殘余元素對奧氏體不銹鋼中熱裂紋形成敏感性的影響

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1、殘余元素對奧氏體不銹鋼中熱裂紋形成敏感性的影響連鑄工藝同模鑄工藝，相比具有收得率高、質(zhì)量穩(wěn)定和減少工序的特點(diǎn)。從經(jīng)濟(jì)角度及質(zhì)量要求方面考慮，在進(jìn)入下一道工序時(shí)，連鑄坯必須是無缺陷的，如果可能，不需要任何的檢查與加工。為了獲悉在連鑄坯內(nèi)部或表面裂紋的形成機(jī)制以及在出現(xiàn)裂紋情況下材料的高溫性能，研究者進(jìn)行了大量的高溫拉伸測試。通常，在剛好低于1000℃進(jìn)行的高溫拉伸測試被稱作“溫拉伸"，而在l0OO℃至熔點(diǎn)溫度以下進(jìn)行的高溫拉伸測試被稱作“高溫拉伸”。高溫拉伸測試主要研究材料的強(qiáng)度及韌性(延展性)，以實(shí)現(xiàn)在凝固及連鑄過程中對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化。?

2、???金屬材料的高溫性能受多種參數(shù)的影響。對性能有顯著影響的因素，比如：材料的化學(xué)成分、應(yīng)變速度、溫度一時(shí)間循環(huán)關(guān)系一直是人們研究的對象。????1??連鑄過程中熱裂紋的形成????在連鑄、焊接及熱加工過程中，如果材料不能承受應(yīng)力和應(yīng)變所產(chǎn)生的應(yīng)力，熱裂紋就會形成。說到這里，必須區(qū)別兩種不同類型的熱裂紋。第一種熱裂紋是晶體內(nèi)裂紋，當(dāng)有液相薄膜層浸入晶粒邊界，在拉伸負(fù)荷作用下，沒有出現(xiàn)塑性變形，晶粒內(nèi)部顯微組織就發(fā)生了撕裂。第二種熱裂紋則正好相反，不涉及液相。大約在再結(jié)晶溫度以下，材料的延展性有所降低，因此，這種熱裂紋被稱作“延展性降低裂紋”

3、。????第一種熱裂紋被稱作偏析裂紋，因?yàn)橐合啾∧さ男纬膳c凝固過程中合金元素的顯微偏析有關(guān)。這種類型的裂紋可進(jìn)一步分為凝固收縮裂紋和熔化裂紋。????凝固過程中，在凝固面前沿的熔融區(qū)富含合金元素和殘余元素。因此，在凝固過程的末期還會存在少量的殘留液相分布在已凝固的顯微組織之間，把它們分開。凝固和冷卻階段產(chǎn)生的收縮應(yīng)變以及膨脹另外增加的收縮應(yīng)變都會產(chǎn)生表面裂紋和內(nèi)部裂紋。即使在隨后的熱成型加工中，內(nèi)部凝固裂紋也不能消除，如果材料承受更大的張力負(fù)荷，合金元素偏析的地方仍會發(fā)生斷裂。如果這些區(qū)域在隨后進(jìn)一步的加工中被切掉，這些部位有可能成為淬火裂

4、紋的起始點(diǎn)或?qū)е虏牧习l(fā)生劈裂。對于凝固過程，過去曾做過大量的報(bào)道。在接下來的部分，將會對凝固裂紋的形成過程進(jìn)行解釋。隨著凝固過程的進(jìn)行，在還剩大約3O％液相的時(shí)候，晶粒之間的相互連接使最初試樣可以經(jīng)受住較小的外力。此時(shí)的溫度被稱作零強(qiáng)度溫度Tnf。從宏觀上來講，此時(shí)的試樣很脆，甚至?xí)耆珨嗔眩驗(yàn)榫Яｉg殘留的液相薄膜不能把應(yīng)變轉(zhuǎn)移到鄰近的枝晶或晶粒。隨著試驗(yàn)溫度的降低，合金元素的局部偏析區(qū)開始凝固，當(dāng)斷裂時(shí)首先能測到斷面收縮發(fā)生在所謂的零塑性溫度Tnf。隨著溫度的進(jìn)一步降低，材料的強(qiáng)度持續(xù)增加，斷裂瞬間斷面收縮開始急劇增加，當(dāng)達(dá)到最大值后多

5、少有些下降，其值完全依賴于鋼種。這種所謂的二次降低塑性歸因于合金元素和殘余元素在奧氏體中的溶解度降低，析出相應(yīng)的微粒，流體相的形成以及在奧氏體晶粒邊界析出亞共析鐵素體。這使得材料斷裂瞬間其最小斷面收縮可以降到很低的值。?零強(qiáng)度溫度和零塑性溫度之間的溫度范圍表示了材料固相和液相界面力學(xué)性能的特征。這兩個(gè)溫度的差值(△T0=△Tnzf=Tnf一Tnz)可用來作為連鑄坯內(nèi)部裂紋和熱裂紋形成敏感性的量度。工業(yè)研究證實(shí)，當(dāng)此溫度范圍△T0增加時(shí)，可觀察到的內(nèi)部裂紋數(shù)量有所增加。???奧氏體不銹鋼凝固組織的形態(tài)取決于鐵素體和奧氏體形成元素的平衡含量。此

6、平衡含量通常用鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量之比來表示，即Creq／Nieq。在本文中，我們按照Hammar和Svensson的方法來計(jì)算Creq／Nieq。????具有低Creq／Nieq比值的奧氏體鉻鎳鋼內(nèi)部容易出現(xiàn)裂紋。結(jié)晶器出口處的鑄坯是裂紋形成的關(guān)鍵區(qū)，因?yàn)檫@里的冷卻速度急劇降低，連鑄坯的溫度梯度也顯著降低。因此，凝固前沿的溫度升高，甚至可以達(dá)到熔點(diǎn)。此效應(yīng)導(dǎo)致靠近凝固前沿的柱狀晶之間產(chǎn)生熔融偏聚區(qū)。如果鑄坯到達(dá)二次冷卻的第一區(qū)，則又可以恢復(fù)較高的溫度梯度。????不同鋼種不銹鋼對熱裂紋形成的敏感性顯示出極大的差異。對于這些鋼種，熱裂紋的形成主要

7、同凝固過程中初生析出相的類型和析出相的順序有密切關(guān)系。初生析出相為奧氏體的不銹鋼具有較高的熱裂紋形成敏感性。除了在凝固過程中產(chǎn)生的較大收縮外，熱裂紋易于形成的原因還有：磷和硫元素溶解度的降低，它們在基體中擴(kuò)散速度降低以及錳在奧氏體晶格中溶解度的增加。????大生產(chǎn)的不銹、耐酸和耐熱鋼，其熱裂紋形成的敏感性在多大程度上可以通過加入合金元素，如鈣和鎂來降低以及通過加入來自廢金屬的殘余元素銅、錫和鉛會增加其敏感性，這樣的研究目前幾乎沒有。因此，應(yīng)當(dāng)研究這些元素對奧氏體不銹鋼高溫性能的影響。????本文主要闡述上述元素的不同含量對所選不銹鋼高溫延展

8、性和強(qiáng)度的影響以及對其在熔點(diǎn)至11OO℃之間熱裂紋形成敏感性的影響。此外，在工業(yè)條件下，重新加熱對材料在上述溫度區(qū)間內(nèi)的高溫塑性的影響也進(jìn)行了研究。????2??實(shí)驗(yàn)?2．1材料