圖 1 拉伸試樣的形狀和尺寸
Figure 1. Shape and size of tensile sample
分享：鎢含量對(duì)Fe-Cr-Co系合金顯微組織及性能的影響
0. 引 言
電阻應(yīng)變片的靈敏程度決定了電阻式應(yīng)變傳感器的輸出性能，而其靈敏性主要取決于敏感柵的材料特性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。應(yīng)變片敏感柵通常由精密電阻合金通過塑性加工制成，所用合金需具備高電阻率（大于100 μΩ·cm）、低電阻溫度系數(shù)以及良好的成形性能。Fe-Cr-Co系電阻合金因具有電阻值穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于電阻應(yīng)變片，但存在的脆性大、加工難度大以及電學(xué)性能差等缺點(diǎn)制約了該合金的進(jìn)一步應(yīng)用。調(diào)整Fe-Cr-Co系合金中鉻和鈷元素的含量可以調(diào)控合金的強(qiáng)度和電阻率[1-5]，調(diào)整鐵、鉻和鈷的含量比例可以調(diào)控合金的電阻溫度系數(shù)，但上述元素調(diào)整難以同時(shí)獲得高電阻率和低電阻溫度系數(shù)[6-8]。在Fe-Cr-Co系合金中引入鉬元素會(huì)導(dǎo)致晶格畸變，增強(qiáng)電子散射，使合金的電阻率顯著提高[9-10]。推測若在Fe-Cr-Co系合金中引入與基體元素半徑相差較大的合金元素，如鎢元素將會(huì)產(chǎn)生更為顯著的晶格畸變，從而進(jìn)一步提高電阻率[10-12]。此外，通過對(duì)合金進(jìn)行合適的預(yù)處理來減少晶格缺陷，提高熱力學(xué)穩(wěn)定性，從而改善電阻值的時(shí)效穩(wěn)定性，也會(huì)進(jìn)一步提升合金的電阻率[11]。考慮上述兩因素，作者采用真空電弧熔煉方法制備含鎢Fe-Cr-Co系合金，然后對(duì)合金進(jìn)行冷軋和退火處理，研究了鎢含量對(duì)合金組織和性能的影響，以期為高性能商用精密電阻合金的制備提供試驗(yàn)參考。
1. 試樣制備與試驗(yàn)方法
試驗(yàn)原料為純度大于99.90%的鐵、鉻、鈷和鎢金屬小顆粒。按照鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%，鈷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.4%，鎢質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0，4.5%，6.5%，8.5%進(jìn)行配料，采用真空電弧熔煉方法制備不含鎢的FeCrCo合金和含鎢FeCrCoWx（x為鎢質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）合金：將原料放入熔煉室中，封閉熔煉室，抽真空，待真空度為8.4×10−4 kPa后充入氬氣，然后進(jìn)行合金熔煉，澆鑄得到直徑為10 cm、厚度約為5 cm的金屬鑄錠。使用四輥冷軋機(jī)對(duì)鑄錠進(jìn)行冷軋，冷軋薄板的厚度為2 mm。將薄板放到高溫管式爐中進(jìn)行1 200℃保溫2 h的退火處理。
在試驗(yàn)合金上截取金相試樣，經(jīng)鑲嵌、打磨、電解拋光、王水腐蝕后，采用IE500M型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，采用JSM-6390LV型掃描電鏡（SEM）觀察微觀形貌，并用SEM附帶的能譜儀（EDS）進(jìn)行微區(qū)成分分析。采用Ultima Ⅳ型X射線衍射儀（XRD）分析合金的物相組成，采用銅靶，Kα射線，掃描速率為5（°）·min−1，掃描范圍為40°～90°，工作電壓為40 kV，工作電流為40 mA，測試后使用Jade 6.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過線切割方法在試驗(yàn)合金上切取尺寸為10 mm×10 mm×0.5 mm的薄片，將薄片磨至厚度30～40 μm，在薄片上沖出直徑為3 mm的圓片，對(duì)圓片進(jìn)行離子減薄，直至其中心出現(xiàn)小孔，再在−30 ℃下進(jìn)行雙噴電解，電解液為體積分?jǐn)?shù)20%HClO4和80%C2H5OH的混合溶液，電解時(shí)間為170 s；采用FEI Tecnai G2 F20型透射電子顯微鏡（TEM）觀察微觀結(jié)構(gòu)。采用FM-200型維氏硬度計(jì)測試合金的硬度，載荷為200 N，保載時(shí)間為10 s，測15次取平均值。按照GB/T 288.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分 室溫試驗(yàn)方法》，在試驗(yàn)合金上截取如圖1所示的拉伸試樣，采用CMT-5015型微控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，應(yīng)變速率為1×10−3 s−1，各測3次取平均值。采用JSM-6390LV型掃描電鏡觀察斷口形貌。采用HPS2662型四探針電阻率測試儀測試試驗(yàn)合金的室溫電阻率，試樣尺寸為10 mm×10 mm×2 mm，測試前對(duì)試樣進(jìn)行打磨和乙醇超聲清洗，各測3次取平均值。
2. 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 物相組成和顯微組織
