李佳媛 鄭偉森 魯曉剛,2

(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444; 2.上海大學(xué)材料基因組工程研究院，上海 200444)

隨著汽車越來越成為生活必需品，環(huán)境污染和原料短缺問題日趨嚴(yán)重，迫使各國政府不得不尋求各種節(jié)能減排的措施。汽車尾氣排放量及油耗都與車重呈線性關(guān)系[1]。因此，開發(fā)輕質(zhì)高強(qiáng)鋼實(shí)現(xiàn)汽車輕量化已經(jīng)成為汽車行業(yè)的必然趨勢。輕質(zhì)高強(qiáng)鋼中常見合金元素有Mn、Al、Si等。根據(jù)合金成分和熱處理工藝，輕質(zhì)鋼基體大致可分為奧氏體(FCC)、鐵素體(BCC)以及奧氏體- 鐵素體雙相3種。因此，研究合金元素在關(guān)鍵三元系Fe- Mn- X(Al, Si)奧氏體和鐵素體中的擴(kuò)散行為對預(yù)測輕質(zhì)高強(qiáng)鋼的組織演變至關(guān)重要。Zheng等[2- 3]采用擴(kuò)散偶方法先后對BCC結(jié)構(gòu)Fe- Mn- Al和FCC結(jié)構(gòu)Fe- Mn- Si三元合金的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，獲得了可靠的原子移動(dòng)性參數(shù)。然而，至今仍缺少關(guān)于FCC結(jié)構(gòu)Fe- Mn- Al和BCC結(jié)構(gòu)Fe- Mn- Si三元系完善的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)描述。

本文采用擴(kuò)散偶方法測定了Fe- Mn- Al三元系FCC相的成分- 距離曲線，采用二元外推的方法獲得了三元?jiǎng)恿W(xué)數(shù)據(jù)庫，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證了所建數(shù)據(jù)庫的可靠性。同時(shí)，通過評估Fe- Mn- Si三元系BCC相的擴(kuò)散試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對Fe- Mn- Si三元系進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)優(yōu)化。

1 原子移動(dòng)性模型

原子移動(dòng)性模型是Anderson和?gren[4]基于絕對反應(yīng)速率理論提出的，組元i的原子移動(dòng)性參數(shù)可以表示為：

(1)

(2)

互擴(kuò)散系數(shù)可表示為：

(3)

式中：μi表示組元i的化學(xué)勢，可通過熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫計(jì)算得到。δip是Kronecher算符，當(dāng)i=p時(shí)，δip為1，其他情況下為0。

2 試驗(yàn)材料與過程

對于Fe- Mn- Al三元系，試驗(yàn)原料為純鐵(99.99%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、純錳(99.95%)和純鋁(99.999%)。采用WK- Ⅱ型非自耗真空電弧爐熔煉合金，將熔煉好的紐扣錠封入充有氬氣保護(hù)氣氛的石英管中，用Carbolite管式爐加熱至1 373 K均勻化退火7天，再將紐扣錠線切割成5 mm×5 mm×5 mm的塊狀試樣。

將塊狀試樣打磨、拋光后，使用ZC- ZK/WY3型擴(kuò)散設(shè)備，通過加壓，維持2%形變量，在1 173 K保溫1 h后，塊狀試樣形成擴(kuò)散偶，封石英管后置于Carbolite管式爐中進(jìn)行擴(kuò)散退火，擴(kuò)散偶成分及熱處理?xiàng)l件見表1。最后采用電子探針對擴(kuò)散偶界面進(jìn)行微區(qū)成分分析。

表1 Fe- Al- Mn三元系擴(kuò)散偶的化學(xué)成分及熱處理工藝Table 1 Chemical compositions and heat treatment process of diffusion couples for the Fe- Mn- Al ternary system

3 結(jié)果與討論

3.1 Fe- Mn- Al三元系

通過合理外推獲得了Fe- Mn- Al三元系FCC相的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫，相關(guān)原子移動(dòng)性參數(shù)如表2所示。

表2 Fe- Mn- Al三元系FCC相的原子移動(dòng)性參數(shù)匯總Table 2 Summary of atomic diffusion mobilities in FCC phase Fe- Mn- Al ternary system

