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奥氏体不锈钢（ASSs）焊接易受热裂纹困扰，为明确热裂纹机制，研究人员对低 C 高合金 ASS 单道及多道焊缝热裂纹开展研究。借助新裂纹开启法，证实两类裂纹类型，APT 显示元素偏析，且 Creq、Nieq值表明易裂倾向，为热裂纹防治提供依据。
在金属焊接领域，奥氏体不锈钢（Austenitic Stainless Steels, ASSs）凭借优异耐腐蚀性和综合性能被广泛应用，但其焊接过程中热裂纹问题却像顽固的 “拦路虎”。热裂纹主要包括凝固裂纹（Solidification Hot Cracks）和液化裂纹（Liquation Hot Cracks），以往研究发现硫（S）、磷（P）、铌（Nb）、钛（Ti）等有害元素偏析与热裂纹密切相关，但由于缺乏原子尺度的裂纹表面表征手段，一直难以精准量化元素偏析与热裂纹形成机制的内在联系。传统裂纹开口方法的局限性，使得深入探究热裂纹微观本质成为焊接领域的一大难题，因此，开展原子尺度的热裂纹表面特征研究迫在眉睫。
为攻克这一科学难题，研究人员针对低碳高合金奥氏体不锈钢的单道和多道焊缝热裂纹展开研究，相关成果发表在《Applied Surface Science》。
研究人员采用新型裂纹开启方法，成功对低 C 高合金 ASS 单道和多道焊缝中的热裂纹进行开口处理。主要运用的关键技术方法包括：原子探针层析成像（Atom Probe Tomography, APT），用于对裂纹表面元素分布进行原子尺度分析；通过计算焊缝金属成分中的铬当量（Creq）和镍当量（Nieq），判断凝固过程中是否存在初生铁素体。
裂纹类型判定与元素偏析特征
通过裂纹表面观察分析，单道焊缝金属裂纹（Weld Metal Crack, WMC）被确认为凝固裂纹，多道焊缝金属裂纹则为液化裂纹。原子探针层析成像（APT）结果揭示，单道 WMC 表面硫（S）偏析程度显著，约达 32 原子百分比（at.%）；而多道 WMC 表面除约 28 at.% 的硫（S）外，还存在 14 at.% 的碳（C）、0.4 at.% 的钛（Ti）和 0.4 at.% 的铌（Nb）偏析。研究表明，这些元素的偏析是两类热裂纹产生的主要原因，且裂纹表面未形成化学计量相。
凝固条件与热裂纹倾向关联
通过焊缝金属成分计算得到的 Creq和 Nieq值显示，凝固过程中不存在初生铁素体。初生铁素体通常被认为能在凝固过程中抑制裂纹扩展，其缺失意味着焊缝金属在凝固阶段抵抗热裂纹的能力下降，进一步增加了热裂纹形成的倾向。
研究结论表明，硫（S）、磷（P）、碳（C）、铌（Nb）、钛（Ti）等元素在裂纹表面的偏析是奥氏体不锈钢单道和多道焊缝热裂纹形成的关键因素，且无需化学计量相的形成即可引发热裂纹。同时，凝固过程中初生铁素体的缺失通过 Creq和 Nieq的计算得以证实，这一发现明确了合金成分设计与热裂纹倾向的内在联系。
该研究首次在原子尺度上揭示了奥氏体不锈钢热裂纹表面的元素偏析特征，突破了传统表征手段的局限，为深入理解热裂纹形成机制提供了直接的原子级证据。研究结果不仅丰富了奥氏体不锈钢焊接冶金理论，更对实际生产中通过控制合金成分、优化焊接工艺以减少热裂纹具有重要指导意义，有助于推动奥氏体不锈钢在航空航天、化工等高要求领域的更广泛应用。