由圖2可以看出，不同鎢含量的試驗(yàn)合金均分別在2θ為44.5°、64.7°和82.1°處出現(xiàn)了（110）、（200）和（211）晶面，組織均以體心立方（BCC）結(jié)構(gòu)相為主[7]。FeCrCoW6.5合金和FeCrCoW8.5合金在2θ為74.6°處出現(xiàn)了（220）晶面衍射峰，為面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)相的衍射峰；隨著鎢含量的增加，（220）晶面衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)，F(xiàn)CC結(jié)構(gòu)相增多。可知，隨著鎢含量的增加，合金由單一BCC結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)锽CC+FCC雙相結(jié)構(gòu)，這表明合金組織由變形組織的擇優(yōu)取向轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆俳Y(jié)晶組織的隨機(jī)取向[12-14]。
圖 2 不同試驗(yàn)合金的XRD譜
Figure 2. XRD patterns of different test alloys
由圖3可以看出，隨著鎢含量的增加，合金中晶界和亞晶界數(shù)量增加，晶粒尺寸先減小后增大，F(xiàn)eCrCoW6.5合金的晶粒尺寸最小。質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.5%的鎢原子固溶于晶界處，在晶界處會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力場，并且鎢會(huì)與周圍的基體原子形成相對(duì)穩(wěn)定的固溶體結(jié)構(gòu)，這會(huì)增加晶界遷移的阻力，阻礙晶粒長大，同時(shí)在晶界處形成的FCC結(jié)構(gòu)相也會(huì)分割BCC結(jié)構(gòu)相，因此晶粒尺寸減小、晶界數(shù)量增多；過量的鎢會(huì)導(dǎo)致FCC結(jié)構(gòu)相粗化，使FCC相的釘扎作用失效[9]，從而導(dǎo)致晶粒尺寸增大。由圖4可以看出：不同鎢含量的Fe-Cr-Co合金中各元素分布較為均勻，無明顯的偏聚現(xiàn)象。
圖 3 不同試驗(yàn)合金的顯微組織
Figure 3. Microstructures of different test alloys: (a) FeCrCo alloy; (b) FeCrCoW4.5 alloy; (c) FeCrCoW6.5 alloy and (d) FeCrCoW8.5 alloy
圖 4 不同試驗(yàn)合金的EDS元素面掃描區(qū)域和結(jié)果
Figure 4. EDS element surface scanning areas (a, c, e, g) and results (b, d, f, h) of different test alloys: (a−b) FeCrCo alloy; (c−d) FeCrCoW4.5 alloy; (e−f) FeCrCoW6.5 alloy and (g−h) FeCrCoW8.5 alloy
由圖5可以看出：FeCrCoW4.5合金主要以BCC結(jié)構(gòu)相為主。FeCrCoW8.5合金中除了BCC結(jié)構(gòu)相外，還存在FCC結(jié)構(gòu)相，與XRD測試結(jié)果相吻合；FCC相的數(shù)量多、尺寸大、分布均勻，BCC結(jié)構(gòu)相和FCC結(jié)構(gòu)相交替排列形成有序結(jié)構(gòu)，并以共晶組織的形式存在；晶面（110）與晶面（220）垂直，晶帶軸BCC[002]與晶帶軸FCC[004]平行，表明晶體具有高度的有序性[13]。
圖 5 FeCrCoW4.5合金和FeCrCoW8.5合金的TEM形貌
Figure 5. TEM morphology of FeCrCoW4.5 alloy (a) and FeCrCoW8.5 alloy (b)
2.2 力學(xué)性能
由表1可以看出：加入鎢元素后試驗(yàn)合金的硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率均明顯提高，這是因?yàn)殒u元素的加入使得合金發(fā)生了固溶強(qiáng)化；隨著鎢含量的增加，含鎢合金的硬度先降后升，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度先升后降，斷后伸長率增加。FeCrCoW4.5合金具有BCC結(jié)構(gòu)，BCC結(jié)構(gòu)的滑移系較少，滑移方向和滑移面的限制較大，因此合金的塑性變形能力相比于具有BCC結(jié)構(gòu)和FCC結(jié)構(gòu)相的FeCrCoW6.5和FeCrCoW8.5合金要差。FCC結(jié)構(gòu)具有較多的滑移系[15-16]，滑移方向和滑移面較靈活，有利于塑性變形；同時(shí)適量的FCC結(jié)構(gòu)相和晶界可以促進(jìn)晶粒之間的協(xié)調(diào)變形，使得合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提升，但是大量的FCC相會(huì)使晶界變得脆弱，同時(shí)易產(chǎn)生應(yīng)力集中[17-19]的BCC和FCC相界面增加，導(dǎo)致更多微裂紋的產(chǎn)生，從而降低合金的抗拉強(qiáng)度。因此，隨鎢含量增加，合金斷后伸長率增大，強(qiáng)度先增后降。
