鉻元素對輕質鋼中κ相形成的影響

李夢麗 楊洪宇 鄭偉森 何燕霖 李 麟

(上海大學材料科學與工程學院，上海 200444)

近年來，通過添加鋁等輕合金元素來獲得低密度、高比彈性模量和高比強塑積的輕質鋼已成為鋼鐵材料輕量化的研究熱點，其中最具代表性的是Fe- Al- Mn- C系輕質鋼。研究表明，增加Al含量可有效提高輕量化程度，但易造成κ相粗化，使力學性能下降[1- 6]。Cr元素的加入對κ相的析出有抑制作用，并使鋼的強塑積達到30 GPa·%以上[7- 8]。因此，本文試驗研究了不同熱處理條件下含Cr輕質鋼中κ相的析出行為，并結合第一性原理計算，深入探討了Cr元素影響κ相形成的內在機制，為輕質鋼成分優化設計提供理論依據。

1 試驗材料與方法

試驗原料為電解純鐵(99.99%，質量分數，下同)，純鉻、純錳、純鋁(99.999%)以及Fe- 4.6%C中間合金，利用電弧熔煉制備紐扣錠，質量約25 g，采用化學滴定法測得紐扣錠的化學成分如表1所示。將紐扣錠在1 160 ℃進行均勻化處理，隨后將其封入真空度在10-2Pa以下的石英管中進行如表2所示的熱處理。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical compositions of the test steels (mass fraction) %

表2 試驗鋼的熱處理工藝Table 2 Heat treatment processes of the test steels

熱處理后的試樣經研磨、拋光后，采用4%(體積分數，下同)的硝酸酒精溶液腐蝕，然后使用HITACHIS- 570S掃描電子顯微鏡觀察顯微組織。透射試樣經機械研磨至50～80 μm，沖制成直徑3 mm圓片，然后使用5%的高氯酸酒精電解液進行雙噴減薄，最后在JEM- 2010F場發射透射電鏡上觀察試樣的精細結構，加速電壓為200 kV。采用18 kW D/MAX2500V型X射線衍射儀分析試樣的物相組成，Cu靶Kα射線，管電壓40 kV，管電流40 mA，掃描范圍40°～100°，步長為0.02°。

2 試驗結果與分析

2.1 不同熱處理條件下試驗鋼中κ相的析出行為

圖1為3種試驗鋼經780 ℃保溫不同時間后的XRD圖譜。由圖1可以看出，1、2和3號試樣在780 ℃保溫2 h、1天和15天后的組織中均存在κ相和鐵素體。從圖2的TEM分析結果可以看出，1、2和3號試樣經780 ℃保溫2 h后的組織中均析出了κ相，呈棒狀。

圖1 3種試驗鋼經780 ℃保溫不同時間后的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of the three test steels after holding at 780 ℃ for different times

對經780 ℃保溫1天和15天的試驗鋼中κ相的等效粒徑進行測量、統計分析，結果如圖3～圖6所示。將等效面積圓的直徑作為顆粒直徑，選取試樣中300～1 000個粒子進行統計，以減少誤差，確保數據可信。

由圖4和圖6可以看出，3號試驗鋼在780 ℃保溫1天和15天后，其粒徑為0～2 μm的κ相占比分別為94.39%和80.9%，明顯高于1號和2號鋼。

由表3可知，在相同熱處理條件下，含Cr輕質鋼中κ相的粒徑相對較小；隨著保溫時間的延長，κ相發生粗化，Cr含量高的輕質鋼中κ相的長大趨勢較小，因此，鉻元素的添加抑制了輕質鋼中κ相的長大。

2.2 Cr對κ相形成的第一性原理計算

Fe- Al- C輕質鋼中κ相的理論化學計量數為Fe3AlC，具有鈣鈦礦型結構(E21)[9]，為fcc有序結構Fe3Al-L12，其中鐵原子位于每個面的中心，鋁原子位于立方體的角部，碳原子占據由6個鐵原子形成的中心八面體間隙位置[10]，如圖7所示。

圖2 試驗鋼經780 ℃保溫2 h后κ相的TEM形貌Fig.2 TEM Morphologies of κ phase in the test steels after holding at 780 ℃ for 2 h

圖3 試驗鋼經780 ℃保溫1天后κ相粒徑的SEM分析及統計Fig.3 SEM analysis and statistics of the particle size of κ phase in the test steels after holding at 780 ℃for 1 d

圖4 試驗鋼經780 ℃保溫1天后的粒徑分布Fig.4 Particle size distributions of the test steels after holding at 780 ℃ for 1 d

圖5 試驗鋼經780 ℃保溫15天后κ相粒徑的SEM分析及統計Fig.5 SEM analysis and statistics of the particle size of κ phase in the test steels after holding at 780 ℃for 15 d

圖6 試驗鋼經780 ℃保溫15天后的粒徑分布Fig.6 Particle size distributions of the test steels after holding at 780 ℃ for 15 d

表3 試驗鋼經780 ℃保溫不同時間后κ相的平均粒徑Table 3 Average particle sizes of κ- phase in the test steels after holding at 780 ℃ with different times μm

圖7 κ - 碳化物結構示意圖Fig.7 Schematic diagram of κ- carbide structure

研究采用VASP(Vienna ab initio simulation package)中的PAW(projector augmented wave)方法計算κ相的形成焓，使用廣義梯度近似(general gradient approximation, GGA)的Perdew- Burke- Ernzerhof(PBE)形式進行計算。所有結構完全松弛且完全自旋極化。總能量的收斂標準為10-6eV/cell，結構優化期間的力為9×10-3eV/?。VASP- PAW計算中包括高達600 eV的平面波，使用20×20×20的k點網。計算公式為[11]：

EFe3AlC≈

式中：EFe、EAl、EC、EFe3AlC分別為從有序結構的VASP- PAW計算得到的鐵磁性bcc、fcc鋁、金剛石碳和EFe3AlC的能量[12- 13]。

將計算結果列于表4，在不含Cr輕質鋼中，κ相即Fe3AlC的形成焓為-21.45 kJ/mol。在含Cr輕質鋼中，當Cr取代Fe的位置時，Cr3AlC的形成焓為-5.92 kJ/mol；當Cr取代Al的位置時，Fe3CrC的形成焓為17.43 kJ/mol。可見，無論Cr的占位如何，κ相的形成焓都高于Fe3AlC的形成焓。以上計算結果表明，在含Cr輕質鋼中，由于Cr3AlC和Fe3CrC的形成焓相對較高，不易形成κ相。

表4 形成能的第一性原理計算結果Table 4 First principle calculation results of formation energy kJ/mol

3 結論

(1)結合XRD和TEM分析可以看出，試驗的3種輕質Fe- Mn- Al- C鋼中都含有κ相，其形貌均呈棒狀。

(2)試驗鋼經780 ℃保溫相同時間后，含Cr輕質鋼中κ相的粒徑相對較小；隨著保溫時間的延長，κ相發生粗化，Cr含量高的輕質鋼中κ相的長大趨勢較小。

(3)第一性原理計算結果表明，含Cr輕質鋼中κ相的形成焓相對較高，不易形成κ相；結合試驗分析，進一步說明了鉻元素的添加抑制了輕質鋼中κ相的長大。