鉻元素對輕質(zhì)鋼中κ相形成的影響

李夢麗 楊洪宇 鄭偉森 何燕霖 李 麟

(上海大學材料科學與工程學院，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塑積的輕質(zhì)鋼已成為鋼鐵材料輕量化的研究熱點，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，使力學性能下降[1- 6]。Cr元素的加入對κ相的析出有抑制作用，并使鋼的強塑積達到30 GPa·%以上[7- 8]。因此，本文試驗研究了不同熱處理條件下含Cr輕質(zhì)鋼中κ相的析出行為，并結(jié)合第一性原理計算，深入探討了Cr元素影響κ相形成的內(nèi)在機制，為輕質(zhì)鋼成分優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

試驗原料為電解純鐵(99.99%，質(zhì)量分數(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，采用化學滴定法測得紐扣錠的化學成分如表1所示。將紐扣錠在1 160 ℃進行均勻化處理，隨后將其封入真空度在10-2Pa以下的石英管中進行如表2所示的熱處理。

表1 試驗鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical compositions of the test steels (mass fraction) %

表2 試驗鋼的熱處理工藝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%(體積分數(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結(jié)構，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 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同熱處理條件下試驗鋼中κ相的析出行為

圖1為3種試驗鋼經(jīng)780 ℃保溫不同時間后的XRD圖譜。由圖1可以看出，1、2和3號試樣在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種試驗鋼經(jīng)780 ℃保溫不同時間后的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of the three test steels after holding at 780 ℃ for different times

對經(jīng)780 ℃保溫1天和15天的試驗鋼中κ相的等效粒徑進行測量、統(tǒng)計分析，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個粒子進行統(tǒng)計，以減少誤差，確保數(shù)據(jù)可信。

由圖4和圖6可以看出，3號試驗鋼在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號和2號鋼。

由表3可知，在相同熱處理條件下，含Cr輕質(zhì)鋼中κ相的粒徑相對較??；隨著保溫時間的延長，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κ相形成的第一性原理計算

Fe- Al- C輕質(zhì)鋼中κ相的理論化學計量數(shù)為Fe3AlC，具有鈣鈦礦型結(jié)構(E21)[9]，為fcc有序結(jié)構Fe3Al-L12，其中鐵原子位于每個面的中心，鋁原子位于立方體的角部，碳原子占據(jù)由6個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 試驗鋼經(jīng)780 ℃保溫1天后κ相粒徑的SEM分析及統(tǒng)計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 試驗鋼經(jīng)780 ℃保溫15天后κ相粒徑的SEM分析及統(tǒng)計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 試驗鋼經(jīng)780 ℃保溫不同時間后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)形式進行計算。所有結(jié)構完全松弛且完全自旋極化?？偰芰康氖諗繕藴蕿?0-6eV/cell，結(jié)構優(yōu)化期間的力為9×10-3eV/?。VASP- PAW計算中包括高達600 eV的平面波，使用20×20×20的k點網(wǎng)。計算公式為[11]：

EFe3AlC≈

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

將計算結(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Cr取代Fe的位置時，Cr3AlC的形成焓為-5.92 kJ/mol；當Cr取代Al的位置時，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的形成焓相對較高，不易形成κ相。

表4 形成能的第一性原理計算結(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)試驗鋼經(jīng)780 ℃保溫相同時間后，含Cr輕質(zhì)鋼中κ相的粒徑相對較?。浑S著保溫時間的延長，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)第一性原理計算結(jié)果表明，含Cr輕質(zhì)鋼中κ相的形成焓相對較高，不易形成κ相；結(jié)合試驗分析，進一步說明了鉻元素的添加抑制了輕質(zhì)鋼中κ相的長大。