含铬轻质双相钢相变行为的热力学计算

2019-10-25 06:42:55

通过相图计算和试验相结合,对含铬轻质双相钢体系(Fe-Mn-Al-Cr-C)中的一些关键体系的参数进行了评估与完善,初步建立了该五元体系的热力学数据库并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双相钢A3温度和熔点结果发现:相比商用热力学数据库,采用自建数据库计算的A3温度和熔点与试验值更接近同时,采用自建数据库与商用热力学数据库分别计算了含铬轻质双相钢试样经不同温度退火后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值更接近,可为含铬轻质双相钢成分和工艺的科学设计提供理论参考

Fe-Mn-Al-C系轻质双相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但是铝的添加会使双相钢的组织中出现κ-相等金属间化合物,从而损害其性能。Xu等[3]、Lee等[4]研究发现,Cr的添加不仅会抑制κ-相的形成,有效改善双相钢的力学性

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

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-calcTCFE8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

11 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

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Cr23 C6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)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

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

2试验材料与方法

Fe-10Mn-5Al-1Cr-05C试验双相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5 mm×1 mm的圆盘状,使用STA449F3热重/差热分析仪测定试验双相钢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9509609801 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002°,扫描范围为40°100°

试验双相钢经两相区不同温度(730800830910950℃)退火处理10 min后水冷至室温使用X射线衍射仪(XDCuKα)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:wj=Ij Ki jNi=1 Ij Ki j(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:KαAl2O3=KαKAl2O3=IαIAl2O3(2)KγAl2O3=KγKAl2O3=IγIAl2O3(3)

3试验结果与热力学计算

采用MDI Jade 60软件对XD图谱进行分析和标定,结果如图5所示XD分析结果表明,试验双相钢950960980℃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,表明试验双相钢A3度为9801 000℃差热分析仪测定试验双相钢的熔点为1 403℃

使用Thermo-calc软件自建数据库计算得出,试验双相钢的熔点为1 378℃A3温度为988℃而采用商用数据库TCFE8计算得出,试验双相钢A3845℃,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

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

(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,可为含铬轻质双相钢成分和工艺的科学设计提供参考

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