工程科学学报，第38卷，第5期：682690,2016年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.5:682-690,May 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.05.013:http://journals.ustb.edu.cn 基于Thermo一Calc的中锰中铝Fe-Mn-Al-C低密度钢 类Schaeffler相图绘制与评估 张明达)，胡春东”，曹文全”，董瀚” 1)钢铁研究总院特殊钢研究所，北京1000812)清华大学材料学院，北京100084 ☒通信作者，E-mail:15901022010@139.com 摘要含铝低密度钢由于其较好的综合力学性能和低密度特征引起结构钢领域研究人员的广泛关注.本文利用Thermo一 Calc热力学计算软件结合TCFE7数据库，计算中锰中铝含量Fe-Mn一A-C钢在不同温度的热力学平衡状态，总结其两相区 相比例的变化规律，通过平移和修正等处理方法，绘制针对中锰中铝钢合金成分和相设计的类Schaeffler相图.结合马氏体转 变温度的计算讨论对应不同合金成分条件下相种类存在可能，并通过已有材料的相比例和相形貌实验结果分析绘制的类 Schaeffler相图的准确性和适用性.绘制的Fe-Mn一AlC类Schaeffler相图可以直观地提供不同合金成分所对应的相比例、相 种类等信息，可用于新型含铝低密度钢的合金设计. 关键词合金钢：低密度：锰：铝：相图 分类号TG142.33 Plotting and evaluation on the Schaeffler diagram of Fe-Mn-Al-C low-density alloys with medium manganese and aluminum contents based on Thermo-Calc software ZHANG Ming-da,HU Chun-dong",CAO Wen-quan,DONG Han) 1)Special Steel Institute,Central Iron and Steel Research Institute,Beijing 100081,China 2)School of Material Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China Corresponding author,E-mail:15901022010@139.com ABSTRACT Low density steels attract the attention of structural steel researchers due to their good comprehensive mechanical prop- erties and low density characteristic.In this study,the thermodynamic equilibrium states of Fe-Mn-Al-C alloys with medium manga- nese and aluminum contents at different temperatures were calculated by Thermo-Calc software with TCFE 7 date base.The statistical data of phase ratio in the dual phase region were summarized and then processed by translation and correction methods to plot the Schaeffler diagram,which is applicable to design the composition and phase ratio of Fe-Mn-Al-C alloys with medium manganese and aluminum contents.Possible phases in these steels with different compositions were discussed according to the calculation of martensit- ic transformation temperatures.The accuracy and applicability of the Schaeffler diagram were verified by the experimental phase ratio and phase type of several typical Fe-Mn-Al-C alloys.The information of phase ratio and phase type in Fe-Mn-Al-C alloys can be obtained easily from the plotted Schaeffler phase diagram. KEY WORDS alloy steel:low density:manganese:aluminum:phase diagrams 钢铁材料作为工业中用量最大的基础材料之一，正朝着更高强度、更高塑性、较低成本、易加工成型等 收稿日期：201505-27 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51371057)
工程科学学报，第 38 卷，第 5 期: 682--690，2016 年 5 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 5: 682--690，May 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 05． 013; http: / /journals． ustb． edu． cn 基于 Thermo-- Calc 的中锰中铝 Fe-- Mn--Al--C 低密度钢 类 Schaeffler 相图绘制与评估 张明达1，2) ，胡春东1) ，曹文全1) ，董 瀚1) 1) 钢铁研究总院特殊钢研究所，北京 100081 2) 清华大学材料学院，北京 100084 通信作者，E-mail: 15901022010@ 139． com 摘 要 含铝低密度钢由于其较好的综合力学性能和低密度特征引起结构钢领域研究人员的广泛关注． 本文利用 Thermo-- Calc 热力学计算软件结合 TCFE 7 数据库，计算中锰中铝含量 Fe--Mn--Al--C 钢在不同温度的热力学平衡状态，总结其两相区 相比例的变化规律，通过平移和修正等处理方法，绘制针对中锰中铝钢合金成分和相设计的类 Schaeffler 相图． 结合马氏体转 变温度的计算讨论对应不同合金成分条件下相种类存在可能，并通过已有材料的相比例和相形貌实验结果分析绘制的类 Schaeffler 相图的准确性和适用性． 绘制的 Fe--Mn--Al--C 类 Schaeffler 相图可以直观地提供不同合金成分所对应的相比例、相 种类等信息，可用于新型含铝低密度钢的合金设计． 关键词 合金钢; 低密度; 锰; 铝; 相图 分类号 TG142. 