含铬轻质双相钢相变行为的热力学计算

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。

表3 不同温度退火后试样各相的体积分数
Table 3 Volume fraction of each phase in tested steel annealed at different temperatures %

4 结论

(1)目前商用计算软件对含铬轻质钢合金体系(Fe-Mn-Al-Cr-C)中一些关键体系缺乏相关的数据支撑，研究结合试验和计算对其进行了评估与完善，初步建立了该五元体系的热力学数据库。

(2)分别采用自建数据库与商用热力学数据库对含铬轻质钢试样A3温度和熔点进行了计算，发现自建数据的计算结果与试验结果更吻合。

图6 奥氏体相分数随温度的变化
Fig.6 Variation of FCC phase content with temperature

(3)分别采用自建数据库与商用热力学数据库计算了含铬轻质钢试样在不同温度退火后的奥氏体含量随温度的变化，发现自建数据库的预测结果与试验结果更接近，可为含铬轻质钢成分和工艺的科学设计提供参考。