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殘餘元素對奧氏體不鏽鋼熱裂紋形成敏感性的影響
日期：2025-05-14 19:46
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摘要：
殘餘元素對奧氏體不鏽鋼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、質量穩定和減少工序的特點。從經濟角度及質量要求方麵考慮，在進入下一道工序時，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部或表麵裂紋的形成機製以及在出現裂紋情況下材料的高溫性能，研究者進行了大量的高溫拉伸測試。通常，在剛好低於1000℃進行的高溫拉伸測試被稱作“溫拉伸"，而在l0OO℃至熔點溫度以下進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度及韌性(延展性)，以實現在凝固及連鑄過程中對產品質量進行優化。
金屬材料的高溫性能受多種參數的影響。對性能有顯著影響的因素，比如：材料的化學成分、應變速度、溫度一時間循環關係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力和應變所產生的應力，熱裂紋就會形成。說到這裡，必須區彆兩種不同類型的熱裂紋。**種熱裂紋是晶體內裂紋，當有液相薄膜層浸入晶粒邊界，在拉伸負荷作用下，冇有出現塑性變形，晶粒內部顯微組織就發生了撕裂。**種熱裂紋則正好相反，不涉及液相。大約在再結晶溫度以下，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”。
**種熱裂紋被稱作偏析裂紋，因為液相薄膜的形成與凝固過程中合金元素的顯微偏析有關。這種類型的裂紋可進一步分為凝固收縮裂紋和熔化裂紋。
凝固過程中，在凝固麵前沿的熔融區富含合金元素和殘餘元素。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。凝固和冷卻階段產生的收縮應變以及膨脹另外增加的收縮應變都會產生表麵裂紋和內部裂紋。即使在隨後的熱成型加工中，內部凝固裂紋也不能消除，如果材料承受更大的張力負荷，合金元素偏析的地方仍會發生斷裂。如果這些區域在隨後進一步的加工中被切掉，這些部位有可能成為淬火裂紋的起始點或導致材料發生劈裂。
隨著凝固過程的進行，在還剩大約3O％液相的時候，晶粒之間的相互連接使*初試樣可以經受住較小的外力。此時的溫度被稱作零強度溫度Tnf。從宏觀上來講，此時的試樣很脆，甚至會完全斷裂，因為晶粒間殘留的液相薄膜不能把應變轉移到鄰近的枝晶或晶粒。隨著試驗溫度的降低，合金元素的局部偏析區開始凝固，當斷裂時首先能測到斷麵收縮發生在所謂的零塑性溫度Tnf。隨著溫度的進一步降低，材料的強度持續增加，斷裂瞬間斷麵收縮開始急劇增加，當達到*大值後多少有些下降，其值完全依賴於鋼種。這種所謂的二次降低塑性歸因於合金元素和殘餘元素在奧氏體中的溶解度降低，析出相應的微粒，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*小斷麵收縮可以降到很低的值。
零強度溫度和零塑性溫度之間的溫度範圍表示了材料固相和液相界麵力學性能的特征。這兩個溫度的差值(△T0=△Tnzf=Tnf一Tnz)可用來作為連鑄坯內部裂紋和熱裂紋形成敏感性的量度。工業研究證實，當此溫度範圍△T0增加時，可觀察到的內部裂紋數量有所增加。
奧氏體不鏽鋼凝固組織的形態取決於鐵素體和奧氏體形成元素的平衡含量。此平衡含量通常用鉻當量和鎳當量之比來表示，即Creq／Nieq。在本文中，我們按照Hammar和Svensson的方法來計算Creq／Nieq。
具有低Creq／Nieq比值的奧氏體鉻鎳鋼內部容易出現裂紋。結晶器出口處的鑄坯是裂紋形成的關鍵區，因為這裡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，甚至可以達到熔點。此效應導致靠近凝固前沿的柱狀晶之間產生熔融偏聚區。如果鑄坯到達二次冷卻的**區，則又可以恢複較高的溫度梯度。