33 Plotting and evaluation on the Schaeffler diagram of Fe--Mn--Al--C low-density alloys with medium manganese and aluminum contents based on Thermo-Calc software ZHANG Ming-da1，2) ，HU Chun-dong1) ，CAO Wen-quan1) ，DONG Han1) 1) Special Steel Institute，Central Iron and Steel Ｒesearch Institute，Beijing 100081，China 2) School of Material Science and Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China Corresponding author，E-mail: 15901022010@ 139． com ABSTＲACT Low density steels attract the attention of structural steel researchers due to their good comprehensive mechanical properties and low density characteristic． In this study，the thermodynamic equilibrium states of Fe--Mn--Al--C alloys with medium manganese and aluminum contents at different temperatures were calculated by Thermo--Calc software with TCFE 7 date base． The statistical data of phase ratio in the dual phase region were summarized and then processed by translation and correction methods to plot the Schaeffler diagram，which is applicable to design the composition and phase ratio of Fe--Mn--Al--C alloys with medium manganese and aluminum contents． Possible phases in these steels with different compositions were discussed according to the calculation of martensitic transformation temperatures． The accuracy and applicability of the Schaeffler diagram were verified by the experimental phase ratio and phase type of several typical Fe--Mn--Al--C alloys． The information of phase ratio and phase type in Fe--Mn--Al--C alloys can be obtained easily from the plotted Schaeffler phase diagram． KEY WOＲDS alloy steel; low density; manganese; aluminum; phase diagrams 收稿日期: 2015--05--27 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51371057) 钢铁材料作为工业中用量最大的基础材料之一， 正朝着更高强度、更高塑性、较低成本、易加工成型等
张明达等：基于Thermo--Calc的中锰中铝Fe-Mn一Al-C低密度钢类Schaeffler相图绘制与评估 ·683 方向发展.高性能钢的使用可以在保证力学性能的基 围绕传统不锈钢的基体相种类与合金成分的对应关系 础上显著降低汽车、机械等所需的原料数量和加工成 研究己经比较系统.传统不锈钢利用Schaeffler相图 本，充分提高能源利用率并降低环境污染，增加钢铁材 整合不同合金元素对组织种类和比例的作用，将其分 料与轻金属、复合材料等的竞争优势 成奥氏体形成元素（镍当量）和铁素体形成元素（铬当 近年来，另一种提高钢铁材料性能的新思路引 量)两大类.传统不锈钢的基体种类和数量可以直接 起钢铁结构材料研究人员的关注一低密度钢”. 通过对应的当量公式和Schaeffler相图查询和评 它主要通过向钢中加入Al、Si、Mn等轻量化合金元 估a.典型Schaeffler相图如图l所示四： 素使合金钢的密度降低.这一系列合金钢不仅具有 较高强度、良好塑性和一定的耐蚀性能，而且其所具 有的低密度特征迎合了钢铁材料作为结构材料的 奥氏体 0%铁素体相 未来发展需求，使得含铝低密度钢成为当前国际上 20 新型钢铁材料的研发新热点之一·在这个合金体 16 奥氏体义氏体 系中，引入多种合金元素进行组织和性能的调控成 12 马氏体 80Y 为其主要的研究方向.韩国学者在Fe-Mn-AlC合 100 金体系中添加Ni的新型B2析出物强化研究处在 低密度钢研究的前沿地位，较新的研究成果发表在 氏体+铁素体> 铁索体 铁泰体马氏体 《Nature》上 0 1216202428323640 铬当量 1 FeMn一Al-C低密度钢和传统CrNi不 镍当量=%Ni+30×%C+0.5×%Mn,铬当量=%Cr+%Mo+ 锈钢的分类和Schaeffler相图 1.5×%Si+0.5×%Nb 图1适用于传统高CrNi不锈钢的典型Schaeffler相图 低密度合金钢含有Al、Mn、C、Si等多种合金元 Fig.I Schaeffler phase diagram of the traditional Cr-Ni stainless 素，是一个复杂的合金系统.根据基体相的实际组成 steel 可以将Fe-Mn一Al-C低密度合金结构钢分成三类：铁 典型传统Schaeffler相图更偏重高Cr和高Ni合 素体低密度钢、双相低密度钢和奥氏体低密度钢. 金含量的传统不锈钢，但是针对少数合金元素，例如 Fe一Al合金是最简单的低密度钢之一，其所具有的高 硅、钼和铝对于典型Schaeffler相图的影响目前分歧较 电势特征使得其可以主要作为高温抗氧化和耐腐蚀 大.并且，典型Schaef印er相图的应用受限于部分合金 结构材料，但是较差的热加工性能和较低的室温塑 成分范围（高铬高镍+少量其他合金元素）和较严格 性限制其在室温环境下应用.在Fe一Al合金的基础 的热处理温度范围(1050~1100℃).直接对含铝低密 上形成的一系列含一定Mn含量的奥氏体或者双相 度Fe-Mn一AlC钢套用典型Schaeffler相图出现明显 低密度合金钢成为具有较好发展前景的轻量化结构 的不匹配和不适用. 材料，加入C、Mn等合金元素可以扩展和稳定Fe一Al Fe-Mn一AlC合金体系中锰和铝对相种类和相比 合金的奥氏体相区，明显提高和改善合金的力学 例方面的影响存在与传统CNi不锈钢相似的变化规 性能B 律.如图2低碳中锰钢和含铝低碳中锰钢的热力学计 传统CNi不锈钢一般也以基体相种类进行分类， 算相图所示，铝显著地促进钢中铁素体相的形成，质量 15003 (a) I500 (b) 1250 1250 1000 a(8+y 750 750 仪+ 500 500 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 碳质量分数/% 碳质量分数% 图2热力学计算相图.(a)5Mn-Fe-C:(b)5Mn-3Al-Fe-C Fig.2 Caleulated phase diagrams:(a)5Mn-Fe-C:(b)5Mn-3Al-Fe-C
