刘洪波等：铝含量对TWP钢中夹杂物特征及AN析出行为的影响 1017· 002 0.020 a 1587K(固相线温度) (b) 一1593K(固相线温度) 一1687K(液相线温度) 一1694K(液相线温度) 0.015 ---1319K(平衡析出温度) --1736K(平衡析出温度) 0.015 T1钢：A1的质量分数为0.002% T2钢：A1的质量分数为0.75% AN析出 AIN析出 0.010-C1 0.010 7=1319k T=1687K C2、 0.005 11046℃) Tm=1694K 0.005 T=1678K 无AIN T-1587K 无AIN (14050 T.=1593 K 0 0 0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0 0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0 A1的质量分数/% 1的质量分数/% 0.020 0.020 c …1597K(固相线温度) m一1593K(周相线温度) 一1693K(液相线温度) 1694K(液相线温度) ---1713K平衡析出温度) ---1736K(平衡析出温度) 0.015 T3钢：A的质量分数为1.07% 0.015 ,T4钢：A1的质量分数为1.59% AIN析出 AIN析出 T1736K 0.010 、C3T=1713K 0.010 、1463℃ ↑/1440℃) 、4 0.005 0.005 T=1694K T=1694K 无AIN T=1593K 无AIN =1593K 06020.40.6081.012141.61.82.0 0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0 A的质量分数/% A1的质量分数/% 图10T1~T4TWIP钢中A-N平衡曲线.(a)T1钢：(b)T2钢：(c)T3钢：(d)T4钢 Fig.10 Equilibrium curves of aluminum and nitrogen in TI-T4 TWIP steels:(a)Tl steel:(b)T2 steel;(c)T3 steel:(d)T4 steel 与以往文献B1-中报道的一些含AI钢中AIN夹杂物 质量分数为： 在凝固前沿或固相中析出不同，主要是因为Fe-Mn-C [%A=[%A]。×(1-g.)- (7) (-A)系TWIP钢具有较低的液相线温度（约为 [%N]=[%门。/k、+(1-kx)·(1-g)].(8) 1421℃)和较高的A1含量.在含A1质量分数1.07% 式中：[%A]和[%N门是在凝固过程中液相中Al和N 的T3钢中，单相AIN开始形成，在液相中生成的AN 元素的实际质量分数：[%A]。和[%N。分别为钢液 夹杂经不断长大后在MnS(Se)夹杂表面局部析出形 初始A和N元素的质量分数；g。表示凝固率；分配系 成Mns(Se)-AlN复合夹杂，这与图5的观察结果是一 数ku=0.6B阅，k、=0.27B圆 致的.在T4钢中，由于钢中较高的A1质量分数 定义A!和N元素在凝固过程中的实际浓度积为 (~1.59%),导致AN的平衡析出温度比液相线温度 Q,QA=[S%A]×[%N],在钢液的凝固过程中 高出42℃.这说明AN夹杂可以在T4钢治炼的过程 Q会随着A1和N浓度的升高而升高.因此，在凝固 中较早的开始析出，这也是图6(b)中团簇状AIN形成 过程中AN形成的驱动力越大，表示AIN在此时越容 的主要原因.同时，在液相中形成的AN可以作为异 易生成四.当T1和T2钢凝固前沿液相中Q的值大 质核心与Mns(Se)夹杂形成MnS(Se)-AlN复合夹杂 于该温度下的平衡浓度积Ew时，AIN就可以在凝固 (图6(c)~()),直接导致了单相的AN和 前沿的残余液相中析出.结合式(2)~(4)和3.1节中 MnS(Se)-AlN复合夹杂的数量在T4钢中所占比例高 的相关热力学参数可计算得到T1和T2钢中Al和N 达66.4% 的平衡浓度积E:凝固前沿温度T与凝固率g。的关 3.3AIN在TWP钢凝固过程中的析出行为分析 系式可用下式表示： 由图10(a)和图(b)可知，随着温度的降低，生成 A1N所需的A1和N含量也不断下降.T1和T2钢的平 T=T-- T.-T (9) T-T. 衡析出温度低于其液相线温度，但是，随着钢凝固过程 1-8.T。-T 的进行，钢液的溶质元素会在凝固前沿的液相中不断 式中：T为凝固前沿液相温度，K;T。