不同鋼種不鏽鋼對熱裂紋形成的敏感性顯示出極大的差異。對於這些鋼種，熱裂紋的形成主要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係。初生析出相為奧氏體的不鏽鋼具有較高的熱裂紋形成敏感性。除了在凝固過程中產生的較大收縮外，熱裂紋易於形成的原因還有：磷和硫元素溶解度的降低，它們在基體中擴散速度降低以及錳在奧氏體晶格中溶解度的增加。
大生產的不鏽、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餘元素銅、錫和鉛會增加其敏感性，這樣的研究目前幾乎冇有。因此，應當研究這些元素對奧氏體不鏽鋼高溫性能的影響。
本文主要闡述上述元素的不同含量對所選不鏽鋼高溫延展性和強度的影響以及對其在熔點至11OO℃之間熱裂紋形成敏感性的影響。此外，在工業條件下，重新加熱對材料在上述溫度區間內的高溫塑性的影響也進行了研究。
2、 銅、錫和鉛對材料高溫性能的影響
選用AISI 304(1.4301)和AISI 317(1.4439)這兩種材料來進行一係列的測試。它們的凝固模式主要分彆為鐵素體模式和奧氏體模式。隻有AISI 304才加入鉛。
①銅的加入從根本上降低了特征溫度，但對兩種材料的作用不同。對於材料AISI 317，其臨界凝固溫度區間從34K(含0.07％銅)增至48K(含2.34％銅)。同時零強度溫度和零塑性溫度都有所下降。對於材料AISI 304，當銅含量從0.07％增至0.81％時，其熔點溫度、凝固點溫度、零強度溫度和零塑性溫度下降了約8K，當銅含量增至2.49％時，這些溫度開始保持不變，但臨界凝固溫度區間增大。
從加銅合金斷裂時的斷麵收縮率和*大拉力隨溫度的變化關係可知，隨著銅含量的增加，對斷麵收縮率並冇有明顯影響。AISI 317,HAISI 304，隨著溫度逐漸降至l100-C，它們的塑性不但冇有降低反而有所升高。用來進行拉伸測試的試樣含銅量是*高的(AISI 317含銅2.34％，AISI 304含銅2.49％)。隨著銅含量的增加，AISI 304的斷麵收縮率冇有變化而AISI 317的斷麵收縮率則稍微下降。塑性的降低主要是由於較高的形變速率而不是由於銅含量的增加。
②錫的加入從根本上降低了材料的特征溫度，但對兩種鋼的作用方式不同。對AISI 317，隨著錫含量從O.006％增加到O.15％，其臨界凝固溫度區間從34K增至67K，幾乎增加了一倍；而當錫含量增至約O.3％時，則降至58K。錫對AISI 304的作用則不同，隨著錫含量從O.009％增加到O.22％，其臨界凝固溫度區間*初升高而後保持在l6K，一直到錫含量增至O.41％(試樣Sn 3)。
對於AISI 304隨著錫含量的增加，當溫度小於l25O℃時，零強度溫度、零塑性溫度以及斷麵收縮率都有所下降，而對AISI 317這種變化不是連續的。當平均錫含量為O.15％時達到*低值。對材料的顯微組織研究表明，這種情況出現的原因是錫含量的增加降低了鉬元素的偏聚。另外，大量硫和錳的偏聚也有重要影響。總而言之，可以說兩種材料中錫含量的增加顯著降低了其韌性，尤其是在1300℃左右的溫度區間內。AIS工304塑性的降低要大於AISI 317。對於這兩種材料，當含錫量*高的試樣在大生產條件下退火後，兩種材料在應變速度為O.3s-1_的情況下其韌性有所降低，但在950℃至125O℃的溫度區間內幾乎保持不變。由於斷麵收縮率的變化同未經過退火的情況以及低應變速度的變化方向一致，因此可以得出這樣的結論，即：材料塑性的變化是由於應變速度的影響。
③鉛 本文研究了鉛對AISI 304(1.4301)高溫性能的影響。由於試樣較少，所以隻進行了有限的實驗工作。鉛的*大加入量為l4×10-6根據差式熱分析法研究發現，當鉛含量在(1O～14)×10-6時，材料的熔點Tlig降低了約8K，凝固點Tsol降低了約1OK。當鉛含量從O增至1O×10-6時臨界溫度區間△To(零強度溫度和零塑性溫度之間的差值)從5K增至約35K。
較低的變形速度對材料的韌性似乎冇有什麼影響。相反，退火試樣在應變速度為O.3S-1條件下進行試驗，其韌性在11O0℃至12OO℃的溫度範圍內明顯降低。
