[发明专利]一种奥氏体Fe-Mn-Al-C轻质合金钢的成分优化设计方法

说明书

本发明公开了一种奥氏体Fe‑Mn‑Al‑C轻质合金钢的成分优化设计方法，涉及金属材料技术领域，包括S1、制定典型化学成分；S2、热力学及相图计算；S3、绘制析出温度与计算SFE对应关系图；S4、优化合金的化学成分；S5、化学成分及实验检测；以奥氏体Fe‑Mn‑Al‑C轻质合金钢所限定的化学成分范围为基础，制定出合金钢典型化学成分，并选用Olson‑Cohen热力学模型计算出上述典型合金钢的层错能SFE，并对各化学成分进行优化，通过该方法，可预测材料的变形机制，控制κ‑C碳化物生成的含量和析出温度，实现κ‑C碳化物对奥氏体轻质钢的强化作用，为合金的设计及生产提供理论依据。

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，具体是涉及一种奥氏体Fe-Mn-Al-C轻质合金钢的成分优化设计方法。

背景技术

奥氏体(Austenite)是钢铁的一种层片状的显微组织，通常是γ-Fe中固溶少量碳的无磁性固溶体，也称为沃斯田铁或γ-Fe。奥氏体的名称是来自英国的冶金学家罗伯茨·奥斯汀。

奥氏体一般由等轴状的多边形晶粒组成，晶粒内有孪晶。在加热转变刚刚结束时的奥氏体晶粒比较细小，晶粒边界呈不规则的弧形。经过一段时间加热或保温，晶粒将长大，晶粒边界可趋向平直化。铁碳相图中奥氏体是高温相，存在于临界点A1温度以上，是珠光体逆共析转变而成。当钢中加入足够多的扩大奥氏体相区的化学元素时，Ni、Mn等，则可使奥氏体稳定在室温，如奥氏体钢。

奥氏体为面心立方结构，碳氮等间隙原子均位于奥氏体晶胞八面体间隙中心，及面心立方晶胞的中心和棱边的中点。假如每一个八面体的中心各容纳一个碳原子，则碳的最大溶解度应为50％(摩尔分数)，相当于质量分数约20％。实际上碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11％(质量分数)，这是由于γ-Fe的八面体间隙的半径仅为0.052nm，比碳原子的半径0.086nm小。碳原子溶入将使八面体发生较大的膨胀，产生畸变，溶入越多，畸变越大，晶格将不稳定，因此不是所有的八面体间隙中心都能溶入一个碳原子，溶解度是有限的。碳原子溶入奥氏体中，使奥氏体晶格点阵发生均匀对等的膨胀，点阵常数随着碳含量的增加而增大。大多数合金元素如Mn、Cr、Ni、Co、Si等，在γ-Fe中取代Fe原子的位置而形成置换固溶体。替换原子在奥氏体中的溶解度各不相同，有的可无限溶解，有的溶解度甚微。少数元素，如硼仅存在于浸提缺陷处，如晶界、位错等。

Fe-Mn-Al-C钢密度为6.5～7.0g/cm3，强塑积30～60GPa·％，不仅具有低密度，还能同时拥有高强钢良好的强度和延展性。据悉，当汽车钢材料的密度降低10％时，就可显著提高其在汽车工业中的应用和竞争力，是目前认为最具有潜力的汽车轻量化材料。

由于Al元素是降低Fe-Mn-Al-C轻质钢密度最主要的元素，但其却为α相稳定元素，Al元素大量的添加会影响到奥氏体γ相的稳定性，可合金表现出的高延性、高强度和高的应变硬化率却主要依赖于奥氏体γ相的稳定性。因此，通过配制相应Al含量下更优的Mn、C合金配方，开发一种奥氏体Fe-Mn-Al-C轻质合金钢的成分优化设计方法尤为重要。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种奥氏体Fe-Mn-Al-C轻质合金钢的成分优化设计方法。

本发明的技术方案是：一种奥氏体Fe-Mn-Al-C轻质合金钢的成分优化设计方法，包括以下步骤：

S1：制定典型化学成分

以奥氏体Fe-Mn-Al-C轻质合金钢所限定的化学成分范围为基础，制定出相应Al含量对应不同含量的Mn、C合金钢典型化学成分；

S2：热力学及相图计算