基于Thermo-Calc的310S奧氏體不銹鋼元素分配分析

鄒 浩,張玉妥,,王 培

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110159;2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所 沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家(聯(lián)合)實(shí)驗(yàn)室,沈陽(yáng) 110016)

合金在凝固過程中產(chǎn)生偏析,造成材料性能特別是韌性和抗腐蝕性下降,直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。隨著材料合金化程度的提高,偏析愈加嚴(yán)重,成為影響其性能進(jìn)一步提升的重要障礙[1]。合金在凝固過程中發(fā)生溶質(zhì)再分配,溶質(zhì)再分配是產(chǎn)生偏析的根本原因。在過去幾十年中,有關(guān)高溫合金凝固偏析行為的研究多有報(bào)道[2-4],對(duì)奧氏體不銹鋼凝固過程的研究也相對(duì)較多[5]。310S奧氏體不銹鋼是目前廣泛使用的一種不銹鋼,與其它不銹鋼相比,310S奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能較好,常被用在高溫爐膽、核電管道等大型設(shè)備上[6-8]。偏析是影響310S奧氏體不銹鋼性能的一個(gè)重要因素,需嚴(yán)格控制。本文通過Thermo-Calc熱力學(xué)軟件,對(duì)310S奧氏體不銹鋼在凝固過程中合金元素的分配行為進(jìn)行研究,為該合金在實(shí)際應(yīng)用過程中對(duì)偏析的控制提供理論依據(jù),以期生產(chǎn)均質(zhì)化合金。

1 計(jì)算方法

Thermo-Calc熱力學(xué)軟件是一款功能強(qiáng)大且靈活的軟件,是根據(jù)“平衡相各組元化學(xué)勢(shì)相等”和“Gibbs最小值”原則來計(jì)算相圖、相變和相平衡的,是一個(gè)致力于為材料研究者提供方便的研究和工程應(yīng)用的工具[9-11]。研究采用熱力學(xué)軟件Thermo-Calc中的TCFE8數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)310S奧氏體不銹鋼進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算,以便有效地分析310S奧氏體不銹鋼的平衡相組成和溶質(zhì)平衡分配系數(shù)K0(K0=CS/CL),式中CS表示平衡時(shí)固相中的溶質(zhì)濃度,CL表示平衡時(shí)液相中的溶質(zhì)濃度。計(jì)算所用試驗(yàn)鋼化學(xué)成分見表1所示。

表1 310S奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分 wt.%

2 Thermo-Calc計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 熱力學(xué)平衡計(jì)算結(jié)果

平衡分配系數(shù)K0是凝固過程中溶質(zhì)再分配研究的關(guān)鍵參數(shù),在微觀偏析的形成過程中起著重要作用。圖1為通過Thermo-Calc熱力學(xué)軟件計(jì)算的試驗(yàn)用310S奧氏體不銹鋼的平衡相組成。

圖1 310S奧氏體不銹鋼的相組成

由圖1可以看出,310S奧氏體不銹鋼在1404℃以上全是液相;溫度降低時(shí),在1404℃首先析出γ相,隨著溫度的繼續(xù)降低,液相含量逐漸減少,γ相含量逐漸增多,在1322℃液相消失時(shí)會(huì)從γ相中析出MC相;凝固溫度繼續(xù)下降,僅存在γ相和MC相。因此可以得出結(jié)論:310S奧氏體不銹鋼的液相線溫度為1404℃,固相線溫度為1322℃,凝固模式為L(zhǎng)→L+γ→γ。

表2和圖2分別是通過Thermo-Calc熱力學(xué)軟件計(jì)算的310S奧氏體不銹鋼平衡凝固時(shí)所選不同溫度下各元素在液相和固相中的含量及平衡分配系數(shù)K0。