3 、 鈣和鎂對材料高溫性能的影響
加入鈣和鎂對不鏽鋼高溫強度和塑性的影響是通過對AISI 304LN(1.4311)和AISI 316L(1.4435)的研究得出的。這兩種鋼的初生析出相分彆為鐵素體和奧氏體。
對AISI 304LN，加入不同含量的鈣和鎂在整個溫度區間內材料的韌性都有所增加。鈣和鎂的添加對AISI 316L的作用也相同。同不加鈣和鎂的試樣相比，加入(15～17)×10-6的鎂可使AISI 316L的零塑性溫度降低1OK。但是其塑性仍顯著低於AISI 304LN。
4、討論
對於初生析出相為鐵素體的AISI 304，銅的加入隻稍微增加了臨界凝固溫度範圍(約lOK)，同時降低了凝固點和零韌性溫度，而對初生析出相為奧氏體的AISI 3l7，銅的加入則使上述溫度顯著提高。相反，加入O.7％～2.5％的銅幾乎不影響二者的高溫強度和塑性。對於大生產來講，這意味著當含銅量為0.7％～2.5％時，AISI 304的澆鑄溫度應當降低1O～20K，對AISI 317進行連鑄時必須采取措施降低作用於連鑄坯外殼的機械壓力。
AISI 304*多含O.4％的錫時，其臨界凝固溫度範圍僅僅增加了約lOK。相反，AISI 317中隻要加入O.3％的錫，其臨界凝固溫度範圍就會顯著增加。隨著錫含量的增加，這兩種材料的韌性明顯降低，尤其是在13OO℃左右的溫度範圍內。由於同AISI 3l7相比，AISI 304的韌性降低得更多，所以應當注意這種材料在熱成型加工中的參數。
當AISI 304中含(1O～l4)×10-6的鉛時，在11OO℃至12OO℃的溫度範圍內，隨著變形速度的增加，其韌性*差。因此在大生產中，鉛的含量應控製在lO×10-6以下。
在AISI 304LN和AISI 316L中加入鈣和鎂隻稍微降低它們的熔點和零塑性溫度。鈣和鎂的加入使二者從l3OO～135O℃的溫度直到11OO℃，延展性都顯著增加。從這點可以得出結論：鈣和鎂的加入有利於對二者進行熱加工。
5 小結
銅、錫、鉛、鈣和鎂這些元素對奧氏體不鏽鋼高溫凝固顯微組織的強度和韌性具有不同的作用。此外，凝固方式(初生析出相為鐵素體或奧氏體)也是一個重要的影響因素。
銅、錫和鉛的加入部分增加了材料的臨界溫度範圍寬度，它們影響熱裂紋形成的敏感性。此外，這三種元素還降低了材料凝固顯微組織在拉伸應力作用下的塑性。在大生產連鑄過程中材料出現內部裂紋以及在熱加工過程中出現微裂紋的危險可以分彆通過調整連鑄參數和降低變形速度的方法來降低，尤其對於初生析出相為奧氏體的鋼來講更是如此。
金屬材料的高溫性能受多種參數的影響。對性能有顯著影響的因素，比如：材料的化學成分、應變速度、溫度一時間循環關係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力和應變所產生的應力，熱裂紋就會形成。說到這裡，必須區彆兩種不同類型的熱裂紋。**種熱裂紋是晶體內裂紋，當有液相薄膜層浸入晶粒邊界，在拉伸負荷作用下，冇有出現塑性變形，晶粒內部顯微組織就發生了撕裂。**種熱裂紋則正好相反，不涉及液相。大約在再結晶溫度以下，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”。
**種熱裂紋被稱作偏析裂紋，因為液相薄膜的形成與凝固過程中合金元素的顯微偏析有關。這種類型的裂紋可進一步分為凝固收縮裂紋和熔化裂紋。
凝固過程中，在凝固麵前沿的熔融區富含合金元素和殘餘元素。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。凝固和冷卻階段產生的收縮應變以及膨脹另外增加的收縮應變都會產生表麵裂紋和內部裂紋。即使在隨後的熱成型加工中，內部凝固裂紋也不能消除，如果材料承受更大的張力負荷，合金元素偏析的地方仍會發生斷裂。如果這些區域在隨後進一步的加工中被切掉，這些部位有可能成為淬火裂紋的起始點或導致材料發生劈裂。
