·1352· 工程科学学报，第40卷，第11期 ments,such as room-temperature tensile testing and thermal expansion coefficient.The experimental results clearly show that the as-drawnFe-Ni wire,although having a high tensile strength,exhibits an unfavorable high thermal expansion coefficient.The Fe-Ni wires annealed at 950C (wires subjected to D and 2)have a relatively low thermal expansion coefficient but exhibit insufficient strength.In comparison,the wire aged at 500C (wire subjected to 3)shows a high strength (1189 MPa)and a low thermal expan- sion coefficient (0.2 x10-C)at the same time.The relative strengthening mechanisms and factors affecting the thermal expansion coefficient are discussed and analyzed in terms of the microstructures.Grain boundary strengthening and dislocation hardening are observed to be the dominant strengthening mechanisms of the Fe-Ni wires,and the solute atom-dislocation interaction is mainly respon- sible for the evolution of the thermal expansion coefficient.The present work clearly demonstrates that suitable heat treatments are important for the optimization of the strength/thermal expansion coefficient of Fe-Ni alloy wires,which will be helpful for material design and technology tailoring of Fe-Ni wires to develop a new alloy with enhanced performance. KEY WORDS Fe-Ni alloys;heat treatments;strength;thermal expansion coefficient 镍质量分数在36%左右的Fe-Ni合金，因在室 因瓦合金的强化机制包括固溶强化、位错强化 温附近具有较低的膨胀系数（即因瓦效应）而被称 细晶强化和沉淀强化等.固溶强化并不是因瓦 为因瓦合金，该类材料在电子工业、航空航天及精密 合金的主要强化机制，因为加人元素在提高合金强 仪器等领域有着广泛的应用-).因瓦效应的产生， 度的同时，也会使合金的膨胀系数有较为明显的增 一般认为是由于这些材料在居里温度点以下有大的 大，不利于对合金膨胀系数的控制.冷变形诱发的 正自发体积磁致伸缩，降温时磁致伸长抵消了正常 位错密度增加可以提高强度，但是冷变形后合金组 点阵收缩，从而产生室温下近似为零的膨胀率2-). 织不稳定导致热膨胀系数不稳定，不宜直接使用，只 为保证合金具有较低的膨胀系数，因瓦合金采用铁 有经过退火后才能使用).对于强度的晶粒尺寸效 磁性的Fe和Ni为主要元素，严格控制其他元素的 应，众所周知当晶粒尺寸小到亚微米及以下量级后， 加入，合金组织呈单一奥氏体组织.因此，因瓦合 细晶强化对合金强度的贡献将显著增加].然而 金的强度普遍较低，约500MPa,长期以来主要是作 对于粗晶的因瓦合金来说，目前都采用沉淀析出第 为某些非承力的关键部件材料使用，较低的强度制 二相为主要强化手段，这主要是由于元素在析出获 约了其结构-功能一体化应用潜力的开发.在保持 得强化的同时，也相应地降低了基体中的合金元素 较低膨胀系数的前提下改善强度是目前因瓦合金研 含量，有利于对合金膨胀系数的控制 究中的重点，以往的研究多集中在因瓦合金物理性 如上所述，部分微观组织（例如固溶原子和晶品 能和热膨胀特性方面2,4-6]，有关微观组织与力学性 粒尺寸)对因瓦合金强度和热膨胀系数的影响效 能的研究则报导不多. 果是反向的，即增大强度的同时不利于热膨胀系 影响因瓦合金热膨胀系数的因素主要包括合金 数的减小，反之亦然.而冷变形诱发的大量位错的 成分、晶粒尺寸、缺陷含量、析出相等.Fe-35.7%Ni 存在有可能在提高强度的同时也降低热膨胀系 (质量分数)合金所表现的热膨胀系数最小，在此成 数，前提是摸索到合适的热处理工艺以实现合金 分的两侧无论改变Ni或Fe含量，热膨胀系数都有 变形组织的稳定.本文将以此作为切入点，研究不 明显的增大，因此精准控制N含量是获得因瓦合金 同热处理对Fe-Ni因瓦合金丝微观组织、力学性 的关键).晶粒尺寸对热膨胀系数的影响在电沉积 能和热膨胀系数的影响，尝试优化热处理工艺，获 制备Fe-36%Ni因瓦合金中得到了初步的研究，通 得最佳的强度/热膨胀系数组合，以满足强度 过退火处理将合金平均晶粒尺寸从12.5nm粗化到 >1000MPa同时室温热膨胀系数≤1.5× 10μm时，线膨胀系数从大约9×10-6℃-1减小到 10-6℃-1的实际需求[4] 3×10-6℃-1，表明大量晶界的存在提高了因瓦合金 1实验材料及方法 的热膨胀系数s].有报道指出，冷加工使Fe-Ni合 金内部缺陷增多、密度降低，破坏合金中原子短程有 实验用材是某公司提供的冷拔Fe-Ni合金丝， 序化程度，影响到合金自发磁化强度和磁致伸缩系 直径为2.8mm,其化学成分见表1所示.由表可见， 数，最终降低了合金的热膨胀系数，甚至可变为负 该合金含质量分数为61.05%的Fe和质量分数为 值.而析出相的形成不可避免地改变了基体中的 36.24%的Ni,处于典型的因瓦合金成分范围内.除 化学成分，从而影响热膨胀特性]. 