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【新刊速览】曹磊:Fe-Mn-Al-C低密度钢中AlN夹杂物的聚集与吞噬行为

时间:2024-04-18 来源: 浏览:

【新刊速览】曹磊:Fe-Mn-Al-C低密度钢中AlN夹杂物的聚集与吞噬行为

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Fe-Mn-Al-C低密度钢中AlN夹杂物的聚集与吞噬行为

曹磊 1 ,郭宇航 1 ,王国承 1,2 ,魏建峰 3 ,鹿超超 3

(1.辽宁科技大学材料与冶金学院, 辽宁鞍山 114051; 2.辽宁省高校冶金工程重点实验室, 辽宁鞍山 114051;3.山东钢铁股份有限公司莱芜分公司, 山东莱芜 271104)

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摘 要

Fe - Mn - Al - C 低密度钢中聚集长大的 AlN 夹杂物对钢质量有严重影响。通过高温共聚焦激光扫描显微镜结合场发射扫描电子显微镜对 Fe - Mn - Al - C 低密度钢液态及凝固过程中 AlN 夹杂物演变行为进行原位观察。发现 AlN 夹杂物在液态钢中发生聚集现象,形成尺寸较大的多颗粒聚集型 AlN 夹杂物;在随后的降温凝固过程中聚集型 AlN 夹杂向液 - 固界面靠近并被液 - 固界面前沿推动;随着液相量的减少,聚集型 AlN 夹杂物最终被固相吞噬。为了明晰聚集机理,由于观察的大部分单颗粒 AlN 半径为 1 10  μ m ,通过受力分析计算了钢液中半径为 1 10  μ m AlN 夹杂物的黏性阻力和夹杂物之间的腔桥力大小。发现腔桥力远大于黏性阻力,腔桥力是导致 AlN 夹杂物聚集的主要作用力。基于腔桥力理论进一步分析了腔桥形成的总自由能变化,以 2 个半径均为 μ m 的单颗粒 AlN 夹杂物为例,计算了腔桥形成的总自由能变化,发现 2 AlN 夹杂物之间形成稳定腔桥的临界距离 d c    1.5  μ ;当 2 AlN 夹杂物之间的距离 d 大于   d c 时, AlN 夹杂聚集过程的总自由能变化大于 0 ,不会形成稳定腔桥;当 d   小于   d c 时,聚集过程的总自由能变化小于 0 AlN 夹杂物之间可以形成稳定的腔桥从而发生聚集。试验观察和液 - 固界面处夹杂物受力平衡计算发现,范德瓦尔斯力对凝固过程中的 AlN 夹杂物运动起到关键的作用。 AlN 夹杂物先被液 - 固界面前沿推动,随着温度降低和液相量减少, AlN 夹杂物最终被固相捕捉并吞噬。

