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 ·