李夢麗 楊洪宇 鄭偉森 何燕霖 李 麟

(上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

近年來，通過添加鋁等輕合金元素來獲得低密度、高比彈性模量和高比強(qiáng)塑積的輕質(zhì)鋼已成為鋼鐵材料輕量化的研究熱點(diǎn)，其中最具代表性的是Fe- Al- Mn- C系輕質(zhì)鋼。研究表明，增加Al含量可有效提高輕量化程度，但易造成κ相粗化，使力學(xué)性能下降[1- 6]。Cr元素的加入對(duì)κ相的析出有抑制作用，并使鋼的強(qiáng)塑積達(dá)到30 GPa·%以上[7- 8]。因此，本文試驗(yàn)研究了不同熱處理?xiàng)l件下含Cr輕質(zhì)鋼中κ相的析出行為，并結(jié)合第一性原理計(jì)算，深入探討了Cr元素影響κ相形成的內(nèi)在機(jī)制，為輕質(zhì)鋼成分優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)原料為電解純鐵(99.99%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，純鉻、純錳、純鋁(99.999%)以及Fe- 4.6%C中間合金，利用電弧熔煉制備紐扣錠，質(zhì)量約25 g，采用化學(xué)滴定法測得紐扣錠的化學(xué)成分如表1所示。將紐扣錠在1 160 ℃進(jìn)行均勻化處理，隨后將其封入真空度在10-2Pa以下的石英管中進(jìn)行如表2所示的熱處理。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions of the test steels (mass fraction) %

表2 試驗(yàn)鋼的熱處理工藝Table 2 Heat treatment processes of the test steels

熱處理后的試樣經(jīng)研磨、拋光后，采用4%(體積分?jǐn)?shù)，下同)的硝酸酒精溶液腐蝕，然后使用HITACHIS- 570S掃描電子顯微鏡觀察顯微組織。透射試樣經(jīng)機(jī)械研磨至50～80 μm，沖制成直徑3 mm圓片，然后使用5%的高氯酸酒精電解液進(jìn)行雙噴減薄，最后在JEM- 2010F場發(fā)射透射電鏡上觀察試樣的精細(xì)結(jié)構(gòu)，加速電壓為200 kV。采用18 kW D/MAX2500V型X射線衍射儀分析試樣的物相組成，Cu靶Kα射線，管電壓40 kV，管電流40 mA，掃描范圍40°～100°，步長為0.02°。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同熱處理?xiàng)l件下試驗(yàn)鋼中κ相的析出行為

圖1為3種試驗(yàn)鋼經(jīng)780 ℃保溫不同時(shí)間后的XRD圖譜。由圖1可以看出，1、2和3號(hào)試樣在780 ℃保溫2 h、1天和15天后的組織中均存在κ相和鐵素體。從圖2的TEM分析結(jié)果可以看出，1、2和3號(hào)試樣經(jīng)780 ℃保溫2 h后的組織中均析出了κ相，呈棒狀。

圖1 3種試驗(yàn)鋼經(jīng)780 ℃保溫不同時(shí)間后的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of the three test steels after holding at 780 ℃ for different times

對(duì)經(jīng)780 ℃保溫1天和15天的試驗(yàn)鋼中κ相的等效粒徑進(jìn)行測量、統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖3～圖6所示。將等效面積圓的直徑作為顆粒直徑，選取試樣中300～1 000個(gè)粒子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以減少誤差，確保數(shù)據(jù)可信。

由圖4和圖6可以看出，3號(hào)試驗(yàn)鋼在780 ℃保溫1天和15天后，其粒徑為0～2 μm的κ相占比分別為94.39%和80.9%，明顯高于1號(hào)和2號(hào)鋼。

由表3可知，在相同熱處理?xiàng)l件下，含Cr輕質(zhì)鋼中κ相的粒徑相對(duì)較小；隨著保溫時(shí)間的延長，κ相發(fā)生粗化，Cr含量高的輕質(zhì)鋼中κ相的長大趨勢較小，因此，鉻元素的添加抑制了輕質(zhì)鋼中κ相的長大。

