好的阻尼性能，选择在Fe-17Mn-5Cr合金成分的基础上分别加入质量分数均为1%的铝、钛、镍元素，制备得到Fe-17Mn-5Cr-1Al，Fe-17Mn-5Cr-1Ti和Fe-17Mn-5Cr-1Ni合金。

以高纯金属为原材料，采用真空感应熔炼法制备Fe-17Mn，Fe-17Mn-5Cr，Fe-17Mn-5Cr-1Al，Fe-17Mn-5Cr-1Ti和Fe-17Mn-5Cr-1Ni等5种不同成分的Fe-Mn合金铸锭；对铸锭进行1 150 ℃×3 h均匀化扩散退火后，采用900 kg锻锤进行锻造，始锻温度为1 100 ℃，终锻温度不低于900 ℃，得到尺寸为300 mm×100 mm×10 mm的板材；对板材进行1 100 ℃×1 h水冷的固溶处理。实测5种试验合金的化学成分如表1所示。

表1 不同试验合金的化学成分(质量分数)

采用强迫次共振型PL-DMTA MKII型动态力学分析仪测试加载应力和反馈应变的滞后角δ，试样尺寸为50 mm×1 mm×2 mm，测试频率为1 Hz，扭转应变振幅范围为01 200×10-6，得到合金在30 ℃下的损耗因数-应变振幅变化曲线。按照GB/T 228-2002，将试验合金加工成标准圆棒状拉伸试样，直径为5 mm，标距为25 mm，采用WAW-300B型万能试验机进行室温拉伸试验，拉伸速度为1 mm·min-1。采用由CS310型电化学工作站和容积1 L的玻璃电解池组成的测试装置测合金在质量分数3.5% NaCl溶液中的动电位极化曲线，用三电极体系进行测试，其中铂箔为辅助电极，Ag/AgCl电极为参比电极，合金试样为工作电极；合金试样的尺寸为φ10 mm×2 mm，经砂纸逐级打磨至2000#，然后采用酒精超声清洗5 min，保留工作面积为1 cm2，其余部分均采用树脂涂覆；电位扫描范围为-0.50.5 V，扫描速率为1 mV·s-1，试验温度为(25±1) ℃。

2 试验结果与讨论

2.1 阻尼性能

当扭转应变振幅小于200×10-6时，合金的内耗很低，测试系统内耗(背底内耗)所占的比例较大，合金内耗的真实变化趋势未能真实体现；而在扭转应变振幅大于200×10-6时，测试系统内耗所占的比例相对较小，可以忽略不计，因此仅对扭转应变振幅大于200×10-6时的阻尼性能进行分析。由图1可以看出：Fe-17Mn-5Cr-1Ti合金的阻尼性能明显低于其余4种合金的；Fe-17Mn，Fe-17Mn-5Cr，Fe-17Mn-5Cr-1Al和Fe-17Mn-5Cr-1Ni合金的阻尼性能随扭转应变振幅的变化趋势大致相同，当扭转应变振幅位于200×10-6～900×10-6时，合金的损耗因数均近似呈线性增大趋势，在扭转应变振幅大于900×10-6时，损耗因数增大的幅度减缓。

图1 不同试验合金的损耗因数随扭转应变振幅的变化曲线Fig.1 Curves of dissipation factor vs torsional strain amplitude of different test alloys

研究表明，Fe-Mn合金阻尼性能的影响因素主要为ε马氏体[3,12-22]、ε马氏体与γ相内的层错[20-21]等。一般认为，Fe-Mn 合金中弹性能的耗散主要来自于e马氏体与γ母相界面的往复运动。γ/ε之间的界面被认为是由Shockley不完全位错形成的。如果ε马氏体的数量减少，在其他条件均不变的情况下，耗散弹性能的界面面积相应减少，这也会降低材料的阻尼性能。在扭转应变振幅大于900×10-6时，Fe-17Mn-5Cr合金的阻尼性能比Fe-17Mn合金的差，说明此时铬的添加不利于高扭转应变振幅下阻尼性能的优化。铬是升高层错能元素，该元素的加入降低了合金中α′马氏体与ε马氏体含量，减少了阻尼源界面的数量，同时原子半径的差异引起晶格畸变，钉扎了层错界面，使界面上的Shockley不全位错可移动性降低[22]。当扭转应变振幅较小时，合金受到的外力很小，仅需要少量的弹性能界面数量就能耗散，导致沿变形方向层错界面上的Shockley不全位错先发生移动，内耗较低，因此铬元素对阻尼性能的阻碍作用较小；而当扭转应变振幅增大时，由于阻尼源界面的数量不足，合金受到的外力无法全部由界面耗散，而铬元素的加入钉扎了层错界面，使γ/ε界面位错移动受到影响，因此铬元素对阻尼性能的阻碍作用较大。

