基于ThermoCalc的310S奥氏体不锈钢元素分配分析

第38卷第1期2019年2月沈阳理工大学学报Journal of Shenyang Ligong University
V o l.38No.1Feb.2019
收稿日期：2018－10－01
作者简介：邹浩（1992—），男，硕士研究生；通讯作者：张玉妥（1966—），女，教授，博士，研究方向：金属材料制备工艺。

文章编号：1003－1251（2019）01－0039－04
基于Thermo-Calc 的310S 奥氏体不锈钢元素
分配分析
邹
浩1，张玉妥1，2，王
培
2
（1.沈阳理工大学材料科学与工程学院，沈阳110159；2.中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室，沈阳110016）
摘
要：凝固过程中溶质再分配对凝固组织成分的均匀性和元素偏析具有重要的影响，
本文基于Thermo-Calc 热力学计算，对310S 奥氏体不锈钢在凝固过程中合金元素在液、固相中的分配行为进行研究。

结果表明：310S 奥氏体不锈钢的液相线温度为1404ħ，
固相线温度为1322ħ，凝固温度区间为82ħ，凝固模式为L →L +γ→γ；Mn 和Nb 元素的分配系数小于1，
是正偏析元素，向枝晶间液相中富集。

关
键
词：310S 奥氏体不锈钢；Thermo-Calc 软件；偏析；分配系数中图分类号：TG111.4文献标志码：A DOI ：10．3969/j．issn．1003-1251．2019．01．009Analysis of Element Distribution of 310S Austenitic
Stainless Steel Based on Thermo-Calc
ZOU Hao 1，ZHANG Yutuo 1，2
，WANG Pei 2
（1.Shenyang Ligong University ，Shenyang 110159，China ；2.Shenyang National Laboratory for Materials Science ，
Institute of Metal Ｒesearch ，CAS ，Shenyang 110016，China ）
Abstract ：Solute redistribution during solidification has significant effects on the homogene-ity of solidification microstructures and elements segregation．Therefore ，
the distribution be-havior of alloy elements in liquid and solid phases during solidification of 310S austenitic stainless steel was studied based on Thermo-Calc．The results show that the liquidus and sol-idus temperatures of 310S austenitic stainless steel are 1404ħand 1322ħ，
respectively．The solidification temperature range is 82ħ，
and the solidification mode is ：L →L +γ→γ．The partition coefficients of Mn and Nb elements are less than 1，tending to be enriched in the interdendritic region and positive segregation elements．
Key words ：310S austenitic stainless steel ；Thermo-Calc software ；segregation ；partition co-efficient
合金在凝固过程中产生偏析，造成材料性能
特别是韧性和抗腐蚀性下降，
直接影响产品质量。

随着材料合金化程度的提高，偏析愈加严重，成为
影响其性能进一步提升的重要障碍［1］。

合金在凝
固过程中发生溶质再分配，溶质再分配是产生偏
析的根本原因。

在过去几十年中，
有关高温合金凝固偏析行为的研究多有报道
［2－4］
，对奥氏体不锈钢凝固过程的研究也相对较多［5］。

310S 奥氏体不锈钢是目前广泛使用的一种不锈钢，
与其它不锈钢相比，
310S 奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能较好，
常被用在高温炉胆、核电管道等大型设备上
［6－8］。

偏析是影响310S 奥氏体不锈钢性能的一个重要因素，需严格控制。

本文通过Thermo-Calc 热力学软件，对310S 奥氏体不锈钢在凝固过程中合金元素的分配行为进行研究，
为该合金在实际应用过程中对偏析的控制提供理论依据，以期生产均质化合金。

1计算方法
Thermo-Calc 热力学软件是一款功能强大且
灵活的软件，
是根据“平衡相各组元化学势相等”和“Gibbs 最小值”原则来计算相图、相变和相平
衡的，
是一个致力于为材料研究者提供方便的研究和工程应用的工具
［9－11］。

研究采用热力学软件Thermo-Calc 中的TCFE8数据库对310S 奥氏体
不锈钢进行热力学计算，以便有效地分析310S 奥氏体不锈钢的平衡相组成和溶质平衡分配系数K 0（K 0=C S /C L ），式中C S 表示平衡时固相中的溶
质浓度，
C L 表示平衡时液相中的溶质浓度。

