Fe-25Mn-9Al-8Ni-1C-0.2Ti合金高温高周疲劳断裂机制研究及其在柴油发动机缸头材料中的应用

为解决高功率密度柴油发动机缸头材料高温疲劳失效问题，研究人员通过真空感应悬浮熔炼法制备低密度铁基合金(Fe–25Mn–9Al–8Ni–1C–0.2Ti)，发现600℃时疲劳强度(255 MPa)较室温提升37.3%，κ-碳化物、TiC及致密氧化膜(Fe2O3/Al2O3/Mn2O3)协同抑制裂纹萌生，导热率翻倍降低热应力，为高温合金设计提供新思路。

　　

针对高功率密度柴油发动机缸头材料在高温工况下易发生疲劳失效的难题，这项研究采用真空感应悬浮熔炼法(VIM)制备出轻量化铁基合金(Fe–25Mn–9Al–8Ni–1C–0.2Ti)。有趣的是，当温度升至600℃时，该合金反而展现出惊人的性能提升——疲劳强度达到255 MPa，比室温条件下高出37.3%。微观机制研究发现，高温环境下κ-碳化物(kappa-carbides)的析出与TiC颗粒形成协同强化效应，铁素体体积分数增加使硬度提升36.33%。更令人称奇的是，疲劳源区自发形成的致密氧化膜三明治结构(Fe₂O₃/Al₂O₃/Mn₂O₃)如同天然防护盾，有效阻碍裂纹萌生。而导热性能的翻倍提升(thermal conductivity)则像内置的"空调系统"，显著降低合金内部热应力。这些发现为开发新型高温抗疲劳材料提供了重要理论依据。