了Fe和Ni以外，还含有1.01%C、0.96%V、工程科学学报,第 40 卷,第 11 期 ments, such as room鄄temperature tensile testing and thermal expansion coefficient. The experimental results clearly show that the as鄄drawnFe鄄鄄Ni wire, although having a high tensile strength, exhibits an unfavorable high thermal expansion coefficient. The Fe鄄鄄Ni wires annealed at 950 益 (wires subjected to 淤 and 于) have a relatively low thermal expansion coefficient but exhibit insufficient strength. In comparison, the wire aged at 500 益 (wire subjected to 盂) shows a high strength (1189 MPa) and a low thermal expan鄄 sion coefficient (0郾 2 伊 10 - 6益 - 1 ) at the same time. The relative strengthening mechanisms and factors affecting the thermal expansion coefficient are discussed and analyzed in terms of the microstructures. Grain boundary strengthening and dislocation hardening are observed to be the dominant strengthening mechanisms of the Fe鄄鄄Ni wires, and the solute atom鄄dislocation interaction is mainly respon鄄 sible for the evolution of the thermal expansion coefficient. The present work clearly demonstrates that suitable heat treatments are important for the optimization of the strength / thermal expansion coefficient of Fe鄄鄄 Ni alloy wires, which will be helpful for material design and technology tailoring of Fe鄄鄄Ni wires to develop a new alloy with enhanced performance. KEY WORDS Fe鄄鄄Ni alloys; heat treatments; strength; thermal expansion coefficient 镍质量分数在 36% 左右的 Fe鄄鄄Ni 合金,因在室 温附近具有较低的膨胀系数(即因瓦效应)而被称 为因瓦合金,该类材料在电子工业、航空航天及精密 仪器等领域有着广泛的应用[1鄄鄄3] . 因瓦效应的产生, 一般认为是由于这些材料在居里温度点以下有大的 正自发体积磁致伸缩,降温时磁致伸长抵消了正常 点阵收缩,从而产生室温下近似为零的膨胀率[2鄄鄄3] . 为保证合金具有较低的膨胀系数,因瓦合金采用铁 磁性的 Fe 和 Ni 为主要元素,严格控制其他元素的 加入,合金组织呈单一奥氏体组织. 因此, 因瓦合 金的强度普遍较低,约 500 MPa,长期以来主要是作 为某些非承力的关键部件材料使用,较低的强度制 约了其结构鄄鄄功能一体化应用潜力的开发. 在保持 较低膨胀系数的前提下改善强度是目前因瓦合金研 究中的重点,以往的研究多集中在因瓦合金物理性 能和热膨胀特性方面[2,4鄄鄄6] ,有关微观组织与力学性 能的研究则报导不多. 影响因瓦合金热膨胀系数的因素主要包括合金 成分、晶粒尺寸、缺陷含量、析出相等. Fe鄄鄄35郾 7% Ni (质量分数)合金所表现的热膨胀系数最小,在此成 分的两侧无论改变 Ni 或 Fe 含量,热膨胀系数都有 明显的增大,因此精准控制 Ni 含量是获得因瓦合金 的关键[7] . 晶粒尺寸对热膨胀系数的影响在电沉积 制备 Fe鄄鄄36% Ni 因瓦合金中得到了初步的研究,通 过退火处理将合金平均晶粒尺寸从 12郾 5 nm 粗化到 10 滋m 时,线膨胀系数从大约 9 伊 10 - 6益 - 1 减小到 3 伊 10 - 6益 - 1 ,表明大量晶界的存在提高了因瓦合金 的热膨胀系数[8] . 有报道指出,冷加工使 Fe鄄鄄 Ni 合 金内部缺陷增多、密度降低,破坏合金中原子短程有 序化程度,影响到合金自发磁化强度和磁致伸缩系 数,最终降低了合金的热膨胀系数,甚至可变为负 值[9] . 而析出相的形成不可避免地改变了基体中的 化学成分,从而影响热膨胀特性[10] . 因瓦合金的强化机制包括固溶强化、位错强化、 细晶强化和沉淀强化等[11] . 固溶强化并不是因瓦 合金的主要强化机制,因为加入元素在提高合金强 度的同时, 也会使合金的膨胀系数有较为明显的增 大, 不利于对合金膨胀系数的控制. 冷变形诱发的 位错密度增加可以提高强度,但是冷变形后合金组 织不稳定导致热膨胀系数不稳定,不宜直接使用,只 有经过退火后才能使用[2] . 对于强度的晶粒尺寸效 应,众所周知当晶粒尺寸小到亚微米及以下量级后, 细晶强化对合金强度的贡献将显著增加[12] . 然而 对于粗晶的因瓦合金来说,目前都采用沉淀析出第 二相为主要强化手段,这主要是由于元素在析出获 得强化的同时, 也相应地降低了基体中的合金元素 含量,有利于对合金膨胀系数的控制. 如上所述,部分微观组织(例如固溶原子和晶 粒尺寸)对因瓦合金强度和热膨胀系数的影响效 果是反向的,即增大强度的同时不利于热膨胀系 数的减小,反之亦然. 而冷变形诱发的大量位错的 存在有可能在提高强度的同时也降低热膨胀系 数,前提是摸索到合适的热处理工艺以实现合金 变形组织的稳定. 本文将以此作为切入点,研究不 同热处理对 Fe鄄鄄 Ni 因瓦合金丝微观组织、力学性 能和热膨胀系数的影响,尝试优化热处理工艺,获 得最 佳 的 强 度 / 热 膨 胀 系 数 组 合, 以 满 足 强 度 > 1000 MPa 同 时 室 温 热 膨 胀 系 数 臆 1郾 5 伊 10 - 6益 - 1的实际需求[4] . 1 实验材料及方法 实验用材是某公司提供的冷拔 Fe鄄鄄 Ni 合金丝, 直径为 2郾 8 mm,其化学成分见表 1 所示. 由表可见, 该合金含质量分数为 61郾 05% 的 Fe 和质量分数为 36郾 24% 的 Ni,处于典型的因瓦合金成分范围内. 除 了 Fe 和 Ni 以 外, 还 含 有 1郾 01% C、 0郾 96% V、 ·1352·