含鉻輕質雙相鋼相變行為的熱力學計算

殷志鵬王華何燕霖陳璋李麟

(1.上海大學材料科學與工程學院，上海 200072;2.上海大學分析測試中心，上海 200044)

Fe-Mn-Al-C系輕質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%，符合汽車輕量化發展前景[1]。但是鋁的添加會使鋼的組織中出現κ-相等金屬間化合物，從而損害其性能[2]。Xu等[3]、Lee等[4]研究發現，Cr的添加不僅會抑制κ-相的形成，有效改善鋼的力學性能，還可以提高輕質鋼的高溫抗氧化性和耐蝕性。因此，為了實現含鉻輕質鋼成分與工藝的科學設計，本研究擬采用Thermo-calc熱力學計算軟件，在建立Fe-Mn-Al-Cr-C體系熱力學數據庫的基礎上，對含鉻輕質雙相鋼的相變溫度進行預測。

1 熱力學數據庫的建立

表1列出了研究所考查的Fe-Mn-Al-Cr-C五元體系熱力學參數的文獻來源，發現目前商用計算軟件Thermo-calc的TCFE8數據庫中對一些關鍵體系缺乏相關的數據支撐，本研究對其進行了補充。

1.1 Al-Cr二元系

Liang等[5]在試驗數據的基礎上優化了Al-Cr二元系的交互作用參數，本研究據此建立了USER數據庫，并計算了Al-Cr二元相圖，結果如圖1所示。可見，計算結果與試驗值[6-7]吻合較好。

表1 TCFE8與自建USER數據庫的熱力學參數來源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二元系的穩定相進行了描述，但計算結果不能很好地重現試驗數據。Lee等[22]重新優化了該二元系，但Cr7C3相過于穩定。Khvan等[12]在對Cr-Nb-C三元系進行優化時，重新調整了Cr-C二元系液相、Cr7C3相和Cr23C6相的交互作用參數。圖2為使用自建數據庫計算的Cr-C二元相圖，可見優化結果與試驗值[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]研究的基礎上，進一步優化了Fe-Cr-C三元系中液相、FCC相和碳化物的三元交互作用參數，部分熱力學參數列于表2。本研究據此采用自建數據庫對含5%Cr(質量分數，下同)的Fe-Cr-C三元相圖進行了計算，結果如圖3所示，可見計算結果與試驗數據[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]研究的基礎上，對Fe-Mn-Al-C四元系的部分參數進行了優化，結果如表2所示。可見優化后的計算結果與試驗值[25]更吻合，如圖4所示。

表2 Fe-Mn-Al-Cr-C五元系部分熱力學參數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°。

試驗鋼經兩相區不同溫度(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。

利用各相最強衍射峰的積分強度確定相的體積分數，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 試驗結果與熱力學計算

采用MDI Jade 6.0軟件對XRD圖譜進行分析和標定，結果如圖5所示。XRD分析結果表明，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950、960(a)和980、1 000 ℃(b)保溫240 h淬火后的XRD結果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軟件自建數據庫計算得出，試驗鋼的熔點為1 378 ℃，A3溫度為988 ℃。而采用商用數據庫TCFE8計算得出，試驗鋼的A3為845 ℃，熔點為1 376 ℃。可見自建數據庫的計算結果與試驗值更吻合。

根據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，結果如表3所示。圖6所示為奧氏體相分數隨溫度變化的情況，虛線為TCFE8數據庫的計算結果，實線表示自建數據庫的計算結果。可以看出，自建數據庫的計算結果與試驗結果更吻合，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。

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

4 結論

(1)目前商用計算軟件對含鉻輕質鋼合金體系(Fe-Mn-Al-Cr-C)中一些關鍵體系缺乏相關的數據支撐，研究結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數據庫。

(2)分別采用自建數據庫與商用熱力學數據庫對含鉻輕質鋼試樣A3溫度和熔點進行了計算，發現自建數據的計算結果與試驗結果更吻合。

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

(3)分別采用自建數據庫與商用熱力學數據庫計算了含鉻輕質鋼試樣在不同溫度退火后的奧氏體含量隨溫度的變化，發現自建數據庫的預測結果與試驗結果更接近，可為含鉻輕質鋼成分和工藝的科學設計提供參考。