不锈钢系热力学数据库的建立及其在合金设计中的应用

2021-05-26杨永杰

山西冶金 2021年2期

杨永杰，王旭

（1.太原钢铁（集团）有限公司先进不锈钢材料国家重点实验室，山西太原03003；2.山西太钢不锈钢股份有限公司技术中心，山西太原030003；3.太原理工大学煤科学与技术教育部和山西省重点实验室，山西太原030024）

计算材料科学的发展推动了材料设计的进程，其中较为活跃的是相图和热化学的计算机耦合，即CALPHAD[1]（CALculation of PHAse Diagrams，即CALPHAD）方法。由CALPHAD方法获得的计算相图具有热力学与相图的高度自洽性等一系列优点，从而使CALPHAD方法成相图研究中最活跃的领域之一。

文本采用Thermo-Calc热力学CALPHAD计算软件进行计算，数据库TDB文件为收集公认的使用频次高的二元、三元数据库合成。以Fe-C-Cr-Ni为全成分相图，融入以下元素Al-B-Co-Cu-Mg-Mn-Mo-N-Nb-O-P-S-Si-Ti-V-W的富Fe-C-Cr-Ni端相图，而形成的Fe基热力学相图数据库。此数据库包含M23C6、M7C3与M6C碳化物，其次考虑AlN、MnS物相。本数据库在使用当中，还可以添加、更改与修正热力学参数，具有可扩展性。

山西太钢不锈钢股份有限公司(全文简称太钢)是中国特大型钢铁联合企业和全球最大、工艺技术装备水平最高、品种规格最全的不锈钢企业。2009年、2010年连续两年不锈钢产量居世界第一。太钢生产的不锈钢产品远销世界各地。

太钢生产的钢种有304、304L、316、316Ti、321、430、443、410、409等系列钢种，本数据库已基本覆盖不锈钢生产热力学计算的需求。本研究通过对不锈钢系热力学研究，建立其合金热力学数据库，实现对不锈钢多元合金平衡的预测，且具有可扩展性，为不锈钢合金设计和开发提供基础数据支持。

1 热力学模型

1.1 液相和端际固溶体模型

液相和端际固溶体相的Gibbs自由能都采用亚正规溶体模型[2]描述，其摩尔Gibbs自由能表示为：

式中：Xi为Φ相中组分i的摩尔分数为纯组分i的相摩尔Gibbs自由能；为Φ相的摩尔过剩自由能。描述为Redlich-Kiser多项式：

式中：a、b和c是待优化的参数。是磁性对Gibbs自由能的贡献，用如下等式描述：

式中：f(τ)是归一化温度是磁性转变温度；β为以玻尔磁子为单位表示的每个原子的平均磁矩，是一个与总磁熵有关的量。

1.2 理想气体模型

本数据库采用理想气体模型[3]来描述气相自由能。Ggas表示气相自由能，用如下等式描述：

式中：Xi为气相中组分i的摩尔分数；P0为标准大气压；P为体系实际大气压为纯组分i的气相摩尔Gibbs自由能。

1.3 金属间化合物模型

本数据库中，化合物相采用表示，此类化合物采用亚点阵模型[4]来描述，其Gibbs自由能表达式如下：

式中：a、b和c是待优化的参数。

2 Fe-C-Cr-Ni四元系热力学数据的评估

首先纯组元的数据选自SGTE数据库[5]，由于Fe-C-Cr-Ni四元系的研究比较完善，所以针对此四元系筛选最新的优化结果见表1。

表1 Fe-C-Cr-Ni四元系SGTE数据库来源

其中，液相和端际固溶体相的Gibbs自由能采用亚正规溶体模型来描述，金属间化合物相的Gibbs自由能采用亚点阵模型来描述，而气相的Gibbs自由能采用理想气体模型来描述。

由于不锈钢主要考虑元素为Fe-C-Cr-Ni，所以针对此四元素采用全成分范围描述的热力学数据库，方便添加更多元素来拓展。

3 不锈钢系热力学数据的评估

304、304L、316、316Ti、321、430、443、410、409等为太钢生产的主要钢种，为覆盖300系与400系列钢种，选取Al-B-Co-Cu-Mg-Mn-Mo-N-Nb-O-PS-Si-Ti-V-W共16个元素与上述四元素组成富Fe-C-Cr-Ni角的热力学数据库，所有二元体系选取结果如图1。

图1 本数据库包含的主要相互作用参数

此部分为添加元素间相互形作用的热力学参数（打勾对应的元素），包含液相（L）、奥氏体（γ）相、铁素体（δ、α）相以及石墨（GRAPHITE）、金刚石（DIAMOND）、渗碳体（Fe3C）化合物相。碳化物包含M23C6、M7C3与M6C，其次考虑AlN、MnS物相，并优化ALN的参数以符合最新的形成焓试验数据[13，14]。