残余元素对奥氏体不锈钢中热裂纹形成敏感性的影响

连铸工艺同模铸工艺，相比具有收得率高、质量稳定和减少工序的特点。从经济角度及质量要求方面考虑，在进入下一道工序时，连铸坯必须是无缺陷的，如果可能，不需要任何的检查与加工。为了获悉在连铸坯内部或表面裂纹的形成机制以及在出现裂纹情况下材料的高温性能，研究者进行了大量的高温拉伸测试。通常，在刚好低于1000℃进行的高温拉伸测试被称作“温拉伸"，而在l0OO℃至熔点温度以下进行的高温拉伸测试被称作“高温拉伸”。高温拉伸测试主要研究材料的强度及韧性(延展性)，以实现在凝固及连铸过程中对产品质量进行优化。     金属材料的高温性能受多种参数的影响。对性能有显著影响的因素，比如：材料的化学成分、应变速度、温度一时间循环关系一直是人们研究的对象。

    1  连铸过程中热裂纹的形成

    在连铸、焊接及热加工过程中，如果材料不能承受应力和应变所产生的应力，热裂纹就会形成。说到这里，必须区别两种不同类型的热裂纹。第一种热裂纹是晶体内裂纹，当有液相薄膜层浸入晶粒边界，在拉伸负荷作用下，没有出现塑性变形，晶粒内部显微组织就发生了撕裂。第二种热裂纹则正好相反，不涉及液相。大约在再结晶温度以下，材料的延展性有所降低，因此，这种热裂纹被称作“延展性降低裂纹”。

    第一种热裂纹被称作偏析裂纹，因为液相薄膜的形成与凝固过程中合金元素的显微偏析有关。这种类型的裂纹可进一步分为凝固收缩裂纹和熔化裂纹。

    凝固过程中，在凝固面前沿的熔融区富含合金元素和残余元素。因此，在凝固过程的末期还会存在少量的残留液相分布在已凝固的显微组织之间，把它们分开。凝固和冷却阶段产生的收缩应变以及膨胀另外增加的收缩应变都会产生表面裂纹和内部裂纹。即使在随后的热成型加工中，内部凝固裂纹也不能消除，如果材料承受更大的张力负荷，合金元素偏析的地方仍会发生断裂。如果这些区域在随后进一步的加工中被切掉，这些部位有可能成为淬火裂纹的起始点或导致材料发生劈裂。对于凝固过程，过去曾做过大量的报道。在接下来的部分，将会对凝固裂纹的形成过程进行解释。随着凝固过程的进行，在还剩大约3O％液相的时候，晶粒之间的相互连接使最初试样可以经受住较小的外力。此时的温度被称作零强度温度Tnf。从宏观上来讲，此时的试样很脆，甚至会完全断裂，因为晶粒间残留的液相薄膜不能把应变转移到邻近的枝晶或晶粒。随着试验温度的降低，合金元素的局部偏析区开始凝固，当断裂时首先能测到断面收缩发生在所谓的零塑性温度Tnf。随着温度的进一步降低，材料的强度持续增加，断裂瞬间断面收缩开始急剧增加，当达到最大值后多少有些下降，其值完全依赖于钢种。这种所谓的二次降低塑性归因于合金元素和残余元素在奥氏体中的溶解度降低，析出相应的微粒，流体相的形成以及在奥氏体晶粒边界析出亚共析铁素体。这使得材料断裂瞬间其最小断面收缩可以降到很低的值。

    零强度温度和零塑性温度之间的温度范围表示了材料固相和液相界面力学性能的特征。这两个温度的差值(△T0=△Tnzf=Tnf一Tnz)可用来作为连铸坯内部裂纹和热裂纹形成敏感性的量度。工业研究证实，当此温度范围△T0增加时，可观察到的内部裂纹数量有所增加。

    奥氏体不锈钢凝固组织的形态取决于铁素体和奥氏体形成元素的平衡含量。此平衡含量通常用铬当量和镍当量之比来表示，即Creq／Nieq。在本文中，我们按照Hammar和Svensson的方法来计算Creq／Nieq。

    具有低Creq／Nieq比值的奥氏体铬镍钢内部容易出现裂纹。结晶器出口处的铸坯是裂纹形成的关键区，因为这里的冷却速度急剧降低，连铸坯的温度梯度也显著降低。因此，凝固前沿的温度升高，甚至可以达到熔点。此效应导致靠近凝固前沿的柱状晶之间产生熔融偏聚区。如果铸坯到达二次冷却的第一区，则又可以恢复较高的温度梯度。

    不同钢种不锈钢对热裂纹形成的敏感性显示出极大的差异。对于这些钢种，热裂纹的形成主要同凝固过程中初生析出相的类型和析出相的顺序有密切关系。初生析出相为奥氏体的不锈钢具有较高的热裂纹形成敏感性。除了在凝固过程中产生的较大收缩外，热裂纹易于形成的原因还有：磷和硫元素溶解度的降低，它们在基体中扩散速度降低以及锰在奥氏体晶格中溶解度的增加。

    大生产的不锈、耐酸和耐热钢，其热裂纹形成的敏感性在多大程度上可以通过加入合金元素，如钙和镁来降低以及通过加入来自废金属的残余元素铜、锡和铅会增加其敏感性，这样的研究目前几乎没有。因此，应当研究这些元素对奥氏体不锈钢高温性能的影响。

    本文主要阐述上述元素的不同含量对所选不锈钢高温延展性和强度的影响以及对其在熔点至11OO℃之间热裂纹形成敏感性的影响。此外，在工业条件下，重新加热对材料在上述温度区间内的高温塑性的影响也进行了研究。

    2  实验

    2．1材料和试样的制备