李梦丽 杨洪宇 郑伟森 何燕霖 李 麟

(上海大学材料科学与工程学院，上海 200444)

近年来，通过添加铝等轻合金元素来获得低密度、高比弹性模量和高比强塑积的轻质钢已成为钢铁材料轻量化的研究热点，其中最具代表性的是Fe- Al- Mn- C系轻质钢。研究表明，增加Al含量可有效提高轻量化程度，但易造成κ相粗化，使力学性能下降[1- 6]。Cr元素的加入对κ相的析出有抑制作用，并使钢的强塑积达到30 GPa·%以上[7- 8]。因此，本文试验研究了不同热处理条件下含Cr轻质钢中κ相的析出行为，并结合第一性原理计算，深入探讨了Cr元素影响κ相形成的内在机制，为轻质钢成分优化设计提供理论依据。

1 试验材料与方法

试验原料为电解纯铁(99.99%，质量分数，下同)，纯铬、纯锰、纯铝(99.999%)以及Fe- 4.6%C中间合金，利用电弧熔炼制备纽扣锭，质量约25 g，采用化学滴定法测得纽扣锭的化学成分如表1所示。将纽扣锭在1 160 ℃进行均匀化处理，随后将其封入真空度在10-2Pa以下的石英管中进行如表2所示的热处理。

表1 试验钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical compositions of the test steels (mass fraction) %

表2 试验钢的热处理工艺Table 2 Heat treatment processes of the test steels

热处理后的试样经研磨、抛光后，采用4%(体积分数，下同)的硝酸酒精溶液腐蚀，然后使用HITACHIS- 570S扫描电子显微镜观察显微组织。透射试样经机械研磨至50～80 μm，冲制成直径3 mm圆片，然后使用5%的高氯酸酒精电解液进行双喷减薄，最后在JEM- 2010F场发射透射电镜上观察试样的精细结构，加速电压为200 kV。采用18 kW D/MAX2500V型X射线衍射仪分析试样的物相组成，Cu靶Kα射线，管电压40 kV，管电流40 mA，扫描范围40°～100°，步长为0.02°。

2 试验结果与分析

2.1 不同热处理条件下试验钢中κ相的析出行为

图1为3种试验钢经780 ℃保温不同时间后的XRD图谱。由图1可以看出，1、2和3号试样在780 ℃保温2 h、1天和15天后的组织中均存在κ相和铁素体。从图2的TEM分析结果可以看出，1、2和3号试样经780 ℃保温2 h后的组织中均析出了κ相，呈棒状。

图1 3种试验钢经780 ℃保温不同时间后的XRD图谱Fig.1 XRD patterns of the three test steels after holding at 780 ℃ for different times

对经780 ℃保温1天和15天的试验钢中κ相的等效粒径进行测量、统计分析，结果如图3～图6所示。将等效面积圆的直径作为颗粒直径，选取试样中300～1 000个粒子进行统计，以减少误差，确保数据可信。

由图4和图6可以看出，3号试验钢在780 ℃保温1天和15天后，其粒径为0～2 μm的κ相占比分别为94.39%和80.9%，明显高于1号和2号钢。

由表3可知，在相同热处理条件下，含Cr轻质钢中κ相的粒径相对较小；随着保温时间的延长，κ相发生粗化，Cr含量高的轻质钢中κ相的长大趋势较小，因此，铬元素的添加抑制了轻质钢中κ相的长大。

2.2 Cr对κ相形成的第一性原理计算

Fe- Al- C轻质钢中κ相的理论化学计量数为Fe3AlC，具有钙钛矿型结构(E21)[9]，为fcc有序结构Fe3Al-L12，其中铁原子位于每个面的中心，铝原子位于立方体的角部，碳原子占据由6个铁原子形成的中心八面体间隙位置[10]，如图7所示。

图2 试验钢经780 ℃保温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

图3 试验钢经780 ℃保温1天后κ相粒径的SEM分析及统计Fig.3 SEM analysis and statistics of the particle size of κ phase in the test steels after holding at 780 ℃for 1 d

图4 试验钢经780 ℃保温1天后的粒径分布Fig.4 Particle size distributions of the test steels after holding at 780 ℃ for 1 d

图5 试验钢经780 ℃保温15天后κ相粒径的SEM分析及统计Fig.5 SEM analysis and statistics of the particle size of κ phase in the test steels after holding at 780 ℃for 15 d

图6 试验钢经780 ℃保温15天后的粒径分布Fig.6 Particle size distributions of the test steels after holding at 780 ℃ for 15 d

表3 试验钢经780 ℃保温不同时间后κ相的平均粒径Table 3 Average particle sizes of κ- phase in the test steels after holding at 780 ℃ with different times μm

图7 κ - 碳化物结构示意图Fig.7 Schematic diagram of κ- carbide structure

研究采用VASP(Vienna ab initio simulation package)中的PAW(projector augmented wave)方法计算κ相的形成焓，使用广义梯度近似(general gradient approximation, GGA)的Perdew- Burke- Ernzerhof(PBE)形式进行计算。所有结构完全松弛且完全自旋极化。总能量的收敛标准为10-6eV/cell，结构优化期间的力为9×10-3eV/Å。VASP- PAW计算中包括高达600 eV的平面波，使用20×20×20的k点网。计算公式为[11]：

EFe3AlC≈

式中：EFe、EAl、EC、EFe3AlC分别为从有序结构的VASP- PAW计算得到的铁磁性bcc、fcc铝、金刚石碳和EFe3AlC的能量[12- 13]。

将计算结果列于表4，在不含Cr轻质钢中，κ相即Fe3AlC的形成焓为-21.45 kJ/mol。在含Cr轻质钢中，当Cr取代Fe的位置时，Cr3AlC的形成焓为-5.92 kJ/mol；当Cr取代Al的位置时，Fe3CrC的形成焓为17.43 kJ/mol。可见，无论Cr的占位如何，κ相的形成焓都高于Fe3AlC的形成焓。以上计算结果表明，在含Cr轻质钢中，由于Cr3AlC和Fe3CrC的形成焓相对较高，不易形成κ相。

表4 形成能的第一性原理计算结果Table 4 First principle calculation results of formation energy kJ/mol

3 结论

(1)结合XRD和TEM分析可以看出，试验的3种轻质Fe- Mn- Al- C钢中都含有κ相，其形貌均呈棒状。

(2)试验钢经780 ℃保温相同时间后，含Cr轻质钢中κ相的粒径相对较小；随着保温时间的延长，κ相发生粗化，Cr含量高的轻质钢中κ相的长大趋势较小。

(3)第一性原理计算结果表明，含Cr轻质钢中κ相的形成焓相对较高，不易形成κ相；结合试验分析，进一步说明了铬元素的添加抑制了轻质钢中κ相的长大。