易吴钰等：Cr和Si元素对奥氏体不锈钢组织构成及凝固路线的影响 181· 2 实验结果 表3设计成分合金的热力学计算固液相线温度与凝固温度区间 2.1热力学计算平衡相图 Table 3 Thermodynamically calculated liquids and solidus temperatures of alloys 热力学计算表明Cr和Si元素含量可影响合 合金 液相线温度/℃ 固相线温度/℃ 凝固区间/℃ 金的相组成与凝固行为.五种合金成分的液相线 Cr20-Si2.0 1386 1332 54 (99%液相)、固相线(95%固相)和凝固区间温度 Cr18-Si2.0 1394 1340 54 如表3所示.当Cr元素质量分数由16%增加到 Cr16-Si2.0 1401 1344 57 20%,合金液、固相线温度分别降低15℃与12℃， Cr18-Si2.5 1385 1320 65 凝固区间保持不变；当Si元素质量分数由1.5%增 Cr18-Si1.5 1402 1350 5 加到2.5%，合金液和固相线温度分别降低17℃ 与30℃，凝固温度区间增大13℃.Cr和Si作为铁 显示，除δ相外合金中还可析出其他第二相.如在近 素体形成元素，它们的加入将抑制奥氏体相的析 1400℃，合金液相中可析出碳化物TiC;在800℃ 出☑，使合金延迟凝固，同时降低合金的固液相线 左右合金中可能析出Sigma(c)相，质量分数约为 温度.此外，随着合金凝固的进行，$i元素作为微 20%;在700℃附近，合金中还可能析出G相、 量溶质元素不断地由固相被排出到液相)，使得 Laves相和x相，但这些相的质量分数均较少，均 液相化学成分改变，进而降低合金凝固温度，加宽 不足2%. 合金凝固温度区间 Cr和Si元素在Crl8-Si2.0基体中的伪二元相 五种设计成分合金在600~1600℃温度区 图如图2所示.Cr含量可影响8相、c相和Laves 间、0~10%相组成质量分数区间内的平衡相图计 相的析出行为.其中，δ相区位于相图右部，相区 算结果如图1所示，参与计算的合金元素为Fe、 鼻尖对应的Cr元素质量分数约为18.8%.Si元素 Ni、Cr、Si、C、Mn、Cu、Mo、AI和N.五种设计成 伪二元相图中δ相区的面积较小，这表明在该成 分合金中仅有C20-Si2.0在凝固中析出少量高温 分范围内Si元素不会引发显著的δ相析出，其鼻 铁素体8相，其余成分合金均以全奥氏体相凝固. 尖临界质量分数为2.55% Cr20-S2.0的最大8相析出量与析出峰值温度分 2.2凝固组织 别为质量分数8.98%与1328℃.8相的形成由铁 图3为合金铸锭凝固组织的金相形貌.C20- 素体形成元素(Cr、Si和Mo)总量过高所致.凝固 S2.0与Crl8-Si2.5合金中出现一种深色析出相， 时奥氏体稳定性降低，铁素体析出倾向增大.图1 Cr18-S2.0与其他两种成分合金的组织形貌相近 10(a) 10(b) 10(c 8 8 0 6 6 6 4 4 4 2 Laves 2 Laves 2 ves G TiC TiC TiC 800 100012001400 800 80010001200 1400 860 800 100012001400 温度C 温度/C 温度PC 10 (d) 10(e) 6 0 6 2 Tic Laves Tic 600 800 10001200 1400 600 800 10001200 1400 温度C 温度C 图1合金热力学计算平衡相图(0-10%质量分数).(a)Cr20-Si2.0:(b)Cr18-Si2.0:(c)Cr16-Si2.0:(d)Cr18-Si2.5:(e)Cr18-Si1.5 Fig.1 Thermodynamically calculated equilibrium phase diagrams for alloys (0-10%):(a)Cr20-Si2.0;(b)Cr18-Si2.0;(c)Cr16-Si2.0;(d)Cr18-Si2.5; (e)Cr18-Si1.592    实验结果 2.1    热力学计算平衡相图 热力学计算表明 Cr 和 Si 元素含量可影响合 金的相组成与凝固行为. 五种合金成分的液相线 （99% 液相）、固相线（95% 固相）和凝固区间温度 如表 3 所示. 