由表2可以看出,隨著凝固溫度的降低,各元素在液相中的含量變化為:Cr和Nb元素的含量逐漸增加,Si和Mn元素的含量先增加后減少,Ni元素的含量先減少后增加;各元素在固相中的含量變化為:Cr、Nb、Si和Mn元素的含量逐漸增加,Ni元素的含量逐漸減少。可見液相中富集大量δ相形成元素,由于平衡凝固,使得與之平衡的固相中δ相形成元素也有所增加。由圖2可以看出,隨著凝固的進(jìn)行,Si的平衡分配系數(shù)緩慢增加,且小于1,是正偏析元素,向枝晶間液相中富集的傾向逐漸減弱;Cr元素的平衡分配系數(shù)也小于1,但始終保持在0.87附近,向枝晶間液相中富集傾向基本相同;Ni元素的平衡分配系數(shù)稍大于1,有輕微向枝晶干固相中富集的傾向,也可認(rèn)為沒有發(fā)生偏析。隨著凝固溫度的降低,Cr和Ni元素的分配系數(shù)基本保持穩(wěn)定,偏析行為不明顯,Si元素的分配系數(shù)逐漸增加,愈接近于1,偏析行為減小。Si、Cr、Ni的偏析不明顯或無偏析,因此以下主要討論310S奧氏體不銹鋼中微量元素Mn和Nb分配系數(shù)的變化。

表2 不同溫度下液、固相中各元素含量及平衡分配系數(shù)

圖2 310S奧氏體不銹鋼的平衡分配系數(shù)與溫度的關(guān)系

2.2 310S奧氏體不銹鋼中Mn元素的偏析規(guī)律

通過Thermo-Calc熱力學(xué)軟件計(jì)算的310S奧氏體不銹鋼平衡凝固時(shí)Mn元素在液相和固相中的含量如圖3所示。由圖3可以看出,隨著凝固的進(jìn)行,固相中Mn的含量逐漸增多,溫度低于1360℃時(shí)Mn的含量不再發(fā)生變化;液相中的Mn含量在1400℃～1380℃區(qū)間內(nèi)逐漸增多,在1380℃～1340℃區(qū)間內(nèi)逐漸下降,1380℃時(shí)達(dá)到最大;溫度高于1340℃凝固時(shí),Mn在固相中的含量低于在液相中的含量。

從圖2中Mn元素的平衡分配系數(shù)可以看出,平衡凝固時(shí),隨著凝固溫度的降低,Mn元素的平衡分配系數(shù)平緩增加且小于1,說明Mn元素向枝晶間液相中富集且富集趨勢(shì)減弱,是正偏析元素。Mn元素是γ相形成元素,在凝固過程中會(huì)產(chǎn)生向固相擴(kuò)散的傾向,相應(yīng)在液相中的富集程度就會(huì)減輕,造成液相中Mn元素的含量降低,從而造成分配系數(shù)逐漸上升。

圖3 Mn元素在液、固相中含量隨溫度變化曲線

2.3 310S奧氏體不銹鋼中Nb元素的偏析規(guī)律

圖4顯示了Thermo-Calc計(jì)算的平衡凝固時(shí)液相和固相中Nb元素的含量隨溫度的變化。

圖4 Nb元素在液、固相中含量隨溫度變化曲線

由圖4可以看出,隨著溫度的降低,Nb在液相和固相中的含量均呈逐漸增加趨勢(shì),但在固相中增加趨勢(shì)較平緩,液相中增加趨勢(shì)顯著,且在整個(gè)凝固過程中,Nb在固相中的含量均低于在液相中的含量。

從圖2中Nb元素的平衡分配系數(shù)可以看出,Nb元素在整個(gè)凝固過程中的平衡分配系數(shù)小于1,且均在0～0.1區(qū)間內(nèi)浮動(dòng),是正偏析元素,向枝晶間液相中富集,說明Nb是310S奧氏體不銹鋼中的主要偏析元素,偏析行為顯著。而Nb元素的平衡分配系數(shù)在1380℃明顯下降,是因?yàn)樵谀坛跗?液相和固相中Nb元素濃度梯度大,擴(kuò)散速率快,Nb元素向枝晶間液相富集傾向增大,使得液相中Nb的濃度迅速增加,分配系數(shù)減小。之后隨著凝固的進(jìn)行,溫度逐漸降低,Nb元素的這種擴(kuò)散趨勢(shì)逐漸減弱,使得分配系數(shù)又逐漸上升。

3 結(jié)論

(1)隨著凝固溫度的降低,固相中Mn的含量逐漸增多,液相中Mn的含量逐漸減少,Mn元素的平衡分配系數(shù)小于1,是正偏析元素,向枝晶間液相中富集且富集趨勢(shì)減弱。

(2)隨著凝固溫度的降低,Nb在液相和固相中的含量均逐漸增加,但在固相中增加趨勢(shì)較平緩,液相中增加趨勢(shì)顯著。Nb元素的平衡分配系數(shù)小于1,是正偏析元素,向枝晶間液相中富集。