基于Schaeffler相组分图中单相奥氏体区域内的凝固裂纹机理研究

Solidification cracking occurred during stainless steel and nickel alloy of austenitic series welding is always the bottleneck problem of industrial production, which seriously restricts the development of petrochemical fields. Due to the occurrence of solidification cracking frequently during austenitic metals laser welding, the solidification cracking susceptibility within the single austenite area of Schaeffler diagram as the research object, Trans-Varestraint test， phase field method and theoretical calculation of solidification would be employed to study the distribution characteristics of the brittleness temperature range, to establish precise prediction system of solidification microstructure within single austenite area and to analysis the solute segregation. The research results could elucidate the mechanism of the formation and spreading of solidification cracking within the single austenite area of Schaeffler diagram, make clear the effect of chemical composition (Cr and Ni equivalent) on the solidification microstructure and cracking, which are very significance and beneficial to provide the theoretical foundation and scientific basis for the promotion of austenitic metal welding.

奥氏体系不锈钢及镍合金等金属焊接过程中出现的凝固裂纹一直是工业生产急需解决的瓶颈问题，严重制约着石油化工等领域的发展。针对奥氏体系金属激光焊接过程中凝固裂纹频发的问题，本项目以Schaeffler相组分图中单相奥氏体区域内凝固裂纹敏感性为研究对象，采用横向可调拘束实验、相场法模拟和凝固理论计算等方法，研究脆性温度区间在单相奥氏体区域内分布规律，建立凝固组织在单相奥氏体区域内的精确预测体系，计算分析凝固过程中溶质偏析。项目研究成果对阐明Schaeffler相组分图单相奥氏体区域内凝固裂纹形成和扩展机理，揭示单相奥氏体区域内化学成分（Cr、Ni当量）对凝固组织和裂纹敏感性的影响规律具有重要意义，为推动奥氏体系金属焊接在工业应用中提供理论基础和科学依据。

奥氏体系不锈钢及镍基合金等金属焊接过程中出现的凝固裂纹一直是工业生产急需解决的瓶颈问题，严重制约着石油化工等领域的发展。针对奥氏体系金属激光焊接过程中凝固裂纹频发的问题，本项目以Schaeffler相图中单相奥氏体区域内不同化学成分焊缝为研究对象，利用激光横向可调拘束实验、相场法模拟和理论计算等方法，对其凝固裂纹敏感性进行深入研究。.建立了Creq/Nieq与脆性温度区间之间的内在关系。随着Creq/Nieq值从0.1增加到1.2，凝固裂纹总长度、最长凝固裂纹长度和脆性温度区间均先增加后下降。澄清了Schaeffler相图单相奥氏体区域内凝固裂纹敏感性。Schaeffler相图单相奥氏体区域内凝固裂纹敏感性呈扇形分布，中间区域敏感性相对较高，周边区域则相对较低。探明了基于相场法模拟的凝固组织残余液体金属形貌与分布情况。随着C和Si含量的增加，枝晶间孤立的残余液膜长度和数量都有所增加，且C的影响更大。Mn含量的变化对残余液体形貌影响相对较小。阐明了奥氏体系合金凝固裂纹产生机理。当Creq/Nieq值在0.1-1.2之间时，P+S、Si和Nb等合金元素含量呈现出先增加后降低的分布特点，而P+S、Nb和Si含量的增加可促使在凝固过程中或者末期形成低熔点共晶化合物-偏析液膜，显著降低晶界强度，以致凝固裂纹敏感性增加。且在一定条件下，Nb含量对凝固裂纹敏感性的影响要远大于P+S等的影响。另外，C、Si等元素含量的增加使得凝固组织残余液膜长度和数量有所增加，导致凝固裂纹敏感性增加。建立了Schaeffler相图单相奥氏体区域内凝固组织和裂纹敏感性的预测体系。对于单相奥氏体合金，当焊缝中P+S、C、Si和Nb等元素在一定范围内含量较高时，既可预测组织中分布有较多较长的孤立的残余液膜，又可预测该焊缝凝固裂纹敏感性较高。.本项目研究成果为推动奥氏体系金属焊接在工业的应用提供了重要的理论指导意义和实际参考价值。