表 1 不同試驗(yàn)合金的硬度和拉伸性能
Table 1. Hardness and tensile properties of different test alloys
| 合金 | 硬度/HV | 抗拉強(qiáng)度/MPa | 屈服強(qiáng)度/MPa | 斷后伸長率/% |
| FeCrCo合金 | 318.6±9.21 | 814.724 | 159.026 | 7.513 |
| FeCrCoW4.5合金 | 422.6±3.46 |
|
252.971 | 14.978 |
| FeCrCoW6.5合金 | 398.8±9.20 |
|
267.232 | 16.747 |
| FeCrCoW8.5合金 | 406.1±6.41 |
|
202.631 | 29.631 |
由圖6可以看出：不同試驗(yàn)合金拉伸斷口均由韌窩組成，斷裂方式均為韌性斷裂；隨著鎢含量的增加，韌窩尺寸呈減小趨勢。FeCrCo合金拉伸斷口上的韌窩較尺寸較大；FeCrCoW4.5合金拉伸斷口的大韌窩周圍出現(xiàn)了細(xì)小韌窩，表面較平滑；FeCrCoW6.5合金拉伸斷口韌窩分布較為密集，形狀較為規(guī)則；FeCrCoW8.5合金拉伸斷口韌窩更小，且分布均勻。可知，隨著鎢含量的增加，合金的韌性提高。
圖 6 不同試驗(yàn)合金的拉伸斷口形貌
Figure 6. Tensile fracture morphology of different test alloys: (a) FeCrCo alloy; (b) FeCrCoW4.5 alloy; (c) FeCrCoW6.5 alloy and (d) FeCrCoW8.5 alloy
2.3 電學(xué)性能
FeCrCo、FeCrCoW4.5、FeCrCoW6.5、FeCrCoW8.5合金的電阻率分別為（111.043 9±3.53），（125.283 0±3.31），（116.835 5±2.54），（113.756 9±0.89）μm·cm。可知，添加鎢后試驗(yàn)合金的電阻率增大；FeCrCoW4.5合金的電阻率最高，添加鎢后隨著鎢含量增加，合金的電阻率降低。合金的電阻率與電子散射、界面散射、位錯(cuò)散射和雜質(zhì)散射等四種散射機(jī)制密切相關(guān)[20-22]。鎢原子半徑遠(yuǎn)大于鐵、鈷和鉻原子的半徑[23]，在Fe-Cr-Co合金中添加鎢會(huì)造成較大晶格畸變，導(dǎo)致電子散射劇烈，而對(duì)于界面散射、位錯(cuò)散射和雜質(zhì)散射的影響不大[24]；鐵、鉻、鈷和鎢均屬于過渡金屬，具有未填充的d軌道，當(dāng)導(dǎo)電電子由s軌道轉(zhuǎn)移至d軌道時(shí)，電子的平均自由程顯著降低，形成獨(dú)特的s-d散射效應(yīng)[25-26]。因此，添加鎢后合金電阻率提高。對(duì)于BCC結(jié)構(gòu)，電子在傳輸過程中更容易發(fā)生散射，且BCC結(jié)構(gòu)的層錯(cuò)能較高，層錯(cuò)不易發(fā)生，具有單一BCC結(jié)構(gòu)相的FeCrCoW4.5合金的電阻率較高。FeCrCoW6.5合金和FeCrCoW8.5合金均為BCC+FCC雙相結(jié)構(gòu)，部分晶帶軸相互平行，晶體具有有序性，這種有序性會(huì)在一定程度上促進(jìn)電子的流動(dòng)，同時(shí)晶體中的晶面間距和晶面夾角是固定的，這會(huì)導(dǎo)致電子散射的可能性降低，因此電阻率減小；并且更高鎢含量下的FCC相更多，相互平行的晶帶軸也更多，因此電阻率更小。
3. 結(jié) 論
（1）當(dāng)鎢質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于4.5%時(shí)，試驗(yàn)合金為單一BCC結(jié)構(gòu)，而當(dāng)鎢質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.5%和8.5%時(shí)，合金呈現(xiàn)BCC+FCC雙相有序結(jié)構(gòu)，兩相以共晶形式存在；隨著鎢含量的增加，F(xiàn)CC結(jié)構(gòu)相增多，晶粒尺寸先減小后增大。
（2）加入鎢元素后，試驗(yàn)合金的硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率均提高，并且隨著鎢含量的增加，硬度先降后升，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度先升后降，斷后伸長率增加。當(dāng)鎢質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.5%時(shí)，合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能，硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率分別為398.8 HV，1 108.32 MPa，267.232 MPa，16.747%。
（3）添加鎢后試驗(yàn)合金的電阻率升高，隨著鎢含量的增加，電阻率降低，含質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.5%鎢的合金的電阻率最高，為125.28 μΩ·cm。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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