FeAlSi三元扩散偶中合金元素扩散行为的动力学计算

M
k
=
Dk RT
式中 k 代表 Fe、A l、S i组元。 这样每相中的 3个迁移率可被认为 是 3 ∀ 3
矩阵中的对角线元素, 而后根据迁移率矩阵和热 力学因子的乘积关系可计算多元扩散问题 [ 4] 。
2 实验过程 实验采用 99. 99 w %t 的纯铁和 A l 12. 6 w %t
S i合金制备扩散偶, 经真空电弧炉熔炼后封入压 力低于 10- 3 P a的石英管中, 在箱式炉中以 1 000 ! 均匀化退火 7天, 退火后的试样经 SEM 检测后
毋庸置疑, 以上提及的优化设计必须要有准
基金项目: 国家自然科学基金 ( 50971137, 50934011) 作者简介: 何燕霖, 副教授, 上海大学材料学院, Em ai:l ylhe@ staf.f shu. edu. cn
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上海金属
第 32 卷
确的热力学与动力学参数做支撑。因此, 本研究
Ab stract D iffusion couples o f F e 6. 8% A l 1. 0% Si /Fe and F e 6. 3% A l 0. 9% S i/F e w ere prepared and annealed for 3 h at 1 050 ! and 64 h at 1 000 ! respect ively. The concentrat ion pro files of F e, A l and Si atom s in these couples w ere m easured by EPMA. A ided by Therm o Ca lc& DICTRA so ftw are package, also the concentration prof iles of Fe, A l and S i in established d iffusion coup les w ere ca lculated by m ov ing boundary m ode l coupling therm odynam ic and k inet ic properties of Fe A l S i sys tem. The sim ulation resu lts w ere in good agreem ent w ith the m easured concentration pro files, wh ich showed the va lidity of therm odynam ic and kinetic param eters of Fe A l S i system. It could prov ide the param eters for sim ulation of the m icrostructura l evo lution behav ior of relevant alloy system.
认为成分分布均匀, 而后加工成 2. 5 mm ∀ 5 mm
∀ 5 mm 的棒状试样。
扩散偶分两组, 在热压烧结炉 (W 100 /150- 2200 - 50 LAX FCT system ) 中 进行: 一 组由 F e 6. 8%
A l 1. 0% S和i 纯 Fe 棒状 试样端部 镜面抛光 后组
关键词 F e A l S i体系 扩散偶 T herm o C alc & D ICTRA软件
K INETIC CALCULATION ON ATOM IC D IFFU SION BEHAV IOR IN Fe A l Si TERNARY D IFFU SION COUPLES
H e Y anlin H e Zhongp ing L i L in ( Schoo l o fM aterials Sc ience and Eng ineering, Shangha i University)
纯铁的 fcc( ) 相, 经过 / 界面的组元流量可根 据质量守恒定律由通量平衡方程加以计算 [ 6] :
Ck - Ck = Jk - Jk k = 1, 2, # #, n
式中 、 是界面 迁移率, Ck、Ck 是在相界
面附近 和 中某一组元 k 的浓度。 Jk 或 Jk 依
赖于体系中所有组元的浓度梯度, 由 F ick Onsager 定律表达 [ 4] :
Key W ord s F e A l S i System, D iffusion Couples, T herm o Ca lc& DICTRA So ftw are
相 变 诱 发 塑 性 钢 ( T ransform ation Induced P last icity stee,l TR IP 钢 ) 由于其价格低廉、兼具高 强度和高塑性, 被国际汽车业公认为是新一代最 佳的汽车用钢。但传统 TR IP 钢中高硅含量的成 分特点会使其产生许多缺陷, 如坚硬的氧化层、差 的表面性能和低的涂复能力, 因而利用其它合金 元素替代 S i同时不影响其性能已成为研究热点。 迄今为止, 铝被认为是最佳的替代元素, 但铝在 TR IP 处理期间组织演变过程中的复杂作用机理 目前尚不清楚 [ 1- 2] 。
可以看到, 各组元在奥氏体相中的扩散系数 均小于在铁素体中的扩散系数, 这势必造成元素 在铁素体相中的扩散通量大于奥氏体相, 从而使 M atano面移向奥氏体相一侧。而在 Fe 6. 8% A l 1. 0% S i/F e扩散偶中未观察到此现象, 应该是和 保温时间仅 3 h、相界面迁移不明显有关。
1 计算模型
采用 D ICTRA中的移动界面模型来模拟扩散
偶中的浓度分布, 该模型基于移动相界局部区域 平衡的假设 [ 5] , 即假设在相界面处奥氏体和铁素
体中的成分在扩散过程中的每一时刻均达到热力
学平衡, 这样各相中组元浓度便可通过热力学数
据来估算, 如果研究温度为 1 000 ! , 扩散偶一端 是 F e A l S i三元系形成的 bcc( ) 相, 而另一端是
成, 该扩散偶在 2. 5 MP a低压下 1 050 ! 退火 3
