Fe- Mn- X(X=Al,Si)三元系合金擴散行為的試驗與計算研究

李佳媛 鄭偉森 魯曉剛,2

(1.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444; 2.上海大學材料基因組工程研究院，上海 200444)

隨著汽車越來越成為生活必需品，環境污染和原料短缺問題日趨嚴重，迫使各國政府不得不尋求各種節能減排的措施。汽車尾氣排放量及油耗都與車重呈線性關系[1]。因此，開發輕質高強鋼實現汽車輕量化已經成為汽車行業的必然趨勢。輕質高強鋼中常見合金元素有Mn、Al、Si等。根據合金成分和熱處理工藝，輕質鋼基體大致可分為奧氏體(FCC)、鐵素體(BCC)以及奧氏體- 鐵素體雙相3種。因此，研究合金元素在關鍵三元系Fe- Mn- X(Al, Si)奧氏體和鐵素體中的擴散行為對預測輕質高強鋼的組織演變至關重要。Zheng等[2- 3]采用擴散偶方法先后對BCC結構Fe- Mn- Al和FCC結構Fe- Mn- Si三元合金的擴散動力學進行了研究，獲得了可靠的原子移動性參數。然而，至今仍缺少關于FCC結構Fe- Mn- Al和BCC結構Fe- Mn- Si三元系完善的擴散動力學描述。

本文采用擴散偶方法測定了Fe- Mn- Al三元系FCC相的成分- 距離曲線，采用二元外推的方法獲得了三元動力學數據庫，并與試驗數據進行對比驗證了所建數據庫的可靠性。同時，通過評估Fe- Mn- Si三元系BCC相的擴散試驗數據，對Fe- Mn- Si三元系進行了動力學優化。

1 原子移動性模型

原子移動性模型是Anderson和?gren[4]基于絕對反應速率理論提出的，組元i的原子移動性參數可以表示為：

(1)

(2)

互擴散系數可表示為：

(3)

式中：μi表示組元i的化學勢，可通過熱力學數據庫計算得到。δip是Kronecher算符，當i=p時，δip為1，其他情況下為0。

2 試驗材料與過程

對于Fe- Mn- Al三元系，試驗原料為純鐵(99.99%，質量分數，下同)、純錳(99.95%)和純鋁(99.999%)。采用WK- Ⅱ型非自耗真空電弧爐熔煉合金，將熔煉好的紐扣錠封入充有氬氣保護氣氛的石英管中，用Carbolite管式爐加熱至1 373 K均勻化退火7天，再將紐扣錠線切割成5 mm×5 mm×5 mm的塊狀試樣。

將塊狀試樣打磨、拋光后，使用ZC- ZK/WY3型擴散設備，通過加壓，維持2%形變量，在1 173 K保溫1 h后，塊狀試樣形成擴散偶，封石英管后置于Carbolite管式爐中進行擴散退火，擴散偶成分及熱處理條件見表1。最后采用電子探針對擴散偶界面進行微區成分分析。

表1 Fe- Al- Mn三元系擴散偶的化學成分及熱處理工藝Table 1 Chemical compositions and heat treatment process of diffusion couples for the Fe- Mn- Al ternary system

3 結果與討論

3.1 Fe- Mn- Al三元系

通過合理外推獲得了Fe- Mn- Al三元系FCC相的動力學數據庫，相關原子移動性參數如表2所示。

表2 Fe- Mn- Al三元系FCC相的原子移動性參數匯總Table 2 Summary of atomic diffusion mobilities in FCC phase Fe- Mn- Al ternary system

采用合理外推獲得的動力學描述，計算不同試驗條件下的成分距離曲線和擴散通道，并與試驗測定結果進行比較。圖1和圖2分別為模擬預測的Fe- Mn- Al三元合金擴散偶的成分- 距離曲線和擴散通道與試驗數據的比較。由圖可見，兩者的計算結果與試驗數據均吻合較好。但圖1中試驗測定的Mn元素成分分布均表現出了一定的波動性，這是由于Mn與Al的原子序數相差較大而在電子探針檢測中引起的熒光(激光)效應導致的[9]。

由于Al是鐵素體形成元素，在Fe- Mn- Al合金FCC相中的溶解度較低，所以通過外推得到的三元動力學數據庫可以很好地描述Fe- Mn- Al體系FCC相的擴散行為，不需要再引入額外的交互作用參數。

3.2 Fe- Mn- Si三元系

圖1 模擬計算的Fe- Al- Mn擴散偶成分距離曲線與試驗數據的比較Fig.1 Comparison between the simulated and experimental concentration profiles of Fe- Mn- Al diffusion couples

圖2 模擬計算的Fe- Al- Mn擴散偶的擴散通道與試驗數據的比較Fig.2 Comparison between the simulated and experimental diffusion paths of Fe- Mn- Al diffusion couples

表3 Fe- Mn- Si三元系BCC相的原子移動性參數匯總Table 3 Summary of atomic diffusion mobilities in BCC phase Fe- Mn- Si ternary system

圖3為采用本文優化的原子移動性參數計算得到的Fe- Mn- Si系BCC相的主擴散系數，并與朱小和等[12]的試驗結果進行比較，其中虛線部分表示主擴散系數乘以因子2或0.5的結果，虛線范圍內是擴散系數測量可以接受的誤差范圍，可見采用優化的數據庫對互擴散系數的預測誤差在擴散系數的0.5～2倍之間。Malik等[14]指出，用Boltzmann- Matano方法求得的擴散系數， 主擴散系數誤差約60%，交叉擴散系數誤差更高達120%。因此，從圖3可以看出，本文對主擴散系數的預測值與試驗值的吻合度高于交叉擴散系數。

圖3 Fe- Mn- Si三元系BCC相中主擴散系數的計算值與試驗值[12]的比較Fig.3 Comparison between the calculated and measured[12] main interdiffusion coefficients in BCC phase Fe- Mn- Si alloys

采用優化的原子移動性參數計算得到的Fe- Mn- Si三元合金擴散偶的成分曲線如圖4所示?？梢?，在1 273 K、125 h擴散退火條件下，本文預測的成分- 距離曲線與朱小和等[12]的試驗數據吻合較好。這表明采用本文優化的原子移動性參數能夠很好地預測Fe- Mn- Si三元系BCC相的擴散行為。

4 結論

(1)采用擴散偶技術制備了4對FCC相Fe- Mn- Al擴散偶，利用EPMA檢測擴散偶擴散退火后的成分- 距離曲線，并合理外推得到了Fe- Mn- Al三元系FCC相的動力學數據庫，模擬計算的成分曲線及擴散通道與試驗數據均吻合較好，從而驗證了所建數據庫的可靠性。

圖4 擴散偶的成分- 距離曲線的計算值與試驗數據[12]的比較Fig.4 Calculated concentration profiles of diffusion couples in comparison with the experimental data[12]