张明达等: 基于 Thermo--Calc 的中锰中铝 Fe--Mn--Al--C 低密度钢类 Schaeffler 相图绘制与评估 方向发展． 高性能钢的使用可以在保证力学性能的基 础上显著降低汽车、机械等所需的原料数量和加工成 本，充分提高能源利用率并降低环境污染，增加钢铁材 料与轻金属、复合材料等的竞争优势． 近年来，另一种提高钢铁材料性能的新思路引 起钢铁结 构 材 料 研 究 人 员 的 关 注———低 密度 钢［1］． 它主要通过向钢中加入 Al、Si、Mn 等轻量化合金元 素使合金钢的密度降低． 这一系列合金钢不仅具有 较高强度、良好塑性和一定的耐蚀性能，而且其所具 有的低密度特征迎合了钢铁材料作为结构材料的 未来发展需求，使得含铝低密度钢成为当前国际上 新型钢铁 材 料 的 研 发 新 热 点 之 一． 在 这 个 合 金 体 系中，引入多种合金元素进行组织和性能的调控成 为其主要的研究方向． 韩国学者在 Fe--Mn--Al--C 合 金体系中添 加 Ni 的 新 型 B2 析 出 物 强 化 研 究 处 在 低密度钢研究的前沿地位，较新的研究成果发表在 《Nature》上［2］． 1 Fe--Mn--Al--C 低密度钢和传统 CrNi 不 锈钢的分类和 Schaeffler 相图 低密度合金钢含有 Al、Mn、C、Si 等多种合金元 素，是一个复杂的合金系统． 根据基体相的实际组成 可以将 Fe--Mn--Al--C 低密度合金结构钢分成三类: 铁 素体低密 度 钢、双 相 低 密 度 钢 和 奥 氏 体 低 密 度 钢． Fe--Al合金是最简单的低密度钢之一，其所具有的高 电势特征使得其可以主要作为高温抗氧化和耐腐蚀 结构材料，但是较差的热加工性能和较低的室温塑 性限制其在室温环境下应用． 在 Fe--Al 合金的基础 上形成的一系列含一定 Mn 含量的奥氏体或者双相 低密度合金钢成为具有较好发展前景的轻量化结构 材料，加入 C、Mn 等合金元素可以扩展和稳定 Fe--Al 合金的 奥 氏 体 相 区，明 显 提 高 和 改 善 合 金 的 力 学 性能［3--8］． 图 2 热力学计算相图． ( a) 5Mn--Fe--C; ( b) 5Mn--3Al--Fe--C Fig． 2 Calculated phase diagrams: ( a) 5Mn--Fe--C; ( b) 5Mn--3Al--Fe--C 传统 CrNi 不锈钢一般也以基体相种类进行分类， 围绕传统不锈钢的基体相种类与合金成分的对应关系 研究已经比较系统． 传统不锈钢利用 Schaeffler 相图 整合不同合金元素对组织种类和比例的作用，将其分 成奥氏体形成元素( 镍当量) 和铁素体形成元素( 铬当 量) 两大类． 传统不锈钢的基体种类和数量可以直接 通过 对 应 的 当 量 公 式 和 Schaeffler 相 图 查 询 和 评 估［9--12］． 典型 Schaeffler 相图如图 1 所示［13］: 镍当量 = % Ni + 30 × % C + 0. 5 × % Mn，铬当量 = % Cr + % Mo + 1. 5 × % Si + 0. 5 × % Nb 图 1 适用于传统高 CrNi 不锈钢的典型 Schaeffler 相图 Fig． 1 Schaeffler phase diagram of the traditional Cr--Ni stainless steel 典型传统 Schaeffler 相图更偏重高 Cr 和高 Ni 合 金含量的传统不锈钢，但是针对少数合金元素，例如 硅、钼和铝对于典型 Schaeffler 相图的影响目前分歧较 大． 并且，典型 Schaeffler 相图的应用受限于部分合金 成分范围( 高铬高镍 + 少量其他合金元素) 和较严格 的热处理温度范围( 1050 ～ 1100 ℃ ) ． 直接对含铝低密 度 Fe--Mn--Al--C 钢套用典型 Schaeffler 相图出现明显 的不匹配和不适用． Fe--Mn--Al--C 合金体系中锰和铝对相种类和相比 例方面的影响存在与传统 CrNi 不锈钢相似的变化规 律． 如图 2 低碳中锰钢和含铝低碳中锰钢的热力学计 算相图所示，铝显著地促进钢中铁素体相的形成，质量 · 386 ·
·684 工程科学学报，第38卷，第5期 分数为3%A!合金元素的加入引起高温δ铁素体区 用于计算不同种类材料中各种热力学性质、热力学平 的明显扩大和a(8)+y两相区的扩展连接.在TRP 衡、局部平衡、化学驱动力以及各种稳定/亚稳相图、多 钢和TWP钢的研究中，普遍认为锰元素起到明显扩 类型材料多组元体系的性质图等.本文利用热力学计 大和稳定奥氏体区的作用.文献资料显示，结合 算软件Thermo--Calc+最新版TCFE7数据库对Fe一 Schaeffler相图，以铝元素和锰元素为主要合金元素讨 Mn一Al-C合金系统进行热力学平衡计算. 论对Fe-Mn一Al一C合金体系影响的相关研究鲜有报 图3(a)为已有文献资料中含铝低密度钢合金 道.借用类似Schaeffler相图分析方法对Fe-Mn-AlC 成分统计分布示意图.图中高锰高碳（左上区域） 合金体系进行研究具有重要的指导意义.本文结合热 主要为单相奥氏体基体，而高铝低锰（右下区域）则 力学计算软件Thermo-Calc和最新版TCFE7数据库 以铁素体基为主，双相基成分分布于两者之间，贯 (由CISRI-TCS联合开放实验室提供)计算并绘制针对 穿坐标原点和高锰高铝高碳的中心区域.考虑到 中锰（质量分数约2%~8%）中铝（质量分数约0~ 最新版TCFE7数据库的铝含量上限限制和适中的 5%)含量的Fe-Mn-Al-C合金体系在900、1000、1100 锰元素对控制两相区的作用，本研究选取C质量分 和1200℃四个温度的类Schaeffler相图，为该体系的合 数0~0.4%和A1质量分数0~5%的成分范围区 金成分设计与选择提供支持. 间，结合中等质量分数2%、5%和8%Mn的成分选 取，计算每个成分点在典型温度(900、1000、1100 2 实验材料及方法 和1200℃)的热力学平衡状态，统计并评估其相比 Thermo--Calc是一个通用的热力学计算软件，可 例变化规律 32r o 10 28 00 24 20 口9g 16 口奥氏体基 12 双相基 8 A铁素体基 4 8 4 4 12 03 6 碳质量分数 0.8 碳质量分数% 0. 翻分 0. 0.1 120 质量分数保 4 图3合金成分.(a)文献资料统计结果分布：()热力学计算选取结果分布 Fig.3 Compositions of alloys:(a)statistical results in literatures:(h)selected results of thermodynamic calculations 将计算并统计的相比例数据转换成等高线图表 整体上相比例示意图呈现出左上单相奥氏体区（比例 示其对应成分的奥氏体相比例，并利用平移和修正 值接近1)，右下单相铁素体区（比例值接近0）的明确 等手段整合成同时评估碳、锰和铝合金元素的类 分布，中间的两相区域表现出规律的相比例逐渐过渡 Schaeffler相图，使得通过合金成分即可直接读取和 的变化趋势.高温条件下相比例线斜率较平直，而低 估计钢中组织的相种类和相比例.关于类Schaeffler 温条件下随着C含量的增加，相比例线斜率有逐渐减 相图的适用性和更多相种类的评估也被探索性讨 小的趋势.随着热力学计算平衡温度的提高，相转变 论.为验证类Schaeffler相图的准确性，部分中锰中 的起始点和相转变线整体右移.不同于传统CNi典 铝含量钢种的相比例通过金相组织图像进行实测， 型Schaeffler相图，示意图并未出现左下角的铁素体+ 金相试样使用4%硝酸乙醇溶液腐蚀，根据金相照片 马氏体两相区. 中不同相的灰度差别，使用图像分析软件选取和统 不同锰含量对相比例随铝含量和碳含量变化的影 计分析 响如图5所示.锰元素的增加引起相转变起始点和相 转变线的整体右移.低锰的相比例线平直度较好，而 3实验结果 高锰含量引起高碳区域相比例变化的局部异常 3.1合金元素对中锰中铝FeMn-Al-C合金相比例 3.2Fe-Mn-AlC类Schaeffler相图绘制 的影响 将不同的合金元素含量按照传统CNi典型 图4为M的质量分数为5%时，不同平衡温度下 Schaeffler相图的相关公式系数进行Cr当量和Ni当量 奥氏体相比例随铝含量和碳含量变化的分布示意图 计算，整合得到的相比例结果不能良好对应，尤其是不