2.2 Cr對(duì)κ相形成的第一性原理計(jì)算

Fe- Al- C輕質(zhì)鋼中κ相的理論化學(xué)計(jì)量數(shù)為Fe3AlC，具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)(E21)[9]，為fcc有序結(jié)構(gòu)Fe3Al-L12，其中鐵原子位于每個(gè)面的中心，鋁原子位于立方體的角部，碳原子占據(jù)由6個(gè)鐵原子形成的中心八面體間隙位置[10]，如圖7所示。

圖2 試驗(yàn)鋼經(jīng)780 ℃保溫2 h后κ相的TEM形貌Fig.2 TEM Morphologies of κ phase in the test steels after holding at 780 ℃ for 2 h

圖3 試驗(yàn)鋼經(jīng)780 ℃保溫1天后κ相粒徑的SEM分析及統(tǒng)計(jì)Fig.3 SEM analysis and statistics of the particle size of κ phase in the test steels after holding at 780 ℃for 1 d

圖4 試驗(yàn)鋼經(jīng)780 ℃保溫1天后的粒徑分布Fig.4 Particle size distributions of the test steels after holding at 780 ℃ for 1 d

圖5 試驗(yàn)鋼經(jīng)780 ℃保溫15天后κ相粒徑的SEM分析及統(tǒng)計(jì)Fig.5 SEM analysis and statistics of the particle size of κ phase in the test steels after holding at 780 ℃for 15 d

圖6 試驗(yàn)鋼經(jīng)780 ℃保溫15天后的粒徑分布Fig.6 Particle size distributions of the test steels after holding at 780 ℃ for 15 d

表3 試驗(yàn)鋼經(jīng)780 ℃保溫不同時(shí)間后κ相的平均粒徑Table 3 Average particle sizes of κ- phase in the test steels after holding at 780 ℃ with different times μm

圖7 κ - 碳化物結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of κ- carbide structure

研究采用VASP(Vienna ab initio simulation package)中的PAW(projector augmented wave)方法計(jì)算κ相的形成焓，使用廣義梯度近似(general gradient approximation, GGA)的Perdew- Burke- Ernzerhof(PBE)形式進(jìn)行計(jì)算。所有結(jié)構(gòu)完全松弛且完全自旋極化。總能量的收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-6eV/cell，結(jié)構(gòu)優(yōu)化期間的力為9×10-3eV/?。VASP- PAW計(jì)算中包括高達(dá)600 eV的平面波，使用20×20×20的k點(diǎn)網(wǎng)。計(jì)算公式為[11]：

EFe3AlC≈

式中：EFe、EAl、EC、EFe3AlC分別為從有序結(jié)構(gòu)的VASP- PAW計(jì)算得到的鐵磁性bcc、fcc鋁、金剛石碳和EFe3AlC的能量[12- 13]。

將計(jì)算結(jié)果列于表4，在不含Cr輕質(zhì)鋼中，κ相即Fe3AlC的形成焓為-21.45 kJ/mol。在含Cr輕質(zhì)鋼中，當(dāng)Cr取代Fe的位置時(shí)，Cr3AlC的形成焓為-5.92 kJ/mol；當(dāng)Cr取代Al的位置時(shí)，F(xiàn)e3CrC的形成焓為17.43 kJ/mol?？梢?，無論Cr的占位如何，κ相的形成焓都高于Fe3AlC的形成焓。以上計(jì)算結(jié)果表明，在含Cr輕質(zhì)鋼中，由于Cr3AlC和Fe3CrC的形成焓相對(duì)較高，不易形成κ相。

表4 形成能的第一性原理計(jì)算結(jié)果Table 4 First principle calculation results of formation energy kJ/mol

3 結(jié)論

(1)結(jié)合XRD和TEM分析可以看出，試驗(yàn)的3種輕質(zhì)Fe- Mn- Al- C鋼中都含有κ相，其形貌均呈棒狀。

(2)試驗(yàn)鋼經(jīng)780 ℃保溫相同時(shí)間后，含Cr輕質(zhì)鋼中κ相的粒徑相對(duì)較??；隨著保溫時(shí)間的延長，κ相發(fā)生粗化，Cr含量高的輕質(zhì)鋼中κ相的長大趨勢較小。

(3)第一性原理計(jì)算結(jié)果表明，含Cr輕質(zhì)鋼中κ相的形成焓相對(duì)較高，不易形成κ相；結(jié)合試驗(yàn)分析，進(jìn)一步說明了鉻元素的添加抑制了輕質(zhì)鋼中κ相的長大。