h; 另一组由 F e 6. 3% A l 0. 9% Si和纯 Fe棒状试 样端部镜面抛光后组成, 该扩散偶在 2. 5 MP a低
压下 1 000 ! 退火 64 h。
经退火后扩散偶 中奥氏体 相中 Fe、A l和 S i 的成分分布由 EPMA( Jeo l 733 M icroprobe 20 kV )
Jk
=
-
来自百度文库! D n- 1 n
j= 1 kj
cj
式中 n是组元的数量并被定义为具有相关性,
D nkj是扩散系数矩阵, cj 是组元 j的浓度梯度。
由此可进行 3部分计算, 分别是平衡计算、通
量方程求解和扩散方程求解, DICTRA 程序带有 3
个相关的计算模块, 可从数据库中分别提取热力
学和动力学数据来解扩散方程, 从而在没有试验 数据或外加参数的条件下预测组元的扩散情况。
在本研究中, 热力学数据来自于 TCFE6 中 Fe A l
S i体系的热力学参 数, 各组元 在 bcc、fcc 的扩散
参数如下 [ 7] : D Fe = 7 ∀ 10- 5 exp ( - 286 000 /RT ) D Fe = 4. 60 ∀ 10- 5 exp ( - 218 000 /RT ) D Al = 3. 5 ∀ 10- 4 exp ( - 286 000 /RT ) D Al = 6. 44 ∀ 10- 5 exp ( - 215 000 /RT ) D S i = 7 ∀ 10- 6 exp ( - 243 000 /RT ) D S i = 2. 08 ∀ 10- 4 exp ( - 218 000 /RT ) 根据 E instein方程可求得迁移率,
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上海金属
第 32 卷
图 5 Fe 6. 3% A l 0. 9% Si /Fe扩散偶经 1 000 ! ∀ 64 h退火处理后 ( a) Fe、( b) A l、( c) Si的成分分布情况
众所周知, 相图是指导材料合金化设计的有 效工具。秉承加快材料熟化的设计思路, 目前国 外采用相图计算技术在新钢种开发方面已经取得 了极大的成功 [ 3- 4] 。常采用的方法是借助国际通 用的商业化计算软件如 T herm o C alc计算出任意 组元的平衡相图, 并利用其中的动力学计算程序 DICTRA 来模拟在不同热处理 条件下, 合 金元素 的扩散及相界面移动情况, 进行材料的成分设计 和工艺优化。
进行测定。图 1( a) 是 Fe 6. 8% A l 1. 0% S i/F e扩
散 偶 在 105 0! 退 火 3 h后的 横 截面 金 相 照片 ,
图 1 两组扩散偶经退火后界面区域的金相照片
第 6期
何燕霖等: Fe A l S i三元扩散偶中合金元素扩散行为的动力学计算
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图 1( b)是 Fe 6. 3% A l 0. 9% S i/F e扩散偶在 1 000 ! 退火 64 h后的横截面金相照片, 其中白色线是 界面位置。图 2显示了 Fe 6. 8% A l 1. 0% Si /Fe扩 散偶界面区域奥氏体相中的成分分布情况, 由图可
拟建立 F e A l Si /Fe扩散偶, 而后采用 EPMA 技术
对不同退火处理条件下成分分布随温度与时间的
变化情 况 进行 测 定; 同时, 采 用 Therm o Calc &
DICTRA 软件中的移动界面模型对 Fe、A l和 S i元
素在所建立扩散偶中的扩散行为进行模拟计算,
以期获得较为准确的热力学与动力学参数。
第 32卷 第 6期 2010年 11月
上 海金 属 SHANGHA IM ETALS
Vo.l 32, N o. 6 Novem ber, 2010 1
Fe A l S i三元扩散偶中合金元素扩散行为的动力学计算
何燕霖 何忠平 李 麟
( 上海大学材料科学与工程学院, 上海 200072)
摘要 建立了 Fe 6. 8% A l 1. 0% Si /Fe和 F e 6. 3% A l 0. 9% Si /Fe两组扩散偶, 分别对其 进行 1 050 ! ∀ 3 h和 1 000 ! ∀ 64 h的退火处理, 而后采用 EPMA 技术对合金元素在不同扩散 偶中的成分分布进行测定; 同时结合 F e A l S i体系的热力学与动力学性质, 采用 T herm o C alc & DICTRA 软件中的移动界面模型, 对 Fe、A l和 S i元素随温度与时间的浓度变化情况进行了模拟 计算, 计算结果与实验测定的成分分布数据吻合得较好, 从而验证了计算中所采用热力学与动 力学参数的有效性, 并可为模拟相关合金体系中相组成的演变行为提供计算依据。
见, 在离界面大约 50 ∀ 10- 5 m 处铁含量突然增加 而铝含量突然降低, 这是由于样品中遗留有抛光膏 (含铝 ) 的缘故。图 3显示了 Fe 6. 3% A l 0. 9% S i/ F e扩散偶界面区域奥氏体相中的成分分布情况。
3 结果与讨论 由图 1( b) 可以看 出, 对 F e 6. 3% A l 0. 9%
S i/ Fe扩散偶, 其 / 界面在长时间退火处理后 发生了迁移, 由处理前的位置 1向右侧 ( Fe, 奥氏 体相 )偏移变成了位置 2, 这应该是由于各合金元 素在两相中不同的扩散通量造成的。根据各组元 的扩散系数公式可做如下计算:
当 T = 1 273 K, DF e = 1. 27 ∀ 10- 16, DAl = 6. 58 ∀ 10- 16, DS i = 7. 40 ∀ 10- 16 DF e = 5. 19 ∀ 10- 14, DAl = 9. 60 ∀ 10- 14, DS i = 2. 24 ∀ 10- 13
采用 TC D ICTRA 计算在不 同保温条件下两 组扩散偶中奥氏体相的浓度分布情况, 如图 4、5 所示, 图中横坐标是 / 界面位置的距离, 纵坐 标 是各个合金元素的浓度 (重量百分数 ), 实线代
图 4 Fe 6. 8% A l 1. 0% S i/ Fe扩散偶经 1 050 ! ∀ 3 h退火处理后 ( a) F e、( b) A l、( c) S i的成分分布情况