Al元素对铸造316L不锈钢组织的作用机理

Al含量的增加,铸造316L不锈钢中铁素体体积分数逐渐增加,Al元素添加会促进铸造304奥氏体不锈钢中铁素体相形成的原因,316L不锈钢亦属于奥氏体不锈钢,Al元素对其组织中铁素体体体积分数增加的作用机理与304不锈钢一致,在此就不再赘述。如第二章“2.3讨论”部分所述,Al元素的添加也会改变316L不锈钢中Cr/Ni当量比,根据Cr eqNi eq当量公式,我们计算出不同Al含量316L不锈钢的Cr eqNi eq,结果如下表所示:316L不锈钢铸态组织为奥氏体+少量蠕虫状铁素体,凝固初生相为奥氏体,反奥氏体化元素CrMo等被排斥到液相中。到凝固末期,富集CrMo元素的剩余液相转变为铁素体相。因此,室温铸造组织中铁素体相内CrMo元素含量远高于其在合金中的平均含量,这与表4.2所示铁素体相中各元素质量百分含量结果一致。从图4.2(a)观察到未含Al 316L不锈钢基体奥氏体相中有凸起形成,这主要由于凝固过程中先析出相奥氏体内元素扩散不均匀引起的。

根据第二章图2.17Fe-Cr-Ni三元合金平衡相图及表4.5可预测,不同Al含量316L不锈钢凝固模式均为F模式,其室温组织由奥氏体+铁素体两相组成。凝固初生相为铁素体相,并且凝固结束,所有的液相全部转变为铁素体相,在随后的冷却过程中,奥氏体通过δ→γ固态相变获得。奥氏体的形成、长大与Al含量密切相关,三种不同Al含量316L不锈钢凝固结束初期获得δ相存在不同程度的元素偏析,随后冷却过程中,δ相单相区对应的温度区间因Al元素的添加变宽,影响了δ相中元素的扩散均匀化,δ→γ固态相变结束形成合金元素含量不同的奥氏体相。

1.5wt%Al铸造316L不锈钢组织由奥氏体+长条状铁素体组成。由于Al含量较少,不锈钢对应的δ单相区窄,在随后冷却过程,δ相内元素扩散的不充分,δ/δ相界处存在较大浓度起伏,同时,不同δ相内部由于元素偏析产生的晶格畸变不同,这些为γ相的形核提供了浓度起伏和结构起伏。γ相优先在δ/δ晶界处形核,且形核率较高,形成的奥氏体呈短杆或长条状。δ→γ相变时,Ni原子由δ相向γ相扩散。同时,Cr原子由γ相向δ相扩散。因此,残留δ相中的Cr元素含量高于平均值,Ni元素含量低于平均值,这与表4.2所示铁素体相中各元素百分含量结果一致。

这种在奥氏体基体上纠缠排列的板条状铁素体组织,N.Suutala等人研究Fe-22Cr-9.4Ni合金焊接组织图时,也发现了类似的组织,并且通过TEM进一步研究发现,δ、γ两相间存在K-SN-W的取向关系。同时,J.A.Brook等人认为在铬镍当量比介于形成骨架状铁素体和魏氏奥氏体组织之间的合金成分时,奥氏体不锈钢易于凝固成板条状铁素体组织。

2wt%Al铸造316L不锈钢对应的δ单相区相对1.5wt%Al 316L变宽,δ相内元素扩散相对充分,δ/δ相界浓度起伏减小,γ形核率降低。同时,γ相的形核位置及长大方式也发生变化,一部分γ在δ晶界形核沿着一定的取向朝δ内部生长,一部分在铁素体内部形核长大为块状。梁高飞等人研究AISI 304不锈钢中δ→γ相变的原位观察时也观察到类似的块状组织,该文献中指出,将AISI304不锈钢以1.0/min℃的速度冷却到1309℃,在δ晶内处有块状γ相的出现。3wt%Al铸造316L不锈钢组织中铁素体为基体相,奥氏体主要以长条状分布在铁素体晶界和晶粒内部,部分则以小椭圆、岛状、细长针分布在铁素体内部。δ晶界是扩散的短路通道,CrNiAlMo等原子在晶界扩散比在晶内容易得多,因此,δ晶界仍是形核的优先位置。这一实验现象在Eric Schmidt等人的实验中得到应证[125]Eric Schmidt通过对2205双相不锈钢冷却过程的原位观察也发现了同3wt%Al 316L不锈钢相同的组织形貌。该研究是将2205双相不锈钢加热到1300℃,变为单相的铁素体,然后缓慢冷却,观察铁素体的相变过程。结果表明,合金冷却到1050℃,保温20min过程中,δ→γ固态相变会发生,奥氏体首先在铁素体边界形核,形成的奥氏体称为晶界奥氏体(γ1、γ3、γ4);其次,会形成一种具有W-S取向关系的奥氏体。这种具有W-S取向关系的奥氏体又分为两种:一种是初生相由铁素体直接转变而来(γ2),还有一种W-S奥氏体是次生相由晶界奥氏体朝铁素体内部生长演化而来。另外,研究者还观察到一些小椭圆形和细针形的奥氏体,其认为这种形貌的奥氏体是起源于晶界的奥氏体朝上沿垂直于观察面的方向生长,该生长的横断面即为小椭圆形和细针形的奥氏体。3wt%Al 316L不锈钢具有较宽的δ单相区,使得凝固初生相铁素体内原子充分扩散,δ/δ相界处浓度起伏进一步减小,晶界处γ相形核率降低,因此,不锈钢中形成的奥氏体体积分数减少,初生相铁素体内原子充分扩散,铁素体相各元素的百分含量越接近于316L合金的平均值,这与表4.2所示铁素体相中各元素百分含量结果一致。

文章作者:不锈钢管|304不锈钢无缝管|316L不锈钢厚壁管|不锈钢小管|大口径不锈钢管|小口径厚壁钢管

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