计算所用试验钢化学成分见表1所示。

表1
310S 奥氏体不锈钢的化学成分
wt．%
元素C Si Cr Mn Ni Nb Fe 含量
0.01 0.08
0.02 0.7
21 28
0.5 1.5
16 25
0.15 0.35
余量
2
Thermo-Calc 计算结果与分析
2.1
热力学平衡计算结果
平衡分配系数K 0是凝固过程中溶质再分配
研究的关键参数，
在微观偏析的形成过程中起着重要作用。

图1为通过Thermo-Calc 热力学软件计算的试验用310S 奥氏体不锈钢的平衡相组成。

图1310S 奥氏体不锈钢的相组成
由图1可以看出，
310S 奥氏体不锈钢在1404ħ以上全是液相；温度降低时，在1404ħ首先析出γ相，
随着温度的继续降低，液相含量逐渐减少，γ相含量逐渐增多，在1322ħ液相消失时会从
γ相中析出MC 相；凝固温度继续下降，仅存在γ相和MC 相。

因此可以得出结论：310S 奥氏体不锈钢的液相线温度为1404ħ，
固相线温度为1322ħ，凝固模式为L →L +γ→γ。

表2和图2分别是通过Thermo-Calc 热力学软件计算的310S 奥氏体不锈钢平衡凝固时所选不同温度下各元素在液相和固相中的含量及平衡分配系数K 0。

由表2可以看出，随着凝固温度的降低，各元素在液相中的含量变化为：Cr 和Nb 元素的含量
逐渐增加，
Si 和Mn 元素的含量先增加后减少，Ni 元素的含量先减少后增加；各元素在固相中的含
量变化为：Cr 、
Nb 、Si 和Mn 元素的含量逐渐增加，Ni 元素的含量逐渐减少。

可见液相中富集大量δ
相形成元素，由于平衡凝固，使得与之平衡的固相中δ相形成元素也有所增加。

由图2可以看出，
随着凝固的进行，Si 的平衡分配系数缓慢增加，且小于1，
是正偏析元素，向枝晶间液相中富集的倾向逐渐减弱；Cr 元素的平衡分配系数也小于1，但始终保持在0.87附近，
向枝晶间液相中富集倾向基本相同；Ni 元素的平衡分配系数稍大于1，有轻微向枝晶干固相中富集的倾向，
也可认为没有发生偏析。

随着凝固温度的降低，
Cr 和Ni 元素的04沈阳理工大学学报第38卷
分配系数基本保持稳定，偏析行为不明显，
Si 元素的分配系数逐渐增加，
愈接近于1，偏析行为减小。

Si 、
Cr 、Ni 的偏析不明显或无偏析，因此以下主要讨论310S 奥氏体不锈钢中微量元素Mn 和Nb 分配系数的变化。

表2
不同温度下液、固相中各元素含量及平衡分配系数
温度/ħ
状态Si Cr Mn Ni Nb 1400
液相
0.4324.56 1.0419.030.38固相0.3421.360.9419.440.03K 00.790.870.90 1.020.081380
液相
0.4726.5 1.0718.590.95固相0.3922.89 1.0019.30.06K 00.830.860.93 1.040.031360
液相
0.4727.2 1.0518.43 2.00固相0.423.55 1.0219.170.13K 00.850.870.97 1.040.0651340
液相
0.4627.22 1.0218.47 3.33固相0.4123.79 1.0219.120.22K 0
0.89
0.87
1.00
1.04
0.
07
图2310S 奥氏体不锈钢的平衡分配系数与温度的关系
2.2310S 奥氏体不锈钢中Mn 元素的偏析规
律
通过Thermo-Calc 热力学软件计算的310S 奥氏体不锈钢平衡凝固时Mn 元素在液相和固相
中的含量如图3所示。

由图3可以看出，
随着凝固的进行，
固相中Mn 的含量逐渐增多，温度低于1360ħ时Mn 的含量不再发生变化；液相中的Mn 含量在1400ħ 1380ħ区间内逐渐增多，在1380ħ 1340ħ区间内逐渐下降，1380ħ时达到
最大；温度高于1340ħ凝固时，
Mn 在固相中的含量低于在液相中的含量。

从图2中Mn 元素的平衡分配系数可以看
出，
平衡凝固时，随着凝固温度的降低，Mn 元素的平衡分配系数平缓增加且小于1，
说明Mn 元素向枝晶间液相中富集且富集趋势减弱，
是正偏析元素。

