热加工过程中奥氏体合金失塑裂纹的机制

Austenitic alloys are prone to suffer from hot cracks which relate to the deformation character of cast structure during hot working. There are lots of studies in welding process about this kind of hot crack, which is called ductility-dip cracking (DDC). We extend the concept of DDC to the field of hot deformation in this project. The austenitic alloys to be studied are nickel-based alloys，Cr-Ni and Cr-Mn austenitic stainless steels. Utilizing controllable cooling rate solidification test and welding method obtain the alloys with variable cast structures. The approaches to be employed are hot deformation tests, analysis of microstructure, finite element analysis, and the investigation of production process.We mainly study the character of phase morphology and deformation behaviors related to DDC, and the effect of microstructures, chemical compositions, and thermal-mechanical conditions to DDC. The goals of this project are to understand the deformation mechanism of secondary grains and substructures of cast structure in austenitic alloys, grain boundary sliding and migrating of cast grains, realize the interaction of sub-boundary and second phase to grain boundary, the cooperation of grain deformation and grain boundary sliding, nucleation of cracks. Explore the mechanism of DDC nucleation and propagation combined with the above results. Put forward a uniform method to evaluate DDC between welding and hot deformation, and propose a method to reduce DDC in engineering.

奥氏体合金在热加工过程中容易产生一种与铸态组织的高温变形特性相关的热裂纹，在焊接领域研究较多称之为失塑裂纹。本项目将失塑裂纹的概念引申到热变形加工领域，针对镍基合金和Cr-Ni及Cr-Mn型奥氏体不锈钢，利用可控冷却速度的凝固试验和焊接方法调控铸态组织，通过热变形试验、显微分析、计算模拟及生产现场调查，研究奥氏体合金铸态组织中有关失塑裂纹的相形态特征以及微观变形行为，微观组织、合金成分和热加工过程中的热力条件对失塑裂纹的影响。关键研究奥氏体合金铸态组织，在热加工的条件下晶粒内的二次晶及位错亚结构的变形机制及强化特性；有明显结晶取向的铸态晶粒的晶界滑移与迁移，以及亚晶界和第二相与晶界的相互作用；晶粒变形与晶界滑移的协调与裂纹形核；进而探索其失塑裂纹形核与扩展的机制。建立适用于焊接工艺和热变形工艺的失塑裂纹统一的评价方法，提出工程中控制失塑裂纹的措施及方法。

镍基合金和奥氏体不锈钢是工程中常用奥氏体合金。针对它们在热加工过程中容易产生热裂纹的问题进行了系统研究。首先分析低镍奥氏体不锈钢微观组织、变形温度和应变速率对热塑性的影响规律，揭示出存在低热塑性的温度区间是铸态奥氏体合金本质特性，热变形加工过程中的开裂问题与焊接工艺中的失塑裂纹具有相同特征，具有相同机制。铸态组织的柱状晶具有明显的结晶取向性，在失塑温度区间表现出较高屈服应力，致使塑性变形时晶粒间协调能力差，是产生失塑裂纹的本质原因。. 开发了高温拉伸变截面试样的方法，评价热变形过程中的裂纹敏感性，其优点是可通过单试样确定产生裂纹的临界应变量。并测定了几种典型奥氏体合金的失塑裂纹敏感温度区间：304奥氏体不锈钢铸坯和焊缝金属的裂纹敏感温度区间均为1000～1150 ℃；Incoloy-800合金的温度区间与上者相近，经均匀化处理后的试样，产生裂纹的临界应变量明显增加；镍基合金690的焊缝填充材料FM-52和FM-72的失塑裂纹的敏感温度为900～1150℃时，后者产生裂纹的临界应变较小。尽管通常用临界应变量作为产生裂纹的条件，但失塑裂纹的产生与应力密切相关，当流变应力超过产生裂纹的临界应力时，裂纹容易沿晶界产生，这是本项目研究对DDC产生机理的新认知。. 热变形过程中材料表面的应变局部化，为材料开裂提供应力集中的条件，在拉伸试验中称为局部几何失稳或颈缩。利用高温拉伸试验，结合有限元分析方法，认识了奥氏体不锈钢的高温拉伸失稳特征及演变机制：高温拉伸过程中，试样在达到最大应力后先形成潜在颈缩区，称为载荷失稳，由于应变速率敏感性的作用变形抗力增加，使变形不能在该区域集中而转向其它位置，这样的过程要经历一段宏观均匀变形后才发生最终颈缩。奥氏体不锈钢几何失稳应变由加工硬化指数n和应变速率敏感性系数m决定，εi=an+bnm，其中，an=-0.153+1.268n，bn=4.167+5.389n。. 共发表论文28篇，其中,SCI收录论文2篇, ,EI收录论文8篇。项目执行期间培养博士研究生2名，硕士研究生4名。