采用合理外推獲得的動(dòng)力學(xué)描述，計(jì)算不同試驗(yàn)條件下的成分距離曲線和擴(kuò)散通道，并與試驗(yàn)測定結(jié)果進(jìn)行比較。圖1和圖2分別為模擬預(yù)測的Fe- Mn- Al三元合金擴(kuò)散偶的成分- 距離曲線和擴(kuò)散通道與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較。由圖可見，兩者的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)均吻合較好。但圖1中試驗(yàn)測定的Mn元素成分分布均表現(xiàn)出了一定的波動(dòng)性，這是由于Mn與Al的原子序數(shù)相差較大而在電子探針檢測中引起的熒光(激光)效應(yīng)導(dǎo)致的[9]。

由于Al是鐵素體形成元素，在Fe- Mn- Al合金FCC相中的溶解度較低，所以通過外推得到的三元?jiǎng)恿W(xué)數(shù)據(jù)庫可以很好地描述Fe- Mn- Al體系FCC相的擴(kuò)散行為，不需要再引入額外的交互作用參數(shù)。

3.2 Fe- Mn- Si三元系

圖1 模擬計(jì)算的Fe- Al- Mn擴(kuò)散偶成分距離曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較Fig.1 Comparison between the simulated and experimental concentration profiles of Fe- Mn- Al diffusion couples

圖2 模擬計(jì)算的Fe- Al- Mn擴(kuò)散偶的擴(kuò)散通道與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較Fig.2 Comparison between the simulated and experimental diffusion paths of Fe- Mn- Al diffusion couples

表3 Fe- Mn- Si三元系BCC相的原子移動(dòng)性參數(shù)匯總Table 3 Summary of atomic diffusion mobilities in BCC phase Fe- Mn- Si ternary system

圖3為采用本文優(yōu)化的原子移動(dòng)性參數(shù)計(jì)算得到的Fe- Mn- Si系BCC相的主擴(kuò)散系數(shù)，并與朱小和等[12]的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，其中虛線部分表示主擴(kuò)散系數(shù)乘以因子2或0.5的結(jié)果，虛線范圍內(nèi)是擴(kuò)散系數(shù)測量可以接受的誤差范圍，可見采用優(yōu)化的數(shù)據(jù)庫對互擴(kuò)散系數(shù)的預(yù)測誤差在擴(kuò)散系數(shù)的0.5～2倍之間。Malik等[14]指出，用Boltzmann- Matano方法求得的擴(kuò)散系數(shù)， 主擴(kuò)散系數(shù)誤差約60%，交叉擴(kuò)散系數(shù)誤差更高達(dá)120%。因此，從圖3可以看出，本文對主擴(kuò)散系數(shù)的預(yù)測值與試驗(yàn)值的吻合度高于交叉擴(kuò)散系數(shù)。

圖3 Fe- Mn- Si三元系BCC相中主擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算值與試驗(yàn)值[12]的比較Fig.3 Comparison between the calculated and measured[12] main interdiffusion coefficients in BCC phase Fe- Mn- Si alloys

采用優(yōu)化的原子移動(dòng)性參數(shù)計(jì)算得到的Fe- Mn- Si三元合金擴(kuò)散偶的成分曲線如圖4所示?？梢?，在1 273 K、125 h擴(kuò)散退火條件下，本文預(yù)測的成分- 距離曲線與朱小和等[12]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。這表明采用本文優(yōu)化的原子移動(dòng)性參數(shù)能夠很好地預(yù)測Fe- Mn- Si三元系BCC相的擴(kuò)散行為。

4 結(jié)論

(1)采用擴(kuò)散偶技術(shù)制備了4對FCC相Fe- Mn- Al擴(kuò)散偶，利用EPMA檢測擴(kuò)散偶擴(kuò)散退火后的成分- 距離曲線，并合理外推得到了Fe- Mn- Al三元系FCC相的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫，模擬計(jì)算的成分曲線及擴(kuò)散通道與試驗(yàn)數(shù)據(jù)均吻合較好，從而驗(yàn)證了所建數(shù)據(jù)庫的可靠性。

圖4 擴(kuò)散偶的成分- 距離曲線的計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)[12]的比較Fig.4 Calculated concentration profiles of diffusion couples in comparison with the experimental data[12]