【摘要】：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100-103 K/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AISI 304不銹鋼,當(dāng)生長(zhǎng)速率低于臨界值4.2 cm/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4.2 cm/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AISI 304不銹鋼鐵素體形貌復(fù)雜多樣,隨著冷速的增加,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AISI 304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AISI 304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),較高冷卻速率下出現(xiàn)鐵素體形態(tài)轉(zhuǎn)變;進(jìn)一步提高冷卻速率,合金的初生相由鐵素體變?yōu)橹W氏體;在更高的冷卻速率下,奧氏體由枝晶變?yōu)榘麪罹А?duì)于Cr含量為18%的合金,Ni含量越高,奧氏體越易以初生相的形式析出;在合金的Cr、Ni百分含量相同的條件下,微量元素有助于初生奧氏體形成;在相同(Cr/Ni)eq的條件下,Cr-Ni奧氏體不銹鋼形成初生奧氏體的能力要低于純?nèi)狥e-Cr-Ni合金。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：TG142.71
【圖文】：

18-8 不銹鋼凝固已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了平衡凝固方式，此時(shí)具的亞穩(wěn)奧氏體易于析出[95]，如圖 1-1 所示。盡管合金成分先形核相是δ相，但發(fā)現(xiàn)在激冷鑄造過(guò)程中γ相成為主要是由于高的動(dòng)力學(xué)過(guò)冷有利于其形核。

圖 1-2 建立在最高界面溫度上的相選擇原理圖[89]Fig. 1-2 Principle of phase selection using a maximum interface temperature criterion[89]穩(wěn)定相與亞穩(wěn)相的競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)先始于其形核，亞穩(wěn)相 α 在初生穩(wěn)定相 β 的基體 上形 核 ， 其形 核溫 度即 是此 時(shí) β 相的 溫度 ，形 核過(guò) 冷度 為 ：

三元相圖的影響等，這些因素導(dǎo)致了奧氏體產(chǎn)生了各種各樣的鐵素體相形態(tài)[101]。工業(yè)用不銹鋼鐵的含量一般都不超過(guò)于 80％面圖的形式來(lái)討論其凝固過(guò)程。圖 1-3 為 7的變溫截面圖，從圖中可以看到有共晶反應(yīng)

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2790510