亞快速凝固奧氏體不銹鋼組織形成及演化規(guī)律研究.pdf

1、亞快速凝固是介于近平衡低速凝固和遠(yuǎn)離平衡的快速凝固之間的過(guò)渡區(qū)，典型亞快速凝固的冷卻速率范圍為100-103K/s。在這個(gè)區(qū)間凝固體系的凝固組織形態(tài)、溶質(zhì)元素分布及界面穩(wěn)定性等重要特征都發(fā)生了顯著的變化，出現(xiàn)了許多新現(xiàn)象和新問(wèn)題。因此，研究亞快速凝固的機(jī)理對(duì)于完善凝固理論和解決與凝固相關(guān)的實(shí)際問(wèn)題都具有十分重要的意義。本文首先從理論上對(duì)奧氏體不銹鋼的凝固順序進(jìn)行了預(yù)測(cè)，然后采用定向凝固、水冷銅模及真空吸鑄方法系統(tǒng)研究了Cr-Ni奧氏體不

2、銹鋼亞快速凝固范圍內(nèi)組織形成及演化過(guò)程。
　　依據(jù)最高界面溫度準(zhǔn)則分析了溫度梯度對(duì)界面穩(wěn)定性的影響，并對(duì)奧氏體不銹鋼的凝固順序進(jìn)行了分析。計(jì)算結(jié)果表明：隨著溫度梯度的降低，平界面更易失穩(wěn)向低速胞狀演化；平界面生長(zhǎng)范圍逐漸減小，而胞/枝界面生長(zhǎng)范圍逐漸擴(kuò)大。對(duì)于AISI304不銹鋼，當(dāng)生長(zhǎng)速率低于臨界值4.2cm/s時(shí)，鐵素體將以胞/枝形貌穩(wěn)定生長(zhǎng)；當(dāng)生長(zhǎng)速率高于4.2cm/s時(shí)，奧氏體的界面溫度將會(huì)超過(guò)鐵素體的界面溫度，將取代穩(wěn)定

3、鐵素體相成為初生相。對(duì)于合金18Cr-8Ni來(lái)說(shuō)，不存在初生相競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，即鐵素體始終為初生相。合金18Cr-8.76Ni、18Cr-9Ni、18Cr-10Ni、18Cr-11Ni凝固過(guò)程均存在凝固順序轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，隨著合金Cr/Ni比的提高，鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的臨界生長(zhǎng)速率逐漸提高，奧氏體作為初生相析出越困難。
　　在亞快速凝固低速階段采用定向凝固手段開(kāi)展了一系列工作。結(jié)果表明定向凝固過(guò)程中AISI304不銹鋼鐵素體形貌復(fù)雜多樣，隨著

4、冷速的增加，依次出現(xiàn)塊狀鐵素體、骨架狀鐵素體、板條/類板條鐵素體、胞狀鐵素體以及條帶狀鐵素體。
　　塊狀鐵素體形成于冷速較低的固態(tài)相變過(guò)程。首先兩相組織以團(tuán)簇狀從熔體中析出，鐵素體呈板條形貌。在固態(tài)相變過(guò)程中，由于奧氏體長(zhǎng)大時(shí)出現(xiàn)局部成分偏析，隨著溫度的降低奧氏體變得不穩(wěn)定，在板條鐵素體間不穩(wěn)定的奧氏體區(qū)域析出許多細(xì)小的團(tuán)簇狀鐵素體，固態(tài)相變結(jié)束后形成塊狀鐵素體。
　　揭示了板條/類板條組織的形成過(guò)程，并對(duì)其形成機(jī)理進(jìn)行了分

5、析。兩相共生生長(zhǎng)組織形成時(shí)，鐵素體首先從熔體中形核長(zhǎng)大，隨著熔體過(guò)冷的增加，在鐵素體達(dá)到穩(wěn)態(tài)生長(zhǎng)前，奧氏體在鐵素體前沿形核并長(zhǎng)大。奧氏體相形核后，熔體相對(duì)鐵素體是過(guò)冷的，因此，平衡凝固的枝晶鐵素體被抑制，兩相將同時(shí)從熔體中長(zhǎng)大，形成了兩相耦合生長(zhǎng)組織，固態(tài)相變后即為板條組織。在AISI304不銹鋼較高冷卻速率下的定向凝固實(shí)驗(yàn)中，觀察到了胞狀鐵素體及條帶狀分布的鐵素體。胞狀鐵素體是由較高冷卻速率條件下枝晶鐵素體二次臂退化演變來(lái)的；條帶狀鐵

6、素體的形成是由于鐵素體枝晶生長(zhǎng)過(guò)程中，一次臂間距的不穩(wěn)定性及選擇導(dǎo)致的。
　　在亞快速凝固高速階段采用真空吸鑄方法開(kāi)展了研究工作。鑄造薄帶的組織由兩側(cè)的柱狀晶及中心的等軸晶組成；在薄帶表層由于極高的冷卻速率，初生相由柱狀鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)榘麪願(yuàn)W氏體；在薄帶中心由于散熱方式的變化，由柱狀鐵素體過(guò)渡為等軸鐵素體。鑄模材料對(duì)薄帶的宏觀組織中柱狀區(qū)所占比例有著重要的影響，導(dǎo)熱性能好的材料組織中柱狀區(qū)比例較高。在真空吸鑄時(shí)，合金的熔煉條件對(duì)其宏觀

7、組織的組成有著重要的影響，熔煉坩堝的隔熱效果越好，其組織中柱狀晶所占的比例越大。
　　采用楔型縫隙結(jié)晶器研究了冷卻速率及合金成分對(duì)奧氏體不銹鋼組織的影響。對(duì)于18Cr-7Ni和18Cr-8Ni合金，較低冷卻速率下出現(xiàn)魏氏組織，較高冷卻速率下鐵素體為骨架狀；對(duì)于18Cr-9Ni、17.93Cr-8.76Ni、18.77Cr-10.59Ni及AISI304不銹鋼，均未出現(xiàn)魏氏組織。在冷卻速率較低時(shí)，鐵素體均以骨架形態(tài)出現(xiàn)，較高冷卻速率