复杂黄铜中D88结构硬质相的缺陷形貌调控及微观断裂机理研究

The Mn5Si3 phase with the D88 crystal structure, is the core of determining the high strength and high wear resistance of complex brasses. However, due to the brittleness and the morphology of long hexagonal prisms with growth defects, the Mn5Si3 phase presents a severe cracking tendency under load conditions. This project proposes the use of modification elements Sr and Ce to inhibit the growth of Mn5Si3 and doping elements Ge and Sn to reduce the growth anisotropy. Thus, the dimension and defect morphology of the hard phase can be effectively controlled. The synchrotron radiation X-ray in situ imaging and the microbeam analytic techniques are combined to investigate the absorption and doping effects during the growth of hard phase, and also the influencing mechanism of different growth characteristics on the formation of morphological defects. On this basis, the corresponding micro-fracture mechanisms of hard phases with different sizes, morphologies and toughness under different loads will be further clarified. And the relationship between the size and morphology parameters of hard phases and the mechanical and wear performances of complex brasses is to be established. The results are helpful to provide theoretical basis and technical guidance for the control of D88-type hard phases, which possesses great value of theory and practice.

D88结构的Mn5Si3硬质相是复杂黄铜具有高强度和高耐磨性的核心因素，但是因为其较大的脆性和含有生长缺陷的长六棱柱形貌在外加载荷作用下极易发生断裂，严重降低复杂黄铜的力学和耐磨性能。本课题拟以Mn5Si3硬质相为研究对象，分别通过添加变质元素（Sr和Ce）抑制其晶体长大和掺杂置换元素（Ge和Sn）降低其生长各向异性两种方式，实现硬质相尺寸和缺陷形貌的有效调控。利用同步辐射X射线成像技术和X射线微束分析相结合，研究并揭示硬质相生长过程的吸附/掺杂机理以及不同生长特性对形成缺陷形貌的影响机理。在此基础上进一步阐明不同载荷下不同尺寸、形貌和韧性的硬质相对应的微观断裂机理，建立硬质相的尺寸和形貌参数与复杂黄铜力学和耐磨性能之间的关系。研究结果可为D88结构硬质相的调控提供理论依据和技术指导，具有重要的理论意义和实际价值。

高强耐磨复杂黄铜被广泛应用于机械、汽车、航空等领域中耐磨零部件的制备，其中高硬度，高的热稳定性，D88结构的硅化物Mn5Si3是采用最广泛的硬质相。它是复杂黄铜具有高强度和高耐磨性的核心因素，但是因为其较大的脆性和含有生长缺陷的长六棱柱形貌在外加载荷作用下极易发生断裂，严重降低复杂黄铜的力学和耐磨性能。本研究选用不同Mn5Si3含量的HMn62-3-3-1和HMn64-8-5-1.5两种典型黄铜合金作为对象，通过施加脉冲磁场、添加微量变质元素（Ce和Sr）以及结合热变形和等温处理等手段调控Mn5Si3的尺寸、形貌和取向分布，并探究对复杂黄铜力学和耐磨性能的影响。研究结果表明，施加适当的脉冲磁场后Mn5Si3颗粒的尺寸变化较小，六棱柱芯部孔洞消失。锻压态HMn62-3-3-1合金抗拉强度和延伸率达到655MPa和15.3%，分别提高了9.0%和66.5%。且拉伸变形过程中Mn5Si3颗粒的失效类型从脆性解理断裂转变为从基体中拔出，使得载荷传递效应增强。进一步地经过700oC，90%变形量的热轧结合800oC等温处理，能够使六棱柱Mn5Si3颗粒趋于同向分布，且在基体中析出弥散分布的纳米尺寸的Mn5Si3相，从而获得具有优异强度和耐磨性的复杂黄铜。对于高Mn5Si3含量的HMn64-8-5-1.5合金，加入微量的Ce和Sr后六棱柱Mn5Si3颗粒的尺寸减小，棱柱上孔洞缺陷的形成受到抑制，可以有效降低颗粒在承受载荷时的开裂倾向，从而显著提高合金的强度和耐磨性能。此外，本研究探究了Mn5Si3晶体生长的影响机理，揭示了Mn5Si3的生长形貌对复杂黄铜的强化机制以及磨损机理的贡献，研究结果对于制备高品质复杂黄铜具有重要意义。