工程科学学报，第 38 卷，第 5 期 分数为 3% Al 合金元素的加入引起高温 δ 铁素体区 的明显扩大和 α( δ) + γ 两相区的扩展连接． 在 TＲIP 钢和 TWIP 钢的研究中，普遍认为锰元素起到明显扩 大和 稳 定 奥 氏 体 区 的 作 用． 文 献 资 料 显 示，结 合 Schaeffler 相图，以铝元素和锰元素为主要合金元素讨 论对 Fe--Mn--Al--C 合金体系影响的相关研究鲜有报 道． 借用类似 Schaeffler 相图分析方法对 Fe--Mn--Al--C 合金体系进行研究具有重要的指导意义． 本文结合热 力学计算软件 Thermo--Calc 和最新版 TCFE 7 数据库 ( 由 CISＲI-TCS 联合开放实验室提供) 计算并绘制针对 中锰( 质量分数约 2% ～ 8% ) 中铝( 质量分数约 0 ～ 5% ) 含量的 Fe--Mn--Al--C 合金体系在 900、1000、1100 和1200 ℃四个温度的类 Schaeffler 相图，为该体系的合 金成分设计与选择提供支持． 2 实验材料及方法 Thermo--Calc 是一个通用的热力学计算软件，可 用于计算不同种类材料中各种热力学性质、热力学平 衡、局部平衡、化学驱动力以及各种稳定/亚稳相图、多 类型材料多组元体系的性质图等． 本文利用热力学计 算软件 Thermo--Calc + 最 新 版 TCFE 7 数 据 库 对Fe-- Mn--Al--C 合金系统进行热力学平衡计算． 图 3( a) 为已有文献资料中含铝低密度钢合金 成分统计分 布 示 意 图． 图 中 高 锰 高 碳( 左 上 区 域) 主要为单相奥氏体基体，而高铝低锰( 右下区域) 则 以铁素体基 为 主，双相基成分分布于两者之间，贯 穿坐标原 点 和 高 锰 高 铝 高 碳 的 中 心 区 域． 考 虑 到 最新版 TCFE 7 数据库的铝含量上限限制和适中的 锰元素对控制两相区的作用，本研究选取 C 质量分 数 0 ～ 0. 4% 和 Al 质 量 分 数 0 ～ 5% 的 成 分 范 围 区 间，结合中等质量分数 2% 、5% 和 8% Mn 的成分选 取，计算每个成分点在典型温度 ( 900、1000、1100 和 1200 ℃ ) 的热力学平衡状态，统计并评估其相比 例变化规律． 图 3 合金成分． ( a) 文献资料统计结果分布; ( b) 热力学计算选取结果分布 Fig． 3 Compositions of alloys: ( a) statistical results in literatures; ( b) selected results of thermodynamic calculations 将计算并统计的相比例数据转换成等高线图表 示其对应成分的奥氏体相比例，并利用平移和修正 等手段整合成同时评估碳、锰 和 铝 合 金 元 素 的 类 Schaeffler 相图，使得通过合金成分即可直接读取和 估计钢中组织的相种类和相比例． 关于类 Schaeffler 相图的适 用 性 和 更 多 相 种 类 的 评 估 也 被 探 索 性 讨 论． 为验证类 Schaeffler 相图的准确性，部分中锰中 铝含量钢种的相比例通过金相组织图像进行实测， 金相试样使用 4% 硝酸乙醇溶液腐蚀，根据金相照片 中不同相的灰度差别，使用图像分析软件选取和统 计分析． 3 实验结果 3. 1 合金元素对中锰中铝 Fe--Mn--Al--C 合金相比例 的影响 图 4 为 Mn 的质量分数为 5% 时，不同平衡温度下 奥氏体相比例随铝含量和碳含量变化的分布示意图． 整体上相比例示意图呈现出左上单相奥氏体区( 比例 值接近 1) ，右下单相铁素体区( 比例值接近 0) 的明确 分布，中间的两相区域表现出规律的相比例逐渐过渡 的变化趋势． 高温条件下相比例线斜率较平直，而低 温条件下随着 C 含量的增加，相比例线斜率有逐渐减 小的趋势． 随着热力学计算平衡温度的提高，相转变 的起始点和相转变线整体右移． 不同于传统 CrNi 典 型 Schaeffler 相图，示意图并未出现左下角的铁素体 + 马氏体两相区． 不同锰含量对相比例随铝含量和碳含量变化的影 响如图 5 所示． 锰元素的增加引起相转变起始点和相 转变线的整体右移． 低锰的相比例线平直度较好，而 高锰含量引起高碳区域相比例变化的局部异常． 3. 2 Fe--Mn--Al--C 类 Schaeffler 相图绘制 将不同的合金元素含量按照传统 CrNi 典 型 Schaeffler 相图的相关公式系数进行 Cr 当量和 Ni 当量 计算，整合得到的相比例结果不能良好对应，尤其是不 · 486 ·
张明达等：基于Thermo--Calc的中锰中铝Fe-Mn一Al-C低密度钢类Schaeffler相图绘制与评估 ·685 0.40 0.40- 奥氏体比例 奥氏体比例 0.35 00m5 0.35 -0.005 .30 0.001 0.001 0.1 号 030 0.25 0.20 0.15 04 6605 03 0.15 04 0.10 w00 0.10 00 0.05 0.05 2 铝质量分数/ 铝质量分数/% 0.40 奥氏体比例 0.40 奥氏体比例 0.35 0.005 0.35 -0.005 0.30 0.001 0.001 0.25 020 8 0.15 0.15 0.10 0 0.10 0.05 0.05 4 铝质量分数/% 铝质量分数/% 图4质量分数5M加在不同温度下不同碳含量和铝含量的奥氏体相比例示意图.(a)900℃：(b)1000℃：(：)1100℃：()1200℃ Fig.4 Phase ratio diagrams of austenite at different temperatures.different carbon and aluminum contents with a manganese content of 5%:(a)900 ℃：(b)1000℃：()1100w℃：(d)1200℃ 0.40- 奥氏体比例 0.40- 奥氏体比例 a -0.005 b 0.35 0.001 0.35 6895 0.30- 0.2 0.3 0 0.3 .03 8 8 10 11 0.10 0.05 0.05 铝质量分数/% 铝质量分数/% 0.40 奥氏体比例 035 0.20 0.15 0.10 0.05 2 3 铝质量分数/% 图5不同质量分数Mm在1200℃下不同碳含量和铝含量的奥氏体相比例示意图.(a)2%:(b)5%:()8% Fig.5 Phase ratio diagrams of austenite at 1200C with different manganese contents of Mn:(a)2;(b)5;(e)8% 同锰合金元素含量对相比例线的影响不能较好重合. 化示意图中可以看出，锰元素的影响主要体现在相转 从已有中锰中铝含量的相比例随碳含量和铝含量的变 变起始点和相转变线的整体向右侧平移.故在现有热
张明达等: 基于 Thermo--Calc 的中锰中铝 Fe--Mn--Al--C 低密度钢类 Schaeffler 相图绘制与评估 图 4 质量分数 5% Mn 在不同温度下不同碳含量和铝含量的奥氏体相比例示意图． ( a) 900 ℃ ; ( b) 1000 ℃ ; ( c) 1100 ℃ ; ( d) 1200 ℃ Fig． 4 Phase ratio diagrams of austenite at different temperatures，different carbon and aluminum contents with a manganese content of 5% : ( a) 900 ℃ ; ( b) 1000 ℃ ; ( c) 1100v℃ ; ( d) 1200 ℃ 图 5 不同质量分数 Mn 在 1200 ℃下不同碳含量和铝含量的奥氏体相比例示意图． ( a) 2% ; ( b) 5% ; ( c) 8% Fig． 5 Phase ratio diagrams of austenite at 1200 ℃ with different manganese contents of Mn: ( a) 2% ; ( b) 5% ; ( c) 8% 同锰合金元素含量对相比例线的影响不能较好重合． 从已有中锰中铝含量的相比例随碳含量和铝含量的变 化示意图中可以看出，锰元素的影响主要体现在相转 变起始点和相转变线的整体向右侧平移． 故在现有热 · 586 ·
