·1016 工程科学学报，第39卷，第7期 表6采用以往文献以及最新数据计算的TW亚P钢中AN析出的热力学条件 Table6Thermodynamics conditions for precipitating AlN inclusions using data from a previous study and data from the present study T4#TWIP钢 热力学数据 采用以往文献数据 采用最新数据 △ce([Al+N=(AIN)s) -245900+107.59T -303500+134.6T fAl 2.188 1.306 人 0.475 0.490 AN热力学析出条件 1g[%A0[%N=-12842.648+5.595 g[%A0[%N=-1585092+7.24 T 以及相关热力学数据，可以得到图9所示的T4钢中 1693K(1420℃)，固相线温度T=1597K(1324℃)： AIN夹杂物析出的平衡曲线. T4钢的液相线温度Tm=1690K(1417℃)，固相线温 1800 Fe-18.21%Mn-1.59%Al-N 度Ta=1591K(1318℃). …采用以往文献数据 考虑到本文中T1~T4钢的液固相线温度略有不 ·采用最新数据 1750 1736K 同，而且各溶质元素含量也不尽相同.因此，为了准确 0.00439% 地表达出钢中AN的热力学析出条件，本文将表1所 1700 示TWP钢的化学成分和表5中最新的相互作用系数 ·0.0062% T=1690K 代入式(4)所示的Wagner多项式，分别求得T1~T4 1650 钢中对应A和N的活度系数.需要指出的是，本文在 计算A!和N活度系数时采用的元素相互作用系数均 1600 T=1591K 为其在1873K时的对应值.在此基础上，根据式(3)~ 15506 (6),分别计算并绘制出T1~T4高锰TWIP钢中A-N 0.0020.0040.0060.0080.0100.0120.014 N的质量分数/9% 平衡曲线，结果如图10所示. 图9T4*TWP钢AN夹杂的氢的质量分数与平衡析出温度的 从图10(a)中可以看出，含Al质量分数0.002% 关系曲线 的T1钢中的AN的平衡析出温度T,为1319K(1046℃)， Fig.9 Equilibrium curves of nitrogen and precipitation temperature 此温度远低于其固相线温度，A!和N含量远远小于生 in T4*TWIP steels 成AN所需的浓度.因此，从图2和图8中也可以看 出，T1钢中几乎不存在单相AIN以及含AIN的复合夹 从图9中可以明显看出，无论采用以往文献中的 杂，热力学计算和观察结果是一致的 热力学数据还是使用适合高Mn高Al钢的最新热力 在图10(b)中，T2钢中AIN的平衡析出温度T.为 学数据进行计算，AN都可以在T4钢的液相中析出. 1678K(1405℃)，此温度低于其液相线温度，这说明 但是，采用以往文献数据计算出AN的平衡析出温度 AN不能在T2钢的液相中生成.可是，随着钢液凝固 为1711K(‘A'点)，而采用最新数据的析出温度为 的进行，A和N的偏析导致的富集会使铝氮的浓度积 1736K(B'点)，此温度比采用以往文献中数据计算 不断升高，这可能使AN夹杂物在凝固过程中析出，并 高出25K.需要指出的是以往文献中的数据适用于低 在Mns(Se)-Al203局部析出形成MnS(Se)-Al2O,- 合金钢中AN的热力学计算，这表示相较于低合金钢， AIN复合夹杂，有关于AIN在TWP钢凝固过程中的 在钢中含有相同含量的A1和N元素的条件下，AN夹 析出行为将会在3.3小节中进行详细说明.Lin等网 杂在高锰TWIP钢更加容易形成.另外，在T4钢中，采 研究了含Al质量分数0.54%的Fe-Mn-C系高锰 用最新数据计算出的AN在液相中析出所需的最低 TWIP钢中（质量分数：C,0.65%:N,0.0063%:S, 氮质量分数仅为0.0043%.因此，在Fe-MnC-Al系 0.0010%:Mn,16.30%)的夹杂物，发现其主要类型 TWP钢治炼的过程中，要尽可能的降低钢中N的含 的夹杂物为MS-A,0,而本文中类似成分的0.75% 量，避免产生过量的AIN夹杂. Al的T2钢中主要夹杂物类型为MnS(Se)-AL,O,- 3.2TWP钢中AN的热力学分析 AIN,这是因为本文所炼TWIP钢中N含量（质量分数 根据Thermo--Calc热力学软件对本文成分TWIP 0.087%)偏高所致. 钢平衡相计算的结果，得到T1钢的液相线温度Tm= 另外，从图10(c)和图(d)中可以看出，T3和T4 1687K(1414℃)，固相线温度Ta=1587K(1314℃)： 钢中A1N的平衡析出温度T,为1713K(1440℃)和 T2钢的液相线温度Tm=1694K(1421℃)，固相线温 1736K(1463℃)，分别高于各自液相线温度20℃和42 度为T.=1593K(1320℃)：T3钢的液相线温度T= ℃，这说明了AN可以在T3和T4钢的液相中生成，这工程科学学报，第 39 卷，第 7 期 表 6 采用以往文献以及最新数据计算的 TWIP 钢中 AlN 析出的热力学条件 Table 6 Thermodynamics conditions for precipitating AlN inclusions using data from a previous study and data from the present study 热力学数据 T4# TWIP 钢 采用以往文献数据 采用最新数据 ΔG( ［Al］+［N］= ( AlN) s) － 245900 + 107. 