易吴钰等：C和Si元素对奥氏体不锈钢组织构成及凝固路线的影响 183 表4C18-S2.5合金铸态组织析出相成分分析（质量分数） Table 4 EDS analysis result of the Cr18-Si2.5 alloy % 点 C Si Ti Cr Mn Fe Ni Cu Mo 总计 1 1.03 0.38 15.80 1.26 58.15 19.18 2.17 2.03 100 1.63 一 21.48 2.04 57.81 11.12 1.58 4.33 100 3 21.33 57.13 2.60 6.18 2.07 10.69 100 奥氏体基体主峰右侧可分辨出δ相所对应的衍射 形貌，并具有细长液相通道的形态特征 峰，确定了8相的存在.Cr18-Si2.5合金因8相 对于其他析出相，文献表明。相一般仅在合 含量较少，未检测出相应的衍射峰 金经600~900℃长期时效后才会出现61刀，大多 由8相或x相转变而来I8-1y,在高Mo合金(Mo质 3000 量分数>4%)中也可在铸锭凝固时直接形成20 2500 G相、x相、Laves相等在相图中含量较少，在铸锭 2000 凝固组织中也未曾发现.这有可能是其含量过低， 难以发现，或是需要长时间的时效处理使合金趋 近平衡态才可析出. 综上所述，热力学计算相图能够用来预测和 推测合金凝固过程中8相（若存在）和碳化物 500 TC的析出，但在中温相析出和相转变方面与凝固 40 50 60708090100 组织存在一定的差异 28l) 3.2Cr、Si元素对凝固组织的影响 图5Cr20-Si2.0合金X射线衍射谱线 合金Cr、Si元素含量不但能够影响δ相的体 Fig.5 XRD analysis result of the Cr20-Si2.0 alloy 积分数，同时也会影响其形态.由图3(a,b)可见， 3分析与讨论 Cr20-Si2.0和Cr18-Si2.5合金中虽然都析出δ相， 但两者形态不同.一般δ相的形态与合金凝固路 31相图计算结果与凝固组织的对比 线和δ相析出机制有关.若铁素体处于枝晶间位 计算相图成功预测TiC相和Cr20-S2.0合金 置，合金属于奥氏体-铁素体(AF)凝固叫：若铁素 中8相的析出，对于Cr18-S2.5合金中的δ相，相 体存在于枝晶内部，并具有骨架状形貌，则合金属 图并未预测到，但其却在凝固组织中被发现：对于 于铁素体-奥氏体(FA)凝固22Cr20-Si2.0成分合 c相、G相、X相以及Laves相，相图预测到其析 金中的δ相存在于枝晶芯部，具有铁素体-奥氏体 出，但却未见于合金铸锭凝固组织. 凝固特征：Cr18-Si2.5成分合金中的δ相位于枝晶 热力学计算结果表明Cr20-Si2.0中的8相在 间，奥氏体-铁素体凝固特征明显 合金凝固中期开始析出，在凝固末期达到析出峰 不锈钢材料的凝固路线可以通过镍、铬当量 值，并在合金凝固后逐渐减少.由于δ相析出温度 比进行判断.Hammer和Svensson!5.2认为，镍当 较高仍然存在较多液相，其可形成树枝状形貌.析 量(Nia)、铬当量(Crea)及合金凝固路线判据(D) 出量金相统计结果体积分8.4%与热力学计算结 可用下式表示： 果质量分数8.98%较为接近，但略微偏低.这是因 Nieg:=%Ni+0.31(%Mn)+22(%C)+ 为虽然铸锭凝固后冷却速率较快，但仍发生了部 14.2(%N)+1(%Cu), 分“8y”固态相变. Creg=%Cr+1.37(%Mo)+1.5(9%Si)+ 比较而言，Cr18-S2.5合金中的铁素体形成元 2(%Nb)+2(%Ti), 素总量较低，在平衡凝固条件下不满足δ相的析 D=Nieg-0.75(%Creg）+0.257. 出条件.但在合金凝固的末期，残余液相中产生较 当D<0时，合金以铁素体一奥氏体或全铁素 为显著的元素富集，进而满足δ相的析出条件.由 体(F)模式凝固：当①=0时，合金以铁素体和奥氏 于此时残余液相较少，仅处于个别枝晶间位置，在 体同时析出的方式凝固：当①>0时，合金以奥氏体- 这种位置析出的δ相表现出不规则的枝晶间区域 铁素体或全奥氏体(A)的模式凝固奥氏体基体主峰右侧可分辨出 δ 相所对应的衍射 峰[15] ，确定了 δ 相的存在. Cr18−Si2.5 合金因 δ 相 含量较少，未检测出相应的衍射峰. 3    分析与讨论 3.1    相图计算结果与凝固组织的对比 计算相图成功预测 TiC 相和 Cr20−Si2.0 合金 中 δ 相的析出. 