發(fā)布時間：2020-08-12 12:05

【摘要】：亞快速凝固是介于近平衡低速凝固和遠離平衡的快速凝固之間的過渡區(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)象和新問題。因此,研究亞快速凝固的機理對于完善凝固理論和解決與凝固相關的實際問題都具有十分重要的意義。本文首先從理論上對奧氏體不銹鋼的凝固順序進行了預測,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)組織形成及演化過程。 依據(jù)最高界面溫度準則分析了溫度梯度對界面穩(wěn)定性的影響,并對奧氏體不銹鋼的凝固順序進行了分析。計算結(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;平界面生長范圍逐漸減小,而胞/枝界面生長范圍逐漸擴大。對于AISI 304不銹鋼,當生長速率低于臨界值4.2 cm/s時,鐵素體將以胞/枝形貌穩(wěn)定生長;當生長速率高于4.2 cm/s時,奧氏體的界面溫度將會超過鐵素體的界面溫度,將取代穩(wěn)定鐵素體相成為初生相。對于合金18Cr-8Ni來說,不存在初生相競爭問題,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展了一系列工作。結(jié)果表明定向凝固過程中AISI 304不銹鋼鐵素體形貌復雜多樣,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)相變過程。首先兩相組織以團簇狀從熔體中析出,鐵素體呈板條形貌。在固態(tài)相變過程中,由于奧氏體長大時出現(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)域析出許多細小的團簇狀鐵素體,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程,并對其形成機理進行了分析。兩相共生生長組織形成時,鐵素體首先從熔體中形核長大,隨著熔體過冷的增加,在鐵素體達到穩(wěn)態(tài)生長前,奧氏體在鐵素體前沿形核并長大。奧氏體相形核后,熔體相對鐵素體是過冷的,因此,平衡凝固的枝晶鐵素體被抑制,兩相將同時從熔體中長大,形成了兩相耦合生長組織,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驗中,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的;條帶狀鐵素體的形成是由于鐵素體枝晶生長過程中,一次臂間距的不穩(wěn)定性及選擇導致的。 在亞快速凝固高速階段采用真空吸鑄方法開展了研究工作。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W氏體;在薄帶中心由于散熱方式的變化,由柱狀鐵素體過渡為等軸鐵素體。鑄模材料對薄帶的宏觀組織中柱狀區(qū)所占比例有著重要的影響,導熱性能好的材料組織中柱狀區(qū)比例較高。在真空吸鑄時,合金的熔煉條件對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奧氏體不銹鋼組織的影響。對于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,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�。對于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。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：TG142.71
【圖文】：

18-8 不銹鋼凝固已經(jīng)遠遠偏離了平衡凝固方式，此時具的亞穩(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)在激冷鑄造過程中γ相成為主要是由于高的動力學過冷有利于其形核。

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)相的競爭領先始于其形核，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 β 相的 溫度 ，形 核過 冷度 為 ：

三元相圖的影響等，這些因素導致了奧氏體產(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于 80％面圖的形式來討論其凝固過程。圖 1-3 為 7的變溫截面圖，從圖中可以看到有共晶反應

【參考文獻】

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相關博士學位論文 前1條

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本文編號：2790510