隨著凝固過程的進行，在還剩大約3O％液相的時候，晶粒之間的相互連接使*初試樣可以經受住較小的外力。此時的溫度被稱作零強度溫度Tnf。從宏觀上來講，此時的試樣很脆，甚至會完全斷裂，因為晶粒間殘留的液相薄膜不能把應變轉移到鄰近的枝晶或晶粒。隨著試驗溫度的降低，合金元素的局部偏析區開始凝固，當斷裂時首先能測到斷麵收縮發生在所謂的零塑性溫度Tnf。隨著溫度的進一步降低，材料的強度持續增加，斷裂瞬間斷麵收縮開始急劇增加，當達到*大值後多少有些下降，其值完全依賴於鋼種。這種所謂的二次降低塑性歸因於合金元素和殘餘元素在奧氏體中的溶解度降低，析出相應的微粒，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*小斷麵收縮可以降到很低的值。
零強度溫度和零塑性溫度之間的溫度範圍表示了材料固相和液相界麵力學性能的特征。這兩個溫度的差值(△T0=△Tnzf=Tnf一Tnz)可用來作為連鑄坯內部裂紋和熱裂紋形成敏感性的量度。工業研究證實，當此溫度範圍△T0增加時，可觀察到的內部裂紋數量有所增加。
奧氏體不鏽鋼凝固組織的形態取決於鐵素體和奧氏體形成元素的平衡含量。此平衡含量通常用鉻當量和鎳當量之比來表示，即Creq／Nieq。在本文中，我們按照Hammar和Svensson的方法來計算Creq／Nieq。
具有低Creq／Nieq比值的奧氏體鉻鎳鋼內部容易出現裂紋。結晶器出口處的鑄坯是裂紋形成的關鍵區，因為這裡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，甚至可以達到熔點。此效應導致靠近凝固前沿的柱狀晶之間產生熔融偏聚區。如果鑄坯到達二次冷卻的**區，則又可以恢複較高的溫度梯度。
不同鋼種不鏽鋼對熱裂紋形成的敏感性顯示出極大的差異。對於這些鋼種，熱裂紋的形成主要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係。初生析出相為奧氏體的不鏽鋼具有較高的熱裂紋形成敏感性。除了在凝固過程中產生的較大收縮外，熱裂紋易於形成的原因還有：磷和硫元素溶解度的降低，它們在基體中擴散速度降低以及錳在奧氏體晶格中溶解度的增加。
大生產的不鏽、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餘元素銅、錫和鉛會增加其敏感性，這樣的研究目前幾乎冇有。因此，應當研究這些元素對奧氏體不鏽鋼高溫性能的影響。
本文主要闡述上述元素的不同含量對所選不鏽鋼高溫延展性和強度的影響以及對其在熔點至11OO℃之間熱裂紋形成敏感性的影響。此外，在工業條件下，重新加熱對材料在上述溫度區間內的高溫塑性的影響也進行了研究。
2、 銅、錫和鉛對材料高溫性能的影響
選用AISI 304(1.4301)和AISI 317(1.4439)這兩種材料來進行一係列的測試。它們的凝固模式主要分彆為鐵素體模式和奧氏體模式。隻有AISI 304才加入鉛。
①銅的加入從根本上降低了特征溫度，但對兩種材料的作用不同。對於材料AISI 317，其臨界凝固溫度區間從34K(含0.07％銅)增至48K(含2.34％銅)。同時零強度溫度和零塑性溫度都有所下降。對於材料AISI 304，當銅含量從0.07％增至0.81％時，其熔點溫度、凝固點溫度、零強度溫度和零塑性溫度下降了約8K，當銅含量增至2.49％時，這些溫度開始保持不變，但臨界凝固溫度區間增大。
從加銅合金斷裂時的斷麵收縮率和*大拉力隨溫度的變化關係可知，隨著銅含量的增加，對斷麵收縮率並冇有明顯影響。AISI 317,HAISI 304，隨著溫度逐漸降至l100-C，它們的塑性不但冇有降低反而有所升高。用來進行拉伸測試的試樣含銅量是*高的(AISI 317含銅2.34％，AISI 304含銅2.49％)。隨著銅含量的增加，AISI 304的斷麵收縮率冇有變化而AISI 317的斷麵收縮率則稍微下降。塑性的降低主要是由於較高的形變速率而不是由於銅含量的增加。
②錫的加入從根本上降低了材料的特征溫度，但對兩種鋼的作用方式不同。對AISI 317，隨著錫含量從O.006％增加到O.15％，其臨界凝固溫度區間從34K增至67K，幾乎增加了一倍；而當錫含量增至約O.3％時，則降至58K。錫對AISI 304的作用則不同，隨著錫含量從O.009％增加到O.22％，其臨界凝固溫度區間*初升高而後保持在l6K，一直到錫含量增至O.41％(試樣Sn 3)。
