含鉻輕質(zhì)雙相鋼相變行為的熱力學(xué)計算

殷志鵬王華何燕霖陳璋李麟

(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072;2.上海大學(xué)分析測試中心，上海 200044)

Fe-Mn-Al-C系輕質(zhì)鋼在保證其良好的強度和塑性的前提下，能夠使密度降低10%～16%，符合汽車輕量化發(fā)展前景[1]。但是鋁的添加會使鋼的組織中出現(xiàn)κ-相等金屬間化合物，從而損害其性能[2]。Xu等[3]、Lee等[4]研究發(fā)現(xiàn)，Cr的添加不僅會抑制κ-相的形成，有效改善鋼的力學(xué)性能，還可以提高輕質(zhì)鋼的高溫抗氧化性和耐蝕性。因此，為了實現(xiàn)含鉻輕質(zhì)鋼成分與工藝的科學(xué)設(shè)計，本研究擬采用Thermo-calc熱力學(xué)計算軟件，在建立Fe-Mn-Al-Cr-C體系熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，對含鉻輕質(zhì)雙相鋼的相變溫度進行預(yù)測。

1 熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫的建立

表1列出了研究所考查的Fe-Mn-Al-Cr-C五元體系熱力學(xué)參數(shù)的文獻來源，發(fā)現(xiàn)目前商用計算軟件Thermo-calc的TCFE8數(shù)據(jù)庫中對一些關(guān)鍵體系缺乏相關(guān)的數(shù)據(jù)支撐，本研究對其進行了補充。

1.1 Al-Cr二元系

Liang等[5]在試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上優(yōu)化了Al-Cr二元系的交互作用參數(shù)，本研究據(jù)此建立了USER數(shù)據(jù)庫，并計算了Al-Cr二元相圖，結(jié)果如圖1所示。可見，計算結(jié)果與試驗值[6-7]吻合較好。

表1 TCFE8與自建USER數(shù)據(jù)庫的熱力學(xué)參數(shù)來源Table 1 Sources of sub-systems in Fe-Mn-Al-Cr-C system of TCFE8 and USER

圖1 Al-Cr二元相圖Fig.1 Phase diagram of Al-Cr binary system

1.2 Fe-Cr-C三元系

Andersson等[11]使用亞點陣模型對Cr-C二元系的穩(wěn)定相進行了描述，但計算結(jié)果不能很好地重現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)。Lee等[22]重新優(yōu)化了該二元系，但Cr7C3相過于穩(wěn)定。Khvan等[12]在對Cr-Nb-C三元系進行優(yōu)化時，重新調(diào)整了Cr-C二元系液相、Cr7C3相和Cr23C6相的交互作用參數(shù)。圖2為使用自建數(shù)據(jù)庫計算的Cr-C二元相圖，可見優(yōu)化結(jié)果與試驗值[23]吻合較好，且適用于Fe-Cr-C三元系。

圖2 Cr-C二元相圖Fig.2 Phase diagram of Cr-C binary system

其后，Khvan等[20]在Andersson等[19]研究的基礎(chǔ)上，進一步優(yōu)化了Fe-Cr-C三元系中液相、FCC相和碳化物的三元交互作用參數(shù)，部分熱力學(xué)參數(shù)列于表2。本研究據(jù)此采用自建數(shù)據(jù)庫對含5%Cr(質(zhì)量分數(shù)，下同)的Fe-Cr-C三元相圖進行了計算，結(jié)果如圖3所示，可見計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)[24]相吻合。

圖3 Fe-Cr-C三元相圖Fig.3 Phase diagram of Fe-Cr-C ternary system

1.3 Fe-Mn-Al-C四元系

本工作在Chin等[9]研究的基礎(chǔ)上，對Fe-Mn-Al-C四元系的部分參數(shù)進行了優(yōu)化，結(jié)果如表2所示。可見優(yōu)化后的計算結(jié)果與試驗值[25]更吻合，如圖4所示。

表2 Fe-Mn-Al-Cr-C五元系部分熱力學(xué)參數(shù)Table 2 Partial thermodynamic parameters for Fe-Mn-Al-Cr-C system

圖4 Fe-Mn-Al-C四元系1 200 ℃等溫截面圖Fig.4 Isothermal section diagram of Fe-Mn-Al-C quaternary system at 1 200 ℃