对于 Cr18−Si2.5 合金中的 δ 相，相 图并未预测到，但其却在凝固组织中被发现；对于 σ 相 、G 相 、χ 相以及 Laves 相，相图预测到其析 出，但却未见于合金铸锭凝固组织. 热力学计算结果表明 Cr20−Si2.0 中的 δ 相在 合金凝固中期开始析出，在凝固末期达到析出峰 值，并在合金凝固后逐渐减少. 由于 δ 相析出温度 较高仍然存在较多液相，其可形成树枝状形貌. 析 出量金相统计结果体积分 8.4% 与热力学计算结 果质量分数 8.98% 较为接近，但略微偏低. 这是因 为虽然铸锭凝固后冷却速率较快，但仍发生了部 分 “δ→γ” 固态相变. 比较而言，Cr18−Si2.5 合金中的铁素体形成元 素总量较低，在平衡凝固条件下不满足 δ 相的析 出条件. 但在合金凝固的末期，残余液相中产生较 为显著的元素富集，进而满足 δ 相的析出条件. 由 于此时残余液相较少，仅处于个别枝晶间位置，在 这种位置析出的 δ 相表现出不规则的枝晶间区域 形貌，并具有细长液相通道的形态特征. 对于其他析出相，文献表明 σ 相一般仅在合 金经 600～900 ℃ 长期时效后才会出现[16−17] ，大多 由 δ 相或 χ 相转变而来[18−19] ，在高 Mo 合金（Mo 质 量分数>4%）中也可在铸锭凝固时直接形成[20] . G 相、χ 相、Laves 相等在相图中含量较少，在铸锭 凝固组织中也未曾发现. 这有可能是其含量过低， 难以发现，或是需要长时间的时效处理使合金趋 近平衡态才可析出. 综上所述，热力学计算相图能够用来预测和 推测合金凝固过程 中 δ 相 （若存在 ）和碳化 物 TiC 的析出，但在中温相析出和相转变方面与凝固 组织存在一定的差异. 3.2    Cr、Si 元素对凝固组织的影响 合金 Cr、Si 元素含量不但能够影响 δ 相的体 积分数，同时也会影响其形态. 由图 3（a，b）可见， Cr20−Si2.0 和 Cr18−Si2.5 合金中虽然都析出 δ 相 ， 但两者形态不同. 一般 δ 相的形态与合金凝固路 线和 δ 相析出机制有关. 若铁素体处于枝晶间位 置，合金属于奥氏体−铁素体（AF）凝固[21] ；若铁素 体存在于枝晶内部，并具有骨架状形貌，则合金属 于铁素体−奥氏体（FA）凝固[22] . Cr20−Si2.0 成分合 金中的 δ 相存在于枝晶芯部，具有铁素体−奥氏体 凝固特征；Cr18−Si2.5 成分合金中的 δ 相位于枝晶 间，奥氏体−铁素体凝固特征明显. 不锈钢材料的凝固路线可以通过镍、铬当量 比进行判断. Hammer 和 Svensson[15, 23] 认为，镍当 量（Nieq）、铬当量（Creq）及合金凝固路线判据（Ф） 可用下式表示： Nieq， = %Ni  +  0.31（ %Mn） +  22（ %C） + 14.2（%N）+1（%Cu）， Creq， = %Cr  +  1.37（ %Mo） +  1.5（ %Si） + 2（%Nb）+ 2（%Ti）， Ф= Nieq – 0.75（%Creq）+ 0.257. 当Ф < 0 时，合金以铁素体−奥氏体或全铁素 体（F）模式凝固；当Ф= 0 时，合金以铁素体和奥氏 体同时析出的方式凝固；当Ф> 0 时，合金以奥氏体− 铁素体或全奥氏体（A）的模式凝固. 表 4  Cr18−Si2.5 合金铸态组织析出相成分分析（质量分数） Table 4  EDS analysis result of the Cr18−Si2.5 alloy % 点 C Si Ti Cr Mn Fe Ni Cu Mo 总计 1 — 1.03 0.38 15.80 1.26 58.15 19.18 2.17 2.03 100 2 — 1.63 — 21.48 2.04 57.81 11.12 1.58 4.33 100 3 21.33 — 57.13 2.60 — 6.18 2.07 — 10.69 100 强度（计次） 3000 2500 2000 1500 1000 500 40 50 60 70 80 90 100 γ δ 2θ/(°) 图 5    Cr20−Si2.0 合金 X 射线衍射谱线 Fig.5    XRD analysis result of the Cr20−Si2.0 alloy 易昊钰等： Cr 和 Si 元素对奥氏体不锈钢组织构成及凝固路线的影响 · 183 ·