含铬轻质双相钢相变行为的热力学计算

2019-01-30殷志鹏王华何燕霖陈璋李麟

上海金属 2019年1期

殷志鹏王华何燕霖陈璋李麟

(1.上海大学材料科学与工程学院，上海 200072;2.上海大学分析测试中心，上海 200044)

Fe-Mn-Al-C系轻质钢在保证其良好的强度和塑性的前提下，能够使密度降低10%～16%，符合汽车轻量化发展前景[1]。但是铝的添加会使钢的组织中出现κ-相等金属间化合物，从而损害其性能[2]。Xu等[3]、Lee等[4]研究发现，Cr的添加不仅会抑制κ-相的形成，有效改善钢的力学性能，还可以提高轻质钢的高温抗氧化性和耐蚀性。因此，为了实现含铬轻质钢成分与工艺的科学设计，本研究拟采用Thermo-calc热力学计算软件，在建立Fe-Mn-Al-Cr-C体系热力学数据库的基础上，对含铬轻质双相钢的相变温度进行预测。

1 热力学数据库的建立

表1列出了研究所考查的Fe-Mn-Al-Cr-C五元体系热力学参数的文献来源，发现目前商用计算软件Thermo-calc的TCFE8数据库中对一些关键体系缺乏相关的数据支撑，本研究对其进行了补充。

1.1 Al-Cr二元系

Liang等[5]在试验数据的基础上优化了Al-Cr二元系的交互作用参数，本研究据此建立了USER数据库，并计算了Al-Cr二元相图，结果如图1所示。可见，计算结果与试验值[6-7]吻合较好。

表1 TCFE8与自建USER数据库的热力学参数来源Table 1 Sources of sub-systems in Fe-Mn-Al-Cr-C system of TCFE8 and USER

图1 Al-Cr二元相图Fig.1 Phase diagram of Al-Cr binary system

1.2 Fe-Cr-C三元系

Andersson等[11]使用亚点阵模型对Cr-C二元系的稳定相进行了描述，但计算结果不能很好地重现试验数据。Lee等[22]重新优化了该二元系，但Cr7C3相过于稳定。Khvan等[12]在对Cr-Nb-C三元系进行优化时，重新调整了Cr-C二元系液相、Cr7C3相和Cr23C6相的交互作用参数。图2为使用自建数据库计算的Cr-C二元相图，可见优化结果与试验值[23]吻合较好，且适用于Fe-Cr-C三元系。

图2 Cr-C二元相图Fig.2 Phase diagram of Cr-C binary system

其后，Khvan等[20]在Andersson等[19]研究的基础上，进一步优化了Fe-Cr-C三元系中液相、FCC相和碳化物的三元交互作用参数，部分热力学参数列于表2。本研究据此采用自建数据库对含5%Cr(质量分数，下同)的Fe-Cr-C三元相图进行了计算，结果如图3所示，可见计算结果与试验数据[24]相吻合。

图3 Fe-Cr-C三元相图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]研究的基础上，对Fe-Mn-Al-C四元系的部分参数进行了优化，结果如表2所示。可见优化后的计算结果与试验值[25]更吻合，如图4所示。

表2 Fe-Mn-Al-Cr-C五元系部分热力学参数Table 2 Partial thermodynamic parameters for Fe-Mn-Al-Cr-C system

图4 Fe-Mn-Al-C四元系1 200 ℃等温截面图Fig.4 Isothermal section diagram of Fe-Mn-Al-C quaternary system at 1 200 ℃

2 试验材料与方法

Fe-10Mn-5Al-1Cr-0.5C试验钢在真空感应熔炼炉中冶炼，随后在高温炉中加热至1 200 ℃，保温1 h后热轧成厚度为3 mm的板料，始轧温度为1 100 ℃，终轧温度为900 ℃，然后空冷至室温。将试样切成φ5 mm×1 mm的圆盘状，使用STA449F3热重/差热分析仪测定试验钢的A3温度及熔点。将试样以20 ℃/min的速率升温至1 450 ℃，通过测定吸热(放热)峰的温度确定试样的相变点。

将热轧板切成10 mm×10 mm的试样，为了防止试样在热处理过程中被氧化，将试样封入充满氩气的真空管，然后使用坩埚式电阻炉加热，在950、960、980和1 000 ℃分别保温240 h后水冷。

试样经砂纸打磨后，使用高氯酸和乙酸比例为1∶4的电解抛光液进行抛光，以去除表面应力。使用X射线衍射仪分析试样的相组成，扫描速率为2 (°)/min，扫描步长为0.02°，扫描范围为40°～100°。

试验钢经两相区不同温度(730、800、830、910和950 ℃)退火处理10 min后水冷至室温。使用X射线衍射仪(XRD，CuKα)测量不同温度退火处理后试样的相分数。

利用各相最强衍射峰的积分强度确定相的体积分数，计算公式如下：

(1)

式中：j表示样品中的一种物相；K值为物相最强峰与刚玉最强峰的积分强度比值，通过PDF卡片可以查得α相和γ相最强峰的积分强度/刚玉最强峰的积分强度，即此两相的RIR值：

(2)

(3)

3 试验结果与热力学计算

采用MDI Jade 6.0软件对XRD图谱进行分析和标定，结果如图5所示。XRD分析结果表明，试验钢在950、960和980 ℃保温240 h后的相组成为Bcc+Fcc，在1 000 ℃保温240 h后的相组成为Fcc，即完全奥氏体化，表明试验钢的A3温度为980～1 000 ℃。差热分析仪测定试验钢的熔点为1 403 ℃。

图5 试验钢经950、960(a)和980、1 000 ℃(b)保温240 h淬火后的XRD结果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软件自建数据库计算得出，试验钢的熔点为1 378 ℃，A3温度为988 ℃。而采用商用数据库TCFE8计算得出，试验钢的A3为845 ℃，熔点为1 376 ℃。可见自建数据库的计算结果与试验值更吻合。

根据X射线衍射图谱中各相的积分强度计算不同温度退火后试样的相分数，结果如表3所示。图6所示为奥氏体相分数随温度变化的情况，虚线为TCFE8数据库的计算结果，实线表示自建数据库的计算结果。可以看出，自建数据库的计算结果与试验结果更吻合，但依然存在一定误差，原因可能是热处理保温时间较短，试样未达到平衡状态。