在Fe-17Mn-5Cr合金成分基础上添加质量分数1%的铝或镍元素后，合金的阻尼性能略微降低，这是因为铝和镍元素的添加会导致合金组织中α′马氏体含量增加，钉扎了Shockley不全位错运动，导致层错的移动性下降，从而不利于阻尼性能的提高；当扭转应变振幅小于620×10-6时，Fe-17Mn-5Cr-1Al合金的阻尼性能优于Fe-17Mn合金的，而在扭转应变振幅大于620×10-6时，其阻尼性能比Fe-17Mn合金的差；当扭转应变振幅小于750×10-6时，Fe-17Mn-5Cr-1Ni合金的阻尼性能优于Fe-17Mn合金的，而在扭转应变振幅小于750×10-6时，其阻尼性能比Fe-17Mn合金的差。在Fe-17Mn-5Cr合金成分基础上加入质量分数1%的钛元素会导致合金阻尼性能迅速恶化，这是由于钛是强碳化物形成元素，而马氏体是碳在α-铁中的过饱和固溶体，钛的加入使合金γ母相中局部贫碳，从而导致部分ε马氏体因碳元素的减少而无法形成，因此合金的阻尼性能变差。

2.2 拉伸性能

由表2可以看出：在Fe-17Mn合金中添加质量分数5%铬元素后，合金的抗拉强度和屈服强度显著提高，断后伸长率略降低，这主要是由铬元素的固溶强化作用导致的；在Fe-17Mn-5Cr合金成分基础上添加质量分数1%的铝或钛元素后，合金的屈服强度和抗拉强度降低，断后伸长率显著提高；在Fe-17Mn-5Cr合金成分基础上添加质量分数1%的镍元素后，合金的屈服强度和抗拉强度变化不大，断后伸长率提高。通过对比可以发现，Fe-17Mn-5Cr-1Ni合金的拉伸性能最优，这主要是由于添加镍元素后合金晶粒细化，裂纹扩展的路径变长，裂纹扩展困难[23]，因此合金表现出较好的塑性和韧性。

表2 不同试验合金的拉伸性能

2.3 耐腐蚀性能

图2中的E为电位，i为电流密度。由图2和表3可以看出：Fe-17Mn合金在质量分数3.5% NaCl溶液中的自腐蚀电位最低，自腐蚀电流密度最大，说明该合金的耐腐蚀性能最差；在Fe-17Mn合金成分基础上加入铬元素后，耐腐蚀性能均明显增强，这是由于铬可以增强Fe-Mn合金的钝化性，在合金表面形成钝化膜而保护合金[24]。由氧化物的埃林厄姆图[25]可知，Al2O3、TiO、Cr2O3、NiO的稳定性由高到低，因此在相同条件下形成氧化物的先后顺序为NiO、Cr2O3、TiO、Al2O3。铝元素和钛元素的加入对Fe-17Mn-5Cr合金的耐腐蚀性能影响不大，这是由于在合金氧化时，在TiO和Al2O3生成前合金表面已形成大量Cr2O3膜。在Fe-17Mn-5Cr合金成分基础上添加镍元素后，合金表面优先形成NiO膜，但NiO的稳定性比Cr2O3的差，导致合金的腐蚀电位降低，腐蚀电流密度增大，因此Fe-17Mn-5Cr-1Ni合金的耐腐蚀性能比Fe-17Mn-5Cr合金的差，但仍优于Fe-17Mn合金的。综上可知，Fe-17Mn-5Cr-1Ni合金的综合性能最优异。

图2 不同试验合金在质量分数3.5% NaCl溶液中的动电位极化曲线Fig.2 Potentiodynamic polarization curves of different test alloys in 3.5wt% NaCl solution

表3 拟合得到不同试验合金的自腐蚀电位与自腐蚀电流密度

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

合金自腐蚀电位/V自腐蚀电流密度/(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 结 论

(1) 在Fe-17Mn合金成分基础上添加质量分数5%铬元素后，合金强度显著提高，断后伸长率略降低,在较低应变振幅(200×10-6～900×10-6)下的阻尼性能提高，而在高应变振幅(大于900×10-6)下的阻尼性能降低；铬元素的添加增强了Fe-Mn合金在NaCl溶液中的钝化，合金表面形成Cr2O3钝化膜，耐腐蚀性能增强。

(2) 在Fe-17Mn-5Cr合金成分基础上添加质量分数1%的铝元素或钛元素后，合金的耐腐蚀性能变化不大,强度降低，断后伸长率显著提高,添加钛后Fe-17Mn-5Cr合金的阻尼性能变差，添加铝后的阻尼性能变化不大。

(3) 在Fe-17Mn-5Cr合金成分基础上添加质量分数1%镍元素后，合金的阻尼性能和强度变化不大，断后伸长率提高，耐腐蚀性能略有降低，但仍优于Fe-17Mn合金的；Fe-17Mn-5Cr-1Ni合金的综合性能最优异。