·686· 工程科学学报，第38卷，第5期 力学计算结果的基础上，改变传统Schaeffler相图的Cr 核指标，随着锰含量的提高，测量单位锰含量下相同相 当量和N当量转换方法，通过对不同锰含量计算相比 比例线上典型选取点的横坐标平移平均值和标准偏 例示意图的横坐标平移进行整合，以不同的相比例区 差，如图6(a)所示.其他温度也通过相同的方法确定 和相比例线达到最大重合为最优，从而将相比例数据 单位锰含量引起相比例线的平移系数，如图6(b)所 通过C质量分数和Al-xMn质量分数作为横纵坐标绘 示.随着温度的降低，锰元素引起的相比例线平移量 制出，x为单位质量分数M引起的平移系数.主要以 逐渐降低，平移系数随温度的升高呈现出单调下降的 奥氏体相的0.20.5和0.8比例线为平移量的主要考 线性关系 0.40 (a 0.35 0.6 0 0.30 05 0.25 0.4 0.20 0.3 0.4031 0.10 0.2 0.05 3 900 10001100 12001300 铝质量分数/% 温度代 图6锰对相比例线平移的影响.(a)1200℃时不同锰含量引起相比例线（绿色线0.2：红色线0.5：蓝色线0.8）平移；(b)不同温度下平移 量示意图 Fig.6 Effect of Mn on the translation of phase ratio lines:(a)translation of phase ratio lines (green:0.2:red:0.5:blue:0.8)at 1200C:(b) translation amount at different temperatures 通过对不同锰含量的相比例示意图进行对应系数 新相比例图可以较好重合.900、1000、1100和1200℃ 的横坐标平移，以Al-xM含量作为横纵坐标绘制的 的平移处理相比例示意图如图7所示 0.40- 0.40- a 奥氏体比例 (b) 奥氏体比例 0.35 0.35 0.30 0.30 8g5 0.25 0.20 0.15 03 45689 0.25 020 20. 0.10 0.10- 0.05 0.05 -1 0 2 -1 01 23 铝质量分数% 铝质量分数/% 0.40 (e) 奥氏体比例 0.40 奥氏体比例 0.35 035- 0.30 0.25 025 0.20 0.15 0.10 0.10 0.05 0.05 0 0 铝质量分数% 铝质量分数/% 图7不同合金元素含量在不同温度下平移横坐标合成的奥氏体相比例示意图.()900℃：(b)1000℃：()1100℃：()1200℃ Fig.7 Resultant phase ratio diagrams of austenite at different temperatures with different element contents:(a)90O℃：(b)lOO0℃：(e）II00℃： (d)1200℃
工程科学学报，第 38 卷，第 5 期 力学计算结果的基础上，改变传统 Schaeffler 相图的 Cr 当量和 Ni 当量转换方法，通过对不同锰含量计算相比 例示意图的横坐标平移进行整合，以不同的相比例区 和相比例线达到最大重合为最优，从而将相比例数据 通过 C 质量分数和 Al--xMn 质量分数作为横纵坐标绘 制出，x 为单位质量分数 Mn 引起的平移系数． 主要以 奥氏体相的 0. 2、0. 5 和 0. 8 比例线为平移量的主要考 核指标，随着锰含量的提高，测量单位锰含量下相同相 比例线上典型选取点的横坐标平移平均值和标准偏 差，如图 6( a) 所示． 其他温度也通过相同的方法确定 单位锰含量引起相比例线的平移系数，如图 6( b) 所 示． 随着温度的降低，锰元素引起的相比例线平移量 逐渐降低，平移系数随温度的升高呈现出单调下降的 线性关系． 图 6 锰对相比例线平移的影响． ( a) 1200 ℃时不同锰含量引起相比例线( 绿色线 0. 2; 红色线 0. 5; 蓝色线 0. 8) 平移; ( b) 不同温度下平移 量示意图 Fig． 6 Effect of Mn on the translation of phase ratio lines: ( a) translation of phase ratio lines ( green: 0. 2; red: 0. 5; blue: 0. 8) at 1200 ℃ ; ( b) translation amount at different temperatures 通过对不同锰含量的相比例示意图进行对应系数 的横坐标平移，以 Al--xMn 含量作为横纵坐标绘制的 新相比例图可以较好重合． 900、1000、1100 和 1200 ℃ 的平移处理相比例示意图如图 7 所示． 图 7 不同合金元素含量在不同温度下平移横坐标合成的奥氏体相比例示意图． ( a) 900 ℃ ; ( b) 1000 ℃ ; ( c) 1100 ℃ ; ( d) 1200 ℃ Fig． 7 Ｒesultant phase ratio diagrams of austenite at different temperatures with different element contents: ( a) 900 ℃ ; ( b) 1000 ℃ ; ( c) 1100 ℃ ; ( d) 1200 ℃ · 686 ·
张明达等：基于Thermo--Calc的中锰中铝Fe-Mn一Al-C低密度钢类Schaeffler相图绘制与评估 ·687 根据不同温度的相比例合成示意图而绘制对应的 例关系可以在较快的冷却速度下保留至室温，铁素体 类Schaeffler相图如图8所示.随着温度的增加，两相 相不发生相转变，奥氏体相有可能发生奥氏体向马氏 区被推移至右侧，且相比例线分布更加密集，表现出合 体的部分或完全转变，这与奥氏体的稳定性以及冷却 金元素对于两相比例变化的敏感性提高.随着温度提 方式有关，奥氏体是否转变或者转变量的多少需要结 高，相图中高铝含量端铁素体相区出现特征平台.不 合具体情况分析 同温度下热力学平衡状态的奥氏体相和铁素体相的比 0.40 0.40 0.35 6% 0.35 0.30 「奥氏体 0.30 奥氏体 0.25 奥氏体+马氏体 体+体 70% 0.25 奥氏体+马氏休 0.20 马氏体 +铁素*马氏 0.20 氏体 4素体+民体 0 0.15 0.15 快体 80 0.10 0.10 0.05 0.05 1G0隆 0 0 -2 0 1 2 3 -2 -1 1 3 4 A-xMn质量分数% A-xMn质量分数/% 0.40 e 0.35 40 0.40 0铁 0.35 0.30 0.30 奥氏体 奥氏体 50% 0.25 资氏体+氏 6 0.25 0.20 4马 0.20 奥体创 0 0.15 80 0.15 0.10 0.10 0.05 10 0.05 100% 氏素体 铁素体 -1 0 3 4 5 0 3 4 A-xMn质量分数% A-xMn质量分数/% 图8不同温度下以AMn和C为横纵坐标的类Schaeffler相图.(a)900℃：(b)1000℃：(c)1100℃：(d)1200℃(x依次为-0.417、 -0.333、-0.278和-0.210) Fig.8 Schaeffler phase diagrams of Fe-Mn-Al-C alloys at different temperatures:(a)900℃；(b)l000℃；(c）1100℃：(d)1200℃(x: (a)0.417,(b)0.333,(c)0.278,and(d)0.210) 3.3FeMn一AC类Schaeffler相图相种类评估 低于0.5%)，对于本研究不具有可用性.本文主要使 典型Schaeft组er相图中除了相比例的表征外，更多 用Di等a对于奥氏体钢中马氏体转变温度(Ms和 的相种类信息也可以根据成分初步判断和估计.