59T － 303500 + 134. 6T fAl 2. 188 1. 306 fN 0. 475 0. 490 AlN 热力学析出条件 lg［% Al］［% N］= － 12842. 648 T + 5. 595 lg［% Al］［% N］= － 15850. 92 T + 7. 224 以及相关热力学数据，可以得到图 9 所示的 T4 钢中 AlN 夹杂物析出的平衡曲线． 图 9 T4#TWIP 钢 AlN 夹杂的氮的质量分数与平衡析出温度的 关系曲线 Fig． 9 Equilibrium curves of nitrogen and precipitation temperature in T4# TWIP steels 从图 9 中可以明显看出，无论采用以往文献中的 热力学数据还是使用适合高 Mn 高 Al 钢的最新热力 学数据进行计算，AlN 都可以在 T4 钢的液相中析出． 但是，采用以往文献数据计算出 AlN 的平衡析出温度 为 1711 K( ‘A’点) ，而采用最新数据的析出温度为 1736 K( ‘B’点) ，此温度比采用以往文献中数据计算 高出 25 K． 需要指出的是以往文献中的数据适用于低 合金钢中 AlN 的热力学计算，这表示相较于低合金钢， 在钢中含有相同含量的 Al 和 N 元素的条件下，AlN 夹 杂在高锰 TWIP 钢更加容易形成． 另外，在 T4 钢中，采 用最新数据计算出的 AlN 在液相中析出所需的最低 氮质量分数仅为 0. 0043% ． 因此，在 Fe--Mn--C--Al 系 TWIP 钢冶炼的过程中，要尽可能的降低钢中 N 的含 量，避免产生过量的 AlN 夹杂． 3. 2 TWIP 钢中 AlN 的热力学分析 根据 Thermo--Calc 热力学软件对本文成分 TWIP 钢平衡相计算的结果，得到 T1 钢的液相线温度 Tliq = 1687 K( 1414 ℃ ) ，固相线温度 Tsol = 1587 K( 1314 ℃ ) ; T2 钢的液相线温度 Tliq = 1694 K( 1421 ℃ ) ，固相线温 度为 Tsol = 1593 K( 1320 ℃ ) ; T3 钢的液相线温度 Tliq = 1693 K( 1420 ℃ ) ，固相线温度 Tsol = 1597 K( 1324 ℃ ) ; T4 钢的液相线温度 Tliq = 1690 K( 1417 ℃ ) ，固相线温 度 Tsol = 1591 K( 1318 ℃ ) ． 考虑到本文中 T1 ～ T4 钢的液固相线温度略有不 同，而且各溶质元素含量也不尽相同． 因此，为了准确 地表达出钢中 AlN 的热力学析出条件，本文将表 1 所 示 TWIP 钢的化学成分和表 5 中最新的相互作用系数 代入式( 4) 所示的 Wagner 多项式，分别求得 T1 ～ T4 钢中对应 Al 和 N 的活度系数． 需要指出的是，本文在 计算 Al 和 N 活度系数时采用的元素相互作用系数均 为其在 1873 K 时的对应值． 在此基础上，根据式( 3) ～ ( 6) ，分别计算并绘制出 T1 ～ T4 高锰 TWIP 钢中 Al--N 平衡曲线，结果如图 10 所示． 从图 10( a) 中可以看出，含 Al 质量分数 0. 002% 的 T1 钢中的 AlN 的平衡析出温度 Tp为1319 K( 1046 ℃) ， 此温度远低于其固相线温度，Al 和 N 含量远远小于生 成 AlN 所需的浓度． 因此，从图 2 和图 8 中也可以看 出，T1 钢中几乎不存在单相 AlN 以及含 AlN 的复合夹 杂，热力学计算和观察结果是一致的． 在图 10( b) 中，T2 钢中 AlN 的平衡析出温度 Tp为 1678 K( 1405 ℃ ) ，此温度低于其液相线温度，这说明 AlN 不能在 T2 钢的液相中生成． 可是，随着钢液凝固 的进行，Al 和 N 的偏析导致的富集会使铝氮的浓度积 不断升高，这可能使 AlN 夹杂物在凝固过程中析出，并 在 MnS( Se) --Al2 O3 局部 析 出 形 成 MnS ( Se) --Al2 O3 -- AlN 复合夹杂，有关于 AlN 在 TWIP 钢凝固过程中的 析出行为将会在 3. 3 小节中进行详细说明． Lin 等［10］ 研究了 含 Al 质 量 分 数 0. 54% 的 Fe--Mn--C 系 高 锰 TWIP 钢中( 质量分数: C，0. 65% ; N，0. 0063% ; S， 0. 0010% ; Mn，16. 30% ) 的夹杂物，发现其主要类型 的夹杂物为 MnS--Al2O3，而本文中类似成分的 0. 75% Al 的 T2 钢中主要夹杂物类型为 MnS ( Se) --Al2 O3 -- AlN，这是因为本文所炼 TWIP 钢中 N 含量( 质量分数 0. 087% ) 偏高所致． 另外，从图 10( c) 和图( d) 中可以看出，T3 和 T4 钢中 AlN 的平衡 析 出 温 度 Tp 为 1713 K( 1440 ℃ ) 和 1736 K( 1463 ℃ ) ，分别高于各自液相线温度 20 ℃和 42 ℃，这说明了 AlN 可以在 T3 和 T4 钢的液相中生成，这 · 6101 ·