對於AISI 304隨著錫含量的增加，當溫度小於l25O℃時，零強度溫度、零塑性溫度以及斷麵收縮率都有所下降，而對AISI 317這種變化不是連續的。當平均錫含量為O.15％時達到*低值。對材料的顯微組織研究表明，這種情況出現的原因是錫含量的增加降低了鉬元素的偏聚。另外，大量硫和錳的偏聚也有重要影響。總而言之，可以說兩種材料中錫含量的增加顯著降低了其韌性，尤其是在1300℃左右的溫度區間內。AIS工304塑性的降低要大於AISI 317。對於這兩種材料，當含錫量*高的試樣在大生產條件下退火後，兩種材料在應變速度為O.3s-1_的情況下其韌性有所降低，但在950℃至125O℃的溫度區間內幾乎保持不變。由於斷麵收縮率的變化同未經過退火的情況以及低應變速度的變化方向一致，因此可以得出這樣的結論，即：材料塑性的變化是由於應變速度的影響。
③鉛 本文研究了鉛對AISI 304(1.4301)高溫性能的影響。由於試樣較少，所以隻進行了有限的實驗工作。鉛的*大加入量為l4×10-6根據差式熱分析法研究發現，當鉛含量在(1O～14)×10-6時，材料的熔點Tlig降低了約8K，凝固點Tsol降低了約1OK。當鉛含量從O增至1O×10-6時臨界溫度區間△To(零強度溫度和零塑性溫度之間的差值)從5K增至約35K。
較低的變形速度對材料的韌性似乎冇有什麼影響。相反，退火試樣在應變速度為O.3S-1條件下進行試驗，其韌性在11O0℃至12OO℃的溫度範圍內明顯降低。
3 、 鈣和鎂對材料高溫性能的影響
加入鈣和鎂對不鏽鋼高溫強度和塑性的影響是通過對AISI 304LN(1.4311)和AISI 316L(1.4435)的研究得出的。這兩種鋼的初生析出相分彆為鐵素體和奧氏體。
對AISI 304LN，加入不同含量的鈣和鎂在整個溫度區間內材料的韌性都有所增加。鈣和鎂的添加對AISI 316L的作用也相同。同不加鈣和鎂的試樣相比，加入(15～17)×10-6的鎂可使AISI 316L的零塑性溫度降低1OK。但是其塑性仍顯著低於AISI 304LN。
4、討論
對於初生析出相為鐵素體的AISI 304，銅的加入隻稍微增加了臨界凝固溫度範圍(約lOK)，同時降低了凝固點和零韌性溫度，而對初生析出相為奧氏體的AISI 3l7，銅的加入則使上述溫度顯著提高。相反，加入O.7％～2.5％的銅幾乎不影響二者的高溫強度和塑性。對於大生產來講，這意味著當含銅量為0.7％～2.5％時，AISI 304的澆鑄溫度應當降低1O～20K，對AISI 317進行連鑄時必須采取措施降低作用於連鑄坯外殼的機械壓力。
AISI 304*多含O.4％的錫時，其臨界凝固溫度範圍僅僅增加了約lOK。相反，AISI 317中隻要加入O.3％的錫，其臨界凝固溫度範圍就會顯著增加。隨著錫含量的增加，這兩種材料的韌性明顯降低，尤其是在13OO℃左右的溫度範圍內。由於同AISI 3l7相比，AISI 304的韌性降低得更多，所以應當注意這種材料在熱成型加工中的參數。
當AISI 304中含(1O～l4)×10-6的鉛時，在11OO℃至12OO℃的溫度範圍內，隨著變形速度的增加，其韌性*差。因此在大生產中，鉛的含量應控製在lO×10-6以下。
在AISI 304LN和AISI 316L中加入鈣和鎂隻稍微降低它們的熔點和零塑性溫度。鈣和鎂的加入使二者從l3OO～135O℃的溫度直到11OO℃，延展性都顯著增加。從這點可以得出結論：鈣和鎂的加入有利於對二者進行熱加工。
5 小結
銅、錫、鉛、鈣和鎂這些元素對奧氏體不鏽鋼高溫凝固顯微組織的強度和韌性具有不同的作用。此外，凝固方式(初生析出相為鐵素體或奧氏體)也是一個重要的影響因素。
銅、錫和鉛的加入部分增加了材料的臨界溫度範圍寬度，它們影響熱裂紋形成的敏感性。此外，這三種元素還降低了材料凝固顯微組織在拉伸應力作用下的塑性。在大生產連鑄過程中材料出現內部裂紋以及在熱加工過程中出現微裂紋的危險可以分彆通過調整連鑄參數和降低變形速度的方法來降低，尤其對於初生析出相為奧氏體的鋼來講更是如此。
殘餘元素對奧氏體不鏽鋼熱裂紋形成敏感性的影響，詳情參考 http://www.xabuxiugang.com/