主要 Mεs温度)的计算和拟合结果，该模型公式包含部分高 相种类区域按照奥氏体是否转变为马氏体分为单相奥 铝含量的成分（最高铝质量分数达8%左右），并且计 氏体区、奥氏体+马氏体区和单相马氏体区.相种类 算值与实际测量值的拟合度较高.针对Fe-Mn一Al-C 分界线与奥氏体的稳定有关，通常由对应成分的Ms 合金体系的简化公式如下： 和Mf温度确定.对于Fe-Mn-AlC类Schaeffler相图 T.=1185-199.8(C)-21.7(Mn)-1.9w(C）× 的相种类判断也可采用相似的方法.由于中高铝低密 w(Mn)-14.4[(Mn)×e(AD]P-410,K:(1) 度钢正处在研究和发展的初级阶段，围绕高铝含量的 T=390-710.5w(C)-12.4w(Mn)- 马氏体转变温度的测试和计算参考较少，如Yang 22.7o(Al)+11.6o(C)×w(Mn）- 等对大量钢铁材料Ms点和成分进行回归和拟合， 3.7w(Mn)×w(AD]1n+277,K. (2) 得到的Ms温度计算公式具有广泛适用性，但是缺乏 式中，T和T分别表示奥氏体转变为马氏体和ε 对Fe-Mn一AlC合金体系的针对性.姜越等的工 马氏体的温度，0为奥氏体相中固溶存在合金元素的 作中总结了大量马氏体转变温度的计算公式，尽管马 质量分数.以室温为相转变假设温度时，绘制的不同 氏体转变温度公式给出铝元素的影响系数，但是总结 锰含量条件下C含量与A!含量的对应关系曲线如 的公式中铝含量的应用范围一般较低（质量分数一般 图9所示.图9(a)为本文绘制的类Schaeffler相图对
张明达等: 基于 Thermo--Calc 的中锰中铝 Fe--Mn--Al--C 低密度钢类 Schaeffler 相图绘制与评估 根据不同温度的相比例合成示意图而绘制对应的 类 Schaeffler 相图如图 8 所示． 随着温度的增加，两相 区被推移至右侧，且相比例线分布更加密集，表现出合 金元素对于两相比例变化的敏感性提高． 随着温度提 高，相图中高铝含量端铁素体相区出现特征平台． 不 同温度下热力学平衡状态的奥氏体相和铁素体相的比 例关系可以在较快的冷却速度下保留至室温，铁素体 相不发生相转变，奥氏体相有可能发生奥氏体向马氏 体的部分或完全转变，这与奥氏体的稳定性以及冷却 方式有关，奥氏体是否转变或者转变量的多少需要结 合具体情况分析． 图 8 不同温度下以 Al--xMn 和 C 为横纵坐标的类 Schaeffler 相图． ( a) 900 ℃ ; ( b) 1000 ℃ ; ( c) 1100 ℃ ; ( d) 1200 ℃ ( x 依次为 － 0. 417、 － 0. 333、－ 0. 278 和 － 0. 210) Fig． 8 Schaeffler phase diagrams of Fe--Mn--Al--C alloys at different temperatures: ( a) 900 ℃ ; ( b) 1000 ℃ ; ( c) 1100 ℃ ; ( d) 1200 ℃ ( x: ( a) —0. 417，( b) —0. 333，( c) —0. 278，and ( d) —0. 210) 3. 3 Fe--Mn--Al--C 类 Schaeffler 相图相种类评估 典型 Schaeffler 相图中除了相比例的表征外，更多 的相种类信息也可以根据成分初步判断和估计． 主要 相种类区域按照奥氏体是否转变为马氏体分为单相奥 氏体区、奥氏体 + 马氏体区和单相马氏体区． 相种类 分界线与奥氏体的稳定有关，通常由对应成分的 Ms 和 Mf 温度确定． 对于 Fe--Mn--Al--C 类 Schaeffler 相图 的相种类判断也可采用相似的方法． 由于中高铝低密 度钢正处在研究和发展的初级阶段，围绕高铝含量的 马氏体 转 变 温 度 的 测 试 和 计 算 参 考 较 少，如 Yang 等［14］对大量钢铁材料 Ms 点和成分进行回归和拟合， 得到的 Ms 温度计算公式具有广泛适用性，但是缺乏 对 Fe--Mn--Al--C 合金体系的针对性． 姜越等［15］的工 作中总结了大量马氏体转变温度的计算公式，尽管马 氏体转变温度公式给出铝元素的影响系数，但是总结 的公式中铝含量的应用范围一般较低( 质量分数一般 低于 0. 5% ) ，对于本研究不具有可用性． 本文主要使 用 Dai 等［16］对于奥氏体钢中马氏体转变温度( Ms 和 Mεs 温度) 的计算和拟合结果，该模型公式包含部分高 铝含量的成分( 最高铝质量分数达 8% 左右) ，并且计 算值与实际测量值的拟合度较高． 针对 Fe--Mn--Al--C 合金体系的简化公式如下: TMs = 1185 － 199. 8w( C) － 21. 7w( Mn) － 1. 9w( C) × w( Mn) － 14. 4［w( Mn) × w( Al) ］1 /2 － 410，K; ( 1) TMεs = 390 － 710. 5w( C) － 12. 4w( Mn) － 22. 7w( Al) + 11. 6w( C) × w( Mn) － 3. 7［w( Mn) × w( Al) ］1 /2 + 277，K． ( 2) 式中，TMs和 TMεs分别表示奥氏体转变为 α 马氏体和 ε 马氏体的温度，w 为奥氏体相中固溶存在合金元素的 质量分数． 以室温为相转变假设温度时，绘制的不同 锰含量条件下 C 含量与 Al 含量的对应关系曲线如 图 9 所示． 图 9( a) 为本文绘制的类 Schaeffler 相图对 · 786 ·
·688· 工程科学学报，第38卷，第5期 更多合金元素含量的扩展图.向更高合金元素含量拓 的不同上.Ms转变线离中锰中铝成分区域较远，而 展的相图可以看出，中锰中铝含量条件下，奥氏体的稳 Mes转变线分割了绘制的类Schaeffler相图，马氏体的 定性较低，使得高温条件下的奥氏体在一般冷却条件 种类与对应成分所计算的Ms和Mεs温度的具体数值 下冷却至室温时几乎全部转变为马氏体，随着钢中锰 有关.Dai等认为：当T≥T时，y主要向a马氏 含量的增加，高温奥氏体的稳定性有上升趋势，即室温 体转变：当T≥T4时，y主要向ε马氏体转变：当 马氏体转变线向左下移动.可以认为在中锰中铝含量 Te≈Tu时，y主要向a和e马氏体转变：当T(T)< 下相种类中几乎没有或只有少量奥氏体，而这类合金 4K时，认为马氏体不易形成 钢的奥氏体转变相种类的差别主要体现在马氏体种类 奥氏体 2.0r 奥氏体+铁素体 (a) 2Mn M- 0.40 -.(bj 2n、 1.8 0.35 1.6 5Mn M- 0.30 1.4 ce 1.2 奥氏体+马氏体 8Mn Ms 0.25 学铁体 1.0 奥氏体+铁素体+氏体 0.20 s0.8 的 0.15 塔0.6 氏体 0.10 0.4 3 50% 氏 2Mn Mge 0.2 0.05 100 sHe 0 的四 铁索体 0 4 68101214 161820 3 A-xMn质量分数% A-xMn质量分数/% 图9考虑Ms和Mesf的I200℃Fe-Mn-A-C类自绘Schaeff1er相图.(a)拓展图：(b)原始图 Fig.9 Schaeffler phase diagrams of Fe-Mn-Al-C alloys with caleulated Ms and Mss:(a)expansile;(b)original 例和类Schaeffler相图，读取数据结果如表1所示. 4讨论 表1中可以看出，实际相比例测试结果与类 对比几种中锰中铝含量热轧和热锻钢的实测相比 Schaeff组er相图能够基本吻合，说明基于Thermo-一Calc 表1几种中锰中铝Fe-Mn一Al-C钢相比例 Table 1 Measured phase ratio of Fe-Mn-Al-C steels with medium manganese and aluminum contents 碳质量 铝质量 锰质量 热轧或热 实测铁素体相 Schaeffler相图铁素 冷却方式 分数/% 分数/% 分数/% 锻温度/℃ 体积分数/% 体相体积分数/% 0.05 3.0 5.0 1200 空冷 41.23 45~55 0.10 3.0 5.0 1200 空冷 23.86 15~25 0.15 3.0 5.0 1200 空冷 11.10 5~15 0.20 3.0 5.0 1200 空冷 ✉0 0 0.30 3.0 5.0 1200 空冷 0 0 0.05 3.0 5.0 1100 空冷 47.63 45~55 0.20 4.0 5.0 1100 空冷 32.56 20~30 热力学计算软件和TC℉E7数据库而绘制的中等锰铝 显不同.