当 Cr 元素质量分数由 16% 增加到 20%，合金液、固相线温度分别降低 15 ℃ 与 12 ℃， 凝固区间保持不变；当 Si 元素质量分数由 1.5% 增 加到 2.5%，合金液和固相线温度分别降低 17 ℃ 与 30 ℃，凝固温度区间增大 13 ℃. Cr 和 Si 作为铁 素体形成元素，它们的加入将抑制奥氏体相的析 出[12] ，使合金延迟凝固，同时降低合金的固液相线 温度. 此外，随着合金凝固的进行，Si 元素作为微 量溶质元素不断地由固相被排出到液相[13] ，使得 液相化学成分改变，进而降低合金凝固温度，加宽 合金凝固温度区间. 五种设计成分合金在 600～1600 ℃ 温度区 间、0～10% 相组成质量分数区间内的平衡相图计 算结果如图 1 所示，参与计算的合金元素为 Fe、 Ni、Cr、Si、C、Mn、Cu、Mo、Al 和 N. 五种设计成 分合金中仅有 Cr20−Si2.0 在凝固中析出少量高温 铁素体 δ 相，其余成分合金均以全奥氏体相凝固. Cr20−Si2.0 的最大 δ 相析出量与析出峰值温度分 别为质量分数 8.98% 与 1328 ℃. δ 相的形成由铁 素体形成元素（Cr、Si 和 Mo）总量过高所致. 凝固 时奥氏体稳定性降低，铁素体析出倾向增大. 图 1 显示，除 δ 相外合金中还可析出其他第二相. 如在近 1400 ℃，合金液相中可析出碳化物 TiC；在 800 ℃ 左右合金中可能析出 Sigma（σ）相，质量分数约为 20%； 在 700 ℃ 附近 ，合金中还可能析 出 G 相 、 Laves 相和 χ 相，但这些相的质量分数均较少，均 不足 2%. Cr 和 Si 元素在 Cr18−Si2.0 基体中的伪二元相 图如图 2 所示. Cr 含量可影响 δ 相、σ 相和 Laves 相的析出行为. 其中，δ 相区位于相图右部，相区 鼻尖对应的 Cr 元素质量分数约为 18.8%. Si 元素 伪二元相图中 δ 相区的面积较小，这表明在该成 分范围内 Si 元素不会引发显著的 δ 相析出，其鼻 尖临界质量分数为 2.55%. 2.2    凝固组织 图 3 为合金铸锭凝固组织的金相形貌. Cr20− Si2.0 与 Cr18−Si2.5 合金中出现一种深色析出相， Cr18−Si2.0 与其他两种成分合金的组织形貌相近， 表 3    设计成分合金的热力学计算固液相线温度与凝固温度区间 Table 3    Thermodynamically  calculated  liquids  and  solidus temperatures of alloys 合金 液相线温度/℃ 固相线温度/℃ 凝固区间/℃ Cr20−Si2.0 1386 1332 54 Cr18−Si2.0 1394 1340 54 Cr16−Si2.0 1401 1344 57 Cr18−Si2.5 1385 1320 65 Cr18−Si1.5 1402 1350 52 σ L γ TiC G Laves σ L γ Laves TiC 质量分数 χ /% 10 8 6 4 2 0 600 800 1000 1200 1400 温度/°C 质量分数/% 10 8 6 4 2 0 600 800 1000 1200 1400 温度/°C 质量分数/% 10 8 6 4 2 0 600 800 1000 (a) (b) (c) (d) (e) σ L γ δ G TiC Laves σ L γ G TiC Laves σ L γ G TiC Laves 1200 1400 温度/°C 质量分数/% 10 8 6 4 2 0 600 800 1000 1200 1400 温度/°C 质量分数/% 10 8 6 4 2 0 600 800 1000 1200 1400 温度/°C 图 1    合金热力学计算平衡相图（0~10% 质量分数）. （a） Cr20−Si2.0；（b） Cr18−Si2.0；（c） Cr16−Si2.0；（d） Cr18−Si2.5；（e） Cr18−Si1.5 Fig.1    Thermodynamically calculated equilibrium phase diagrams for alloys (0–10%): (a) Cr20−Si2.0; (b) Cr18−Si2.0; (c) Cr16−Si2.0; (d) Cr18−Si2.5; (e) Cr18−Si1.5% 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 · 181 ·