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关 键 词

F e - Mn - Al - C 低密度钢;  AlN 夹杂物;   聚集;   腔桥;   自由能变化;   临界距离

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引 言

在全球“碳达峰”和“碳中和”的背景下,汽车的轻型化已成为世界汽车发展的关键方向。Fe-Mn-Al-C低密度钢因具有良好的耐磨性、高强度、高塑性、较高的疲劳强度和较好的冲击性能已经广泛应用于航空航天、汽车、船舶、机械制造等领域。Fe-Mn-Al-C低密度钢中每增加1%铝(质量分数),密度会降低1.3%,质量减轻7%~18%。同时,钢中含有中等水平的锰可以使钢在冷却过程中保持奥氏体,提高钢材的变形能力。然而,夹杂物的存在对服役过程中的Fe-Mn-Al-C低密度钢会产生致命的危害。AlN夹杂物作为Fe-Mn-Al-C低密度钢中的典型夹杂物是在冶炼过程中铝与氮元素发生反应生成的。研究发现,即使将钢中的氮质量分数控制为0.001 0%以下,高铝条件下仍无法避免AlN夹杂物的生成。AlN夹杂物属于脆硬型夹杂物,大多数呈多边形,其线膨胀系数低于钢基体,导致AlN夹杂物角部应力集中,严重影响Fe-Mn-Al-C钢的力学性能。
目前,高温共聚焦激光扫描显微镜(HT-CLSM,high temperature confocal laser scanning microscope)已被广泛应用于钢在高温状态下的观察,如夹杂物在钢液表面的聚集、液-固界面前沿夹杂物的推动和吞噬行为、钢凝固过程中的相变等。研究表明,聚集粒子的形成可能是通过静电相互作用力、毛细管作用力、范德瓦尔斯力以及未润湿的表面之间自发形成的腔桥力的作用造成的。 SASAI K和作者的早期工作分别证明了Al 2 O 3 、MgAl 2 O 4 夹杂物在聚集过程中腔桥力远大于范德瓦尔斯力和毛细管作用力。 TIAN Q等研究发现,多颗粒聚集的TiN夹杂物的形成过程可分为单颗粒TiN夹杂物相互靠近形成腔桥力作用、局部活性角烧结和颈部区烧结3个阶段。WANG W等认为AlN夹杂物在腔桥力的作用下会发生聚集。YIN H等研究发现,由于夹杂物与钢液的润湿性较差,当夹杂物位于液-固界面前沿时,固相钢可以将夹杂物吞噬。 KIMURA S等研究发现,液-固界面的前进速度在接近夹杂物时首先增加,但在吞噬过程中会出现停滞,之后再次增加。目前,夹杂物在钢液表面的聚集和吞噬行为已有广泛研究,但对Fe-Mn-Al-C低密度钢中AlN夹杂物的聚集和吞噬行为的研究还很少。
本文通过HT-CLSM原位观察了Fe-Mn-Al-C低密度钢中AlN夹杂物的聚集和吞噬行为。基于钢液中AlN夹杂物的受力分析计算和阐明了AlN夹杂物的聚集机理;基于腔桥力理论,通过计算聚集过程总自由能变化进一步确定AlN夹杂物之间形成稳定腔桥的临界距离;最后,通过受力平衡分析了AlN夹杂物在液-固界面的运动行为。研究结果为明晰AlN夹杂物聚集机理和运动行为提供试验和理论参考。
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精 选 图 表

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结  论

1)采用HT-CLSM原位观察了Fe-Mn-Al-C低密度钢中AlN夹杂物聚集过程和吞噬过程,发现AlN夹杂物在液态钢中会发生聚集现象,形成尺寸较大的多颗粒聚集型AlN夹杂物;在随后的降温凝固过程中聚集型AlN夹杂向液-固界面靠近并被液-固界面前沿推动;随着液相量的减少,聚集型AlN夹杂物最终被固相吞噬。
2)通过受力分析计算了钢液中半径为1~10 μm的AlN夹杂物黏性阻力和夹杂物之间的腔桥力大小。计算发现AlN夹杂物之间的腔桥力远大于黏性阻力,因此腔桥力可以诱导多颗粒AlN夹杂物发生聚集,形成尺寸较大的聚集型AlN夹杂物。
3)通过计算2个半径均为8 μm的单颗粒AlN夹杂物形成腔桥的总自由能变化,发现dc等于1.5 μm为夹杂物之间形成稳定腔桥的临界距离。当d 大于 dc时,聚集过程总自由能变化大于0,因此不会形成稳定的腔桥,2个夹杂物很难聚集;当d 小于 dc时,聚集过程总自由能小于0,可以形成稳定的腔桥。
4)试验观察和液-固界面处夹杂物的受力平衡计算发现,范德瓦尔斯力对凝固过程中AlN夹杂物的运动起到关键的作用。AlN夹杂物先被液-固界面推动,随着温度的降低和液相量的减少,AlN夹杂物最终被固相捕捉并吞噬。

来源: 《钢铁》2024年第3期

END

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