为纯铁的熔点 富集，从而使A和N的浓度积不断升高，这可能使 (1811K):T为钢的液相线温度：T,为钢的固相线温 AN夹杂物在TWP钢的凝固过程中析出.根据文献 度.结合式(7)~(9)可得到T1和T2高锰TWP钢中 D1]的偏析方程，得到在凝固过程中A1和N的实际 AN在凝固前沿的析出条件，结果如图11所示.刘洪波等: 铝含量对 TWIP 钢中夹杂物特征及 AlN 析出行为的影响 图 10 T1 ～ T4 TWIP 钢中 Al--N 平衡曲线 . ( a) T1 钢; ( b) T2 钢; ( c) T3 钢; ( d) T4 钢 Fig． 10 Equilibrium curves of aluminum and nitrogen in T1--T4 TWIP steels: ( a) T1 steel; ( b) T2 steel; ( c) T3 steel; ( d) T4 steel 与以往文献［31--32］中报道的一些含 Al 钢中 AlN 夹杂物 在凝固前沿或固相中析出不同，主要是因为 Fe--Mn--C ( --Al) 系 TWIP 钢 具 有 较 低 的 液 相 线 温 度 ( 约 为 1421 ℃ ) 和较高的 Al 含量． 在含 Al 质量分数 1. 07% 的 T3 钢中，单相 AlN 开始形成，在液相中生成的 AlN 夹杂经不断长大后在 MnS( Se) 夹杂表面局部析出形 成 MnS( Se) --AlN 复合夹杂，这与图 5 的观察结果是一 致的． 在 T4 钢 中，由 于 钢 中 较 高 的 Al 质 量 分 数 ( ～ 1. 59% ) ，导致 AlN 的平衡析出温度比液相线温度 高出 42 ℃ ． 这说明 AlN 夹杂可以在 T4 钢冶炼的过程 中较早的开始析出，这也是图 6( b) 中团簇状 AlN 形成 的主要原因． 同时，在液相中形成的 AlN 可以作为异 质核心与 MnS( Se) 夹杂形成 MnS( Se) --AlN 复合夹杂 ( 图 6 ( c ) ～ ( f ) ) ，直 接 导 致 了 单 相 的 AlN 和 MnS( Se) --AlN 复合夹杂的数量在 T4 钢中所占比例高 达 66. 4% ． 3. 3 AlN 在 TWIP 钢凝固过程中的析出行为分析 由图 10( a) 和图( b) 可知，随着温度的降低，生成 AlN 所需的 Al 和 N 含量也不断下降． T1 和 T2 钢的平 衡析出温度低于其液相线温度，但是，随着钢凝固过程 的进行，钢液的溶质元素会在凝固前沿的液相中不断 富集，从而使 Al 和 N 的浓度积不断升高，这可能使 AlN 夹杂物在 TWIP 钢的凝固过程中析出． 根据文献 ［11］的偏析方程，得到在凝固过程中 Al 和 N 的实际 质量分数为: ［% Al］=［% Al］0 × ( 1 － gs) kAl － 1. ( 7) ［% N］=［% N］0 /［kN + ( 1 － kN )·( 1 － gs ) ］. ( 8) 式中: ［% Al］和［% N］是在凝固过程中液相中 Al 和 N 元素的实际质量分数; ［% Al］0和［% N］0分别为钢液 初始 Al 和 N 元素的质量分数; gs 表示凝固率; 分配系 数 kAl = 0. 6［33］，kN = 0. 27［33］． 定义 Al 和 N 元素在凝固过程中的实际浓度积为 QAlN，QAlN = ［% Al］× ［% N］，在钢 液 的 凝 固 过 程 中 QAlN会随着 Al 和 N 浓度的升高而升高． 因此，在凝固 过程中 AlN 形成的驱动力越大，表示 AlN 在此时越容 易生成［23］． 当 T1 和 T2 钢凝固前沿液相中 QAlN的值大 于该温度下的平衡浓度积 EAlN时，AlN 就可以在凝固 前沿的残余液相中析出． 结合式( 2) ～ ( 4) 和3. 1 节中 的相关热力学参数可计算得到 T1 和 T2 钢中 Al 和 N 的平衡浓度积 EAlN ; 凝固前沿温度 T 与凝固率 gs 的关 系式［34］可用下式表示: T = Tm － Tm － Tl 1 － gs Tl － Ts Tm － Ts ． ( 9) 式中: T 为凝固前沿液相温度，K; Tm 为纯 铁 的 熔 点 ( 1811 K) ; Tl 为钢的液相线温度; Ts 为钢的固相线温 度． 结合式( 7) ～ ( 9) 可得到 T1 和 T2 高锰 TWIP 钢中 AlN 在凝固前沿的析出条件，结果如图 11 所示． · 7101 ·