复杂耐磨黄铜硬质相形成机理及相稳定机制研究

Complex high-strength wear-resistance brasses are the one of the alloys which make best uses of the addition of elements, and represent for the highest level of brasses. They are widely used in the automobile, aviation and navigation industry. At present, the complex wear-resistance brasses prepared in our country are far below the level of the developed countries, which can be mainly ascribed to the indisinction of formation and control mechanism of microstructure. Hence, the project takes the Mn-Si and Fe-Si hard phase in the complex high-strength wear resistance brasses as the investigated object, to study their stably existed temperature range and effect of small amount of elements on their formation. The growth kinetics of hard phase will be revealed through the synchrotron radiation used high-energy ray, and then the morphology and distribution will be controlled and altered by using electromagnetic field during solidification process. The thermodynamic and kinetic mechanisms during solid transformation process will be analyzed, and the phase stability of hard phase under different wear process will be investigated. On the basis of formation mechanism and phase stability of hard phase, the optimized morphology and distribution and the corresponding control method will be obtained. The project has an important meaning to understand/improve the formation and control mechanisms of alloy microstructure, and is beneficial to prepare complex wear-resistance brass with high performance.

复杂耐磨黄铜是铜合金中对添加元素利用最充分的合金品种之一，代表了黄铜系列机械性能的最高水准，在汽车、航空及航海工业中有着广泛应用。目前我国复杂黄铜耐磨性较国外差距很大，其主要原因就是合金组织形成机理及调控机制不清晰，尤其是作为承担耐磨功能的硬质相，其形成热力学、生长动力学及磨损过程中的相稳定机制均不清晰。鉴于此，本项目拟以复杂耐磨锰黄铜中的Mn-Si及Fe-Si硬质相为研究对象，研究其稳定存在的温度区间，通过高能射线同步辐射技术揭示硬质相的生长动力学，进而通过施加电磁场主动控制其分布及形貌；分析固态相变条件下硬质相形成的热力学条件及动力学机制，揭示硬质相在不同磨损条件下的相稳定机制。在阐明硬质相形成机理及磨损服役条件下相稳定性机制的基础上，获得最佳耐磨性所对应的硬质相形貌分布及控制手段。研究成果对于进一步理解/完善金属材料合金组织形成及调控机制，制备高品质复杂耐磨黄铜具有重要意义。

目前，国产高强耐磨黄铜材料的使用性能与国外先进水平存在较大差距，本质问题在于对高强耐磨黄铜中硬质相的形成机理、生长机制以及在摩擦磨损过程中的作用机理缺乏深刻的认识，从而导致对硬质相的调控缺乏明确的方向和有效的手段。Mn5Si3和(Mn,Fe)5Si3是高强耐磨黄铜中重要的硬质相，是决定复杂锰黄铜具有优良耐磨性能的核心所在。为此，本项目以不同的复杂锰黄铜为对象研究了Mn5Si3和(Mn,Fe)5Si3硬质相的生长机制以及三维形貌演变，系统分析了硬质相的体积分数、尺寸和形貌对复杂锰黄铜力学性能和耐磨性能的影响机理。主要取得了以下的研究结果：.（1）复杂锰黄铜含有少量的Fe时会同时形成 (Mn,Fe)5Si3和Mn5Si3硬质相。D88型复杂六方结构的[Mn(Fe)]5Si3硬质相择优生长方向为<0001>和<11"2" ̅0>，且<0001>的生长速度大于<11"2" ̅0>，晶体倾向以小平面方式生长为长六棱柱形貌。.（2）在复杂锰黄铜的凝固过程中初生[Mn(Fe)]5Si3相在熔体中形核，随着熔体温度的降低初生[Mn(Fe)]5Si3相发生长大。复杂锰黄铜在高温下等温热处理时β相基体中可以形成纳米尺寸的Mn5Si3析出相。Mn5Si3析出相和β相基体存在共格界面关系时具有如下晶体学位向关系：(110)β//(1"1" ̅00)Mn5Si3和["1" ̅11]β//[11"2" ̅"2" ̅]Mn5Si3。.（3）复杂锰黄铜的强化机理主要是基体向[Mn(Fe)]5Si3硬质相颗粒的载荷传递，其次是细晶强化。随着[Mn(Fe)]5Si3含量的升高，复杂锰黄铜的硬度和强度提高，断裂方式由韧性断裂转变为准解理和解理断裂。当[Mn(Fe)]5Si3含量较高时，粗大且高长径比的初生[Mn(Fe)]5Si3颗粒上存在大尺寸的孔洞。.（4）在高载荷作用下粗大且高长径比的初生[Mn(Fe)]5Si3颗粒包含明显的孔洞和凹陷，会促使磨损亚表层中形成严重的裂纹从而大幅降低复杂锰黄铜的耐磨性能。此外，发现细小的初生和共晶[Mn(Fe)]5Si3颗粒的适当结合可以有效抑制裂纹的形成，使得复杂锰黄铜具有优良的耐磨性能。