2 試驗材料與方法

Fe-10Mn-5Al-1Cr-0.5C試驗鋼在真空感應(yīng)熔煉爐中冶煉，隨后在高溫爐中加熱至1 200 ℃，保溫1 h后熱軋成厚度為3 mm的板料，始軋溫度為1 100 ℃，終軋溫度為900 ℃，然后空冷至室溫。將試樣切成φ5 mm×1 mm的圓盤狀，使用STA449F3熱重/差熱分析儀測定試驗鋼的A3溫度及熔點。將試樣以20 ℃/min的速率升溫至1 450 ℃，通過測定吸熱(放熱)峰的溫度確定試樣的相變點。

將熱軋板切成10 mm×10 mm的試樣，為了防止試樣在熱處理過程中被氧化，將試樣封入充滿氬氣的真空管，然后使用坩堝式電阻爐加熱，在950、960、980和1 000 ℃分別保溫240 h后水冷。

試樣經(jīng)砂紙打磨后，使用高氯酸和乙酸比例為1∶4的電解拋光液進行拋光，以去除表面應(yīng)力。使用X射線衍射儀分析試樣的相組成，掃描速率為2 (°)/min，掃描步長為0.02°，掃描范圍為40°～100°。

試驗鋼經(jīng)兩相區(qū)不同溫度(730、800、830、910和950 ℃)退火處理10 min后水冷至室溫。使用X射線衍射儀(XRD，CuKα)測量不同溫度退火處理后試樣的相分數(shù)。

利用各相最強衍射峰的積分強度確定相的體積分數(shù)，計算公式如下：

(1)

式中：j表示樣品中的一種物相；K值為物相最強峰與剛玉最強峰的積分強度比值，通過PDF卡片可以查得α相和γ相最強峰的積分強度/剛玉最強峰的積分強度，即此兩相的RIR值：

(2)

(3)

3 試驗結(jié)果與熱力學(xué)計算

采用MDI Jade 6.0軟件對XRD圖譜進行分析和標定，結(jié)果如圖5所示。XRD分析結(jié)果表明，試驗鋼在950、960和980 ℃保溫240 h后的相組成為Bcc+Fcc，在1 000 ℃保溫240 h后的相組成為Fcc，即完全奧氏體化，表明試驗鋼的A3溫度為980～1 000 ℃。差熱分析儀測定試驗鋼的熔點為1 403 ℃。

圖5 試驗鋼經(jīng)950、960(a)和980、1 000 ℃(b)保溫240 h淬火后的XRD結(jié)果Fig.5 XRD patterns of the tested steel after holding at 950 ℃,960 ℃ (a) and 980 ℃,1 000 ℃ (b) for 240 h, and water-quenching

使用Thermo-calc軟件自建數(shù)據(jù)庫計算得出，試驗鋼的熔點為1 378 ℃，A3溫度為988 ℃。而采用商用數(shù)據(jù)庫TCFE8計算得出，試驗鋼的A3為845 ℃，熔點為1 376 ℃。可見自建數(shù)據(jù)庫的計算結(jié)果與試驗值更吻合。

根據(jù)X射線衍射圖譜中各相的積分強度計算不同溫度退火后試樣的相分數(shù)，結(jié)果如表3所示。圖6所示為奧氏體相分數(shù)隨溫度變化的情況，虛線為TCFE8數(shù)據(jù)庫的計算結(jié)果，實線表示自建數(shù)據(jù)庫的計算結(jié)果。可以看出，自建數(shù)據(jù)庫的計算結(jié)果與試驗結(jié)果更吻合，但依然存在一定誤差，原因可能是熱處理保溫時間較短，試樣未達到平衡狀態(tài)。

表3 不同溫度退火后試樣各相的體積分數(shù)Table 3 Volume fraction of each phase in tested steel annealed at different temperatures %

4 結(jié)論

(1)目前商用計算軟件對含鉻輕質(zhì)鋼合金體系(Fe-Mn-Al-Cr-C)中一些關(guān)鍵體系缺乏相關(guān)的數(shù)據(jù)支撐，研究結(jié)合試驗和計算對其進行了評估與完善，初步建立了該五元體系的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫。

(2)分別采用自建數(shù)據(jù)庫與商用熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫對含鉻輕質(zhì)鋼試樣A3溫度和熔點進行了計算，發(fā)現(xiàn)自建數(shù)據(jù)的計算結(jié)果與試驗結(jié)果更吻合。

圖6 奧氏體相分數(shù)隨溫度的變化Fig.6 Variation of FCC phase content with temperature

(3)分別采用自建數(shù)據(jù)庫與商用熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫計算了含鉻輕質(zhì)鋼試樣在不同溫度退火后的奧氏體含量隨溫度的變化，發(fā)現(xiàn)自建數(shù)據(jù)庫的預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果更接近，可為含鉻輕質(zhì)鋼成分和工藝的科學(xué)設(shè)計提供參考。