Mn 元素是γ相形成元素，
在凝固过程中会产生向固相扩散的倾向，
相应在液相中的富集程度就会减轻，
造成液相中Mn 元素的含量降低，从而造成分配系数逐渐上升。

图3Mn 元素在液、固相中含量随温度变化曲线
2.3310S 奥氏体不锈钢中Nb 元素的偏析规
律
图4显示了Thermo-Calc 计算的平衡凝固时液相和固相中Nb 元素的含量随温度的变化。

图4Nb 元素在液、固相中含量随温度变化曲线
由图4可以看出，随着温度的降低，
Nb 在液相和固相中的含量均呈逐渐增加趋势，但在固相中增加趋势较平缓，
液相中增加趋势显著，且在整1
4第1期邹浩等：基于Thermo-Calc 的310S 奥氏体不锈钢元素分配分析
个凝固过程中，Nb在固相中的含量均低于在液相中的含量。

从图2中Nb元素的平衡分配系数可以看出，Nb元素在整个凝固过程中的平衡分配系数小于1，且均在0 0.1区间内浮动，是正偏析元素，向枝晶间液相中富集，说明Nb是310S奥氏体不锈钢中的主要偏析元素，偏析行为显著。

而Nb元素的平衡分配系数在1380ħ明显下降，是因为在凝固初期，液相和固相中Nb元素浓度梯度大，扩散速率快，Nb元素向枝晶间液相富集倾向增大，使得液相中Nb的浓度迅速增加，分配系数减小。

之后随着凝固的进行，温度逐渐降低，Nb元素的这种扩散趋势逐渐减弱，使得分配系数又逐渐上升。

3结论
（1）随着凝固温度的降低，固相中Mn的含量逐渐增多，液相中Mn的含量逐渐减少，Mn元素的平衡分配系数小于1，是正偏析元素，向枝晶间液相中富集且富集趋势减弱。

（2）随着凝固温度的降低，Nb在液相和固相中的含量均逐渐增加，但在固相中增加趋势较平缓，液相中增加趋势显著。

Nb元素的平衡分配系数小于1，是正偏析元素，向枝晶间液相中富集。

参考文献：
［1］张玉妥，陈波，刘奎，等．低偏析技术的发展［J］．金属学报：2017，53（5）：559－566．
［2］JIANGＲong，CHEN Bo，HAO Xianchao，et al．Micro-segregation and precipitation of alloy690during iso-
thermal solidification：the role of nitrogen content［J］．
Journal of Materials Science and Technology，2012，28
（5）：446－452．
［3］LI Dianzhong，CHEN Xingqiu，FU Paixian，et al．In-clusion flotation-driven channel segregation in solidif-
ying steels［J］．Nature Communications，2014，5：
5572－5576．
［4］郭静，李金国，刘纪德，等．低偏析异质籽晶制备单晶高温合金的籽晶熔合区形成机制研究［J］．金属学
报，2018，54（3）：419－427．
［5］FU Junwei，YANG Yuansheng，Guo Jingjing，et al．Formation of two-phase coupled microstructure in AISI
304stainless steel during directional solidification［J］．
MaterialsＲesearch Society，2009，24（7）：2385－
2390．
［6］杨照明，韩静涛，刘靖，等．奥氏体耐热不锈钢310S 的抗高温氧化性能研究［J］．材料热处理，2006，35
（14）：33－35．
［7］马艳丽，徐斌，李具仓．310S耐热奥氏体不锈钢连铸坯研究［J］．铸造，2015，64（5）：463－466．
［8］隋永菊，金鑫．310S奥氏体耐热不锈钢高温氧化性能的研究［J］．热处理技术与装备，2015，36（6）：21－
24．
［9］赵光伟．基于Thermo-Calc的多尺度合金凝固传输行为计算机模拟［D］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，
2007：27－28．
［10］何燕霖，李麟，叶平，等．Thermo-Calc和Dictra软件系统在高性能钢研制中的应用［J］．材料热处理学
报，2003，24（4）：73－78．
［11］张凯强，唐广波，李激光．基于Thermo-Calc的马氏体耐热不锈钢析出相分析［J］．材料热处理学报，
2017，38（5）：161－165．
（责任编辑：赵丽琴）
24沈阳理工大学学报第38卷。