从对应成分的Ms和Mεs温度的计算结果来 含量的Fe-Mn-Al-C合金系钢类Schaeffler图具有较 看，Ms温度范围大部分在500~600K左右，Mεs温度 好的准确性.钢中奥氏体在空冷条件下获得的马氏体 范围在350~500K左右，两者差距相对不大，虽然马 转变也得到证实，如图10所示，在这一系列中锰中铝 氏体的形貌有所不同，但是大部分应以α马氏体为 钢中，奥氏体相几乎全部转变为马氏体，随着钢中合金 主.实际马氏体的形成和转变还与保温温度、固溶和 元素的变化，马氏体的形貌发生一定变化.低碳低铝 配分状态、冷却速率、冷却介质等多种因素有关.更准 的钢中马氏体更多表现出板条形貌，随着钢中碳含量 确的马氏体种类判断需要更多的高铝FeMn一Al-C合 的增加，针状马氏体结构逐形成：而0.20C5Mn4Al成 金体系热力学数据的补充. 分下，由于铝含量的增加，马氏体形貌表现与前者的明 综上可以看出，基于Thermo-Calc热力学计算软
工程科学学报，第 38 卷，第 5 期 更多合金元素含量的扩展图． 向更高合金元素含量拓 展的相图可以看出，中锰中铝含量条件下，奥氏体的稳 定性较低，使得高温条件下的奥氏体在一般冷却条件 下冷却至室温时几乎全部转变为马氏体，随着钢中锰 含量的增加，高温奥氏体的稳定性有上升趋势，即室温 马氏体转变线向左下移动． 可以认为在中锰中铝含量 下相种类中几乎没有或只有少量奥氏体，而这类合金 钢的奥氏体转变相种类的差别主要体现在马氏体种类 的不同上． Ms 转变线离中锰中铝成分区域较远，而 Mεs 转变线分割了绘制的类 Schaeffler 相图，马氏体的 种类与对应成分所计算的 Ms 和 Mεs 温度的具体数值 有关． Dai 等［16］认为: 当 TMsTMεs时，γ 主要向 α 马氏 体转变; 当 TMεs TMs 时，γ 主要向 ε 马氏体转 变; 当 TMεs≈TMs时，γ 主要向 α 和 ε 马氏体转变; 当 TMs( TMεs) ＜ 4 K 时，认为马氏体不易形成． 图 9 考虑 Ms 和 Mεs 的 1200 ℃ Fe--Mn--Al--C 类自绘 Schaeffler 相图． ( a) 拓展图; ( b) 原始图 Fig． 9 Schaeffler phase diagrams of Fe--Mn--Al--C alloys with calculated Ms and Mεs: ( a) expansile; ( b) original 4 讨论 对比几种中锰中铝含量热轧和热锻钢的实测相比 例和类 Schaeffler 相图，读取数据结果如表 1 所示． 表 1 中 可 以 看 出，实 际 相 比 例 测 试 结 果 与 类 Schaeffler 相图能够基本吻合，说明基于 Thermo--Calc 表 1 几种中锰中铝 Fe--Mn--Al--C 钢相比例 Table 1 Measured phase ratio of Fe--Mn--Al--C steels with medium manganese and aluminum contents 碳质量 分数/% 铝质量 分数/% 锰质量 分数/% 热轧或热 锻温度/℃ 冷却方式 实测铁素体相 体积分数/% Schaeffler 相图铁素 体相体积分数/% 0. 05 3. 0 5. 0 1200 空冷 41. 23 45 ～ 55 0. 10 3. 0 5. 0 1200 空冷 23. 86 15 ～ 25 0. 15 3. 0 5. 0 1200 空冷 11. 10 5 ～ 15 0. 20 3. 0 5. 0 1200 空冷 ≈0 0 0. 30 3. 0 5. 0 1200 空冷 0 0 0. 05 3. 0 5. 0 1100 空冷 47. 63 45 ～ 55 0. 20 4. 0 5. 0 1100 空冷 32. 56 20 ～ 30 热力学计算软件和 TCFE 7 数据库而绘制的中等锰铝 含量的 Fe--Mn--Al--C 合金系钢类 Schaeffler 图具有较 好的准确性． 钢中奥氏体在空冷条件下获得的马氏体 转变也得到证实，如图 10 所示，在这一系列中锰中铝 钢中，奥氏体相几乎全部转变为马氏体，随着钢中合金 元素的变化，马氏体的形貌发生一定变化． 低碳低铝 的钢中马氏体更多表现出板条形貌，随着钢中碳含量 的增加，针状马氏体结构逐形成; 而 0. 20C5Mn4Al 成 分下，由于铝含量的增加，马氏体形貌表现与前者的明 显不同． 从对应成分的 Ms 和 Mεs 温度的计算结果来 看，Ms 温度范围大部分在 500 ～ 600 K 左右，Mεs 温度 范围在 350 ～ 500 K 左右，两者差距相对不大，虽然马 氏体的形貌有所不同，但是大部分应以 α 马氏体为 主． 实际马氏体的形成和转变还与保温温度、固溶和 配分状态、冷却速率、冷却介质等多种因素有关． 更准 确的马氏体种类判断需要更多的高铝 Fe--Mn--Al--C 合 金体系热力学数据的补充． 综上可以看出，基于 Thermo--Calc 热力学计算软 · 886 ·
张明达等：基于Thermo--Calc的中锰中铝Fe-Mn一Al-C低密度钢类Schaeffler相图绘制与评估 ·689· a 24-dm-5 图10几种不同成分Fe-Mn-A-C钢中马氏体形貌的差别.(a)0.05C5Mn3Al:(b)0.20C5Mn3Al:(c)0.20C5Mn4A Fig.10 Morphology of martensite in several Fe-Mn-Al-C steels with different compositions:(a)0.05C5Mn3Al:(b)0.20C5Mn3Al:(c) 0.20C5 Mn4Al 件和TCFE7数据库绘制的类Schaeffler相图可以用于 518(7537):77 中锰（质量分数约2%~8%）中铝（质量分数约0~ B]Rana R,Liu C,Ray R K.Low-density low-earbon Fe-Al ferritic 5%)合金体系低密度钢铁材料的设计和参考. steels.Seripta Mater,2013,68(6):354 [4]Park S J,Hwang B,Lee K H,et al.Microstructure and tensile 5结论 behavior of duplex low-density steel containing 5mass%alumin- ium.Scripta Mater,2013,68(6):365 (1)在Thermo--Calc和TCFE7数据库对大量热 [5]Dobrzanski L A,Borek W.Mechanical properties and microstruc- 力学平衡态数据的计算和统计基础上，针对中锰中铝 ture of high-manganese TWIP,TRIP and TRIPLEX type steels.J 含量的类Schaeffler相图通过平移和修正的方法绘制. Achier Mater Manuf Eng,2012,55(2):230 对比和观察类Schaeffler相图可以看出温度和碳、锰合 6 Kim H,Suh D W,Kim N J.Fe-Al-Mn-C lightweight structural 金元素对奥氏体形成有明显的促进作用，铝明显促进 alloys:a review on the microstructures and mechanical properties Sci Technol Ade Mater,2013,14(1):014205 铁素体的形成 [7]Yang F Q,Song R B,Sun T,et al.Microstructure and mechani- (2)对于中锰中铝合金体系，钢中奥氏体从高温 cal properties of Fe-Mn-Al light-weight high strength steel.Acta 冷却时绝大部分转变为马氏体.马氏体的种类随着 Metall Sin,2014,50(8):897 合金成分、冷却方式等因素的不同而有差异，更准确 (杨富强，宋仁伯，孙挺，等.Fe一Mn一Al轻质高强钢组织和 的Ms和Mεs温度公式有利于马氏体种类和数量的 力学性能研究.金属学报，2014,50(8)：897) 评估. 8] Qin X M,Chen L Q,Di HS,et al.Effect of deformation temper- (3)已有相比例数据和相形貌数据验证了类 ature on tensile deformation mechanism of Fe-23Mn-2Al-0.2C Schaeffler相图较好准确性，表明类Schaeffler相图的潜 TWIP steel.Acta Metall Sin,2011,47(9)1117 (秦小梅，陈礼清，邸洪双，等.变形温度对Fe-23Mn-2Al一 在工程应用价值. 0.2CTWP钢变形机制的影响.金属学报，2011,47(9)： 1117) 参考文献 9]Chen S R,Davies H A,Rainforth W M.Austenite phase forma- Suh D W,Kim N J.Low-tlensity steels.Seripta Mater,2013,68 tion in rapidly solidified Fe-Cr-Mn-C steels.Acta Mater,1999, (6):337 47(18):4555 2]Kim S H,Kim H,Kim N J.Brittle intermetallic compound makes [1o]de Lima M S F,Sankare S Microstructure and mechanical behav- ultrastrong low-density steel with large ductility.Nature,2015, ior of laser additive manufactured AISI 316 stainless steel string-
张明达等: 基于 Thermo--Calc 的中锰中铝 Fe--Mn--Al--C 低密度钢类 Schaeffler 相图绘制与评估 图 10 几种不同成分 Fe--Mn--Al--C 钢中马氏体形貌的差别． ( a) 0. 05C5Mn3Al; ( b) 0. 20C5Mn3Al; ( c) 0. 20C5Mn4Al Fig． 10 Morphology of martensite in several Fe--Mn--Al--C steels with different compositions: ( a) 0. 05C5Mn3Al; ( b) 0. 20C5Mn3Al; ( c) 0. 20C5Mn4Al 件和 TCFE 7 数据库绘制的类 Schaeffler 相图可以用于 中锰( 质量分数约 2% ～ 8% ) 中铝( 质量分数约 0 ～ 5% ) 合金体系低密度钢铁材料的设计和参考． 5 结论 ( 1) 在 Thermo--Calc 和 TCFE 7 数据库对大量热 力学平衡态数据的计算和统计基础上，针对中锰中铝 含量的类 Schaeffler 相图通过平移和修正的方法绘制． 对比和观察类 Schaeffler 相图可以看出温度和碳、锰合 金元素对奥氏体形成有明显的促进作用，铝明显促进 铁素体的形成． ( 2) 对于中锰中铝合金体系，钢中奥氏体从高温 冷却时绝大部分转变为马氏体． 马氏体的种类随着 合金成分、冷却方式等因素的不同而有差异，更准确 的 Ms 和 Mεs 温度公式有利于马氏体种类和数量的 评估． ( 3) 已有相比例数据和相形貌数据验证了类 Schaeffler 相图较好准确性，表明类 Schaeffler 相图的潜 在工程应用价值． 参 考 文 献 ［1］ Suh D W，Kim N J． Low-density steels． Scripta Mater，2013，68 ( 6) : 337 ［2］ Kim S H，Kim H，Kim N J． Brittle intermetallic compound makes ultrastrong low-density steel with large ductility． Nature，2015， 518( 7537) : 77 ［3］ Ｒana Ｒ，Liu C，Ｒay Ｒ K． Low-density low-carbon Fe--Al ferritic steels． Scripta Mater，2013，68( 6) : 354 ［4］ Park S J，Hwang B，Lee K H，et al． Microstructure and tensile behavior of duplex low-density steel containing 5mass% aluminium． Scripta Mater，2013，68( 6) : 365 ［5］ Dobrzański L A，Borek W． Mechanical properties and microstructure of high-manganese TWIP，TＲIP and TＲIPLEX type steels． J Achiev Mater Manuf Eng，2012，55( 2) : 230 ［6］ Kim H，Suh D W，Kim N J． Fe--Al--Mn--C lightweight structural alloys: a review on the microstructures and mechanical properties． Sci Technol Adv Mater，2013，14( 1) : 014205 ［7］ Yang F Q，Song Ｒ B，Sun T，et al． Microstructure and mechanical properties of Fe--Mn--Al light-weight high strength steel． Acta Metall Sin，2014，50( 8) : 897 ( 杨富强，宋仁伯，孙挺，等． Fe--Mn--Al 轻质高强钢组织和 力学性能研究． 金属学报，2014，50( 8) : 897) ［8］ Qin X M，Chen L Q，Di H S，et al． Effect of deformation temperature on tensile deformation mechanism of Fe--23Mn--2Al--0. 2C TWIP steel． Acta Metall Sin，2011，47( 9) : 1117 ( 秦小梅，陈礼清，邸洪双，等． 变形温度对 Fe--23Mn--2Al-- 0. 2C TWIP 钢变 形 机 制 的 影 响． 金 属 学 报，2011，47 ( 9 ) : 1117) ［9］ Chen S Ｒ，Davies H A，Ｒainforth W M． Austenite phase formation in rapidly solidified Fe--Cr--Mn--C steels． Acta Mater，1999， 47( 18) : 4555 ［10］ de Lima M S F，Sankaré S Microstructure and mechanical behavior of laser additive manufactured AISI 316 stainless steel string- · 986 ·
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