面内约束松弛技术评估不同凝固模式不锈钢凝固裂纹敏感性的适用性研究

《Materials Today Communications》：Applicability of a novel In-plane constraint-relaxation technique for evaluating solidification cracking susceptibility in stainless steels

　　

凝固裂纹的评估长期以来一直是重要的研究课题，因为该缺陷限制了材料在焊接和制造过程中的可焊性。在此，研究人员研究了一种先前开发的面内约束松弛（in-plane constraint-relaxation）技术对三种呈现不同凝固模式的不锈钢（310S、304和430）的适用性。凝固裂纹敏感性通过外加初始载荷与归一化裂纹长度之间的关系进行评估，并将所得排序与传统Trans-varestraint试验的结果进行比较。面内试验揭示了310S > 304 > 430的敏感性排序，其中304和430的裂纹萌生范围不重叠，且在相近初始载荷下304的裂纹扩展更大。尽管加载条件和熔池几何形状存在差异，Trans-varestraint试验仍得出一致的敏感性排序。互补的原位观察、Sn淬火微观组织和电子背散射衍射（EBSD）分析揭示了不同的凝固模式、枝晶间液相形态和晶粒生长特征，为观察到的裂纹敏感性差异提供了微观组织学见解。这些发现证明了面内约束松弛技术在跨不同凝固模式进行凝固裂纹敏感性比较评估方面的潜力。

不锈钢因优异的耐腐蚀性、机械强度和耐热性，在腐蚀、高温及机械苛刻环境中得到广泛应用。然而，部分不锈钢（尤其是奥氏体牌号）在焊接或增材制造过程中易发生凝固裂纹，严重损害接头完整性和可靠性。凝固裂纹主要源于凝固末期溶质偏析和晶界残余液膜的形成，当约束收缩和热收缩引起的应变超过液膜承受能力且补液不足时，裂纹便会萌生。研究表明，C_eq与Ni_eq的比值决定凝固模式，全奥氏体（A）模式比先铁素体后奥氏体（FA）模式更易开裂。尽管已有RDG、Kou等理论判据，但仍无法精确预测特定条件下裂纹是否发生，因此实验评估不可或缺。面内约束松弛（in-plane constraint-relaxation）技术通过可量化的面内拉伸载荷诱导裂纹，以临界初始载荷作为全局指标，具有工业应用潜力，但此前仅系统应用于单一材料。为验证其在不同材料间的适用性，研究人员选取了三种不同凝固模式的不锈钢：310S（A模式）、304（FA模式）和430（F模式），开展系统对比研究。

研究人员通过面内约束松弛试验获得了各材料的裂纹萌生载荷范围和归一化裂纹长度，并通过传统Trans-varestraint试验测量了总裂纹长度（TCL）和最大裂纹长度（MCL）。两种试验均得出310S > 304 > 430的敏感性排序，证明了面内约束松弛技术能够用于跨凝固模式的不锈钢敏感性对比评估，这一结论具有重要意义，为该技术在工业中的应用奠定了基础。

关键技术方法如下：研究人员采用了面内约束松弛试验装置，通过千斤顶压缩碟簧对试样施加面内拉伸，使用负载传感器记录初始载荷，以临界初始载荷作为评估指标；Trans-varestraint试验采用二极管激光焊接，通过弯曲块施加3.44%饱和应变，测量TCL和MCL。焊接过程中使用高速相机（1000 fps）原位观察熔池形状，并采用液态Sn淬火冻结高温组织。微观表征包括扫描电镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD，步长0.13 μm）。试样为商用310S、304和430不锈钢，面内试验尺寸为110 mm×55 mm×1 mm，Trans-varestraint试验尺寸为110 mm×110 mm×5 mm。面内焊接参数：激光功率0.9 kW、速度0.3 m/min、光斑直径2 mm；Trans-varestraint焊接参数：功率4.5 kW、速度0.2 m/min、光斑直径3 mm。

研究结果如下：

3.1 凝固行为与微观组织：通过高速相机原位观察和EBSD分析，发现310S和304的熔池呈细长形，柱状晶从两侧垂直向焊缝中心生长并对撞；430因热导率较高，熔池尾部较圆，形成沿中心线的轴向晶。Sn淬火组织与相图显示，310S为全奥氏体凝固，残余液膜沿枝晶间通道延伸；304为FA模式，远处存在骨骼状和网状δ铁素体；430为全铁素体模式，液相迅速消失。这些微观差异为解释裂纹敏感性提供了依据。

3.2 面内试验评估的裂纹敏感性：面内试验中，310S最小开裂载荷为7.55 kN，304为15.35 kN，430为16.08 kN，且304和430的开裂起始范围不重叠。在初始载荷约16.10 kN时，304的归一化裂纹长度为0.350，而430仅为0.048。断口呈明显枝晶形貌，证实裂纹起源于枝晶间液膜。

3.3 Trans-varestraint试验中的裂纹行为：在3.44%饱和应变下，310S表现出最长的TCL和MCL，304次之，430最小（304的TCL为6.93 mm、MCL为0.46 mm；430的TCL为1.51 mm、MCL为0.25 mm）。断口分析显示从高温到低温区域，枝晶形态逐渐模糊并出现小空洞，这是残余液膜凝固留下的证据，也表明裂纹为凝固裂纹。

3.4 比较评估与面内技术的适用性：尽管两种试验的加载条件和熔池几何形状不同，但敏感性排序一致。430在面内试验中表现出最低敏感性，与先前基于GTAW焊接的研究不同，可能是因为焊缝中心轴向晶的存在阻碍了柱状晶对撞，分散了局部应变，从而降低了开裂倾向。

讨论与结论：讨论指出，没有单一方法能全面揭示凝固裂纹机理，需要联合多种手段。面内约束松弛技术适合研究热-机械因素，配合原位观测可获得温度分布和延性；Trans-varestraint结合淬火技术则适合研究残余液相形态。未来需在其他合金体系和工艺条件下进一步验证该方法的普适性。

研究结论部分翻译如下：1. 面内约束松弛试验成功在三种不锈钢中重现凝固裂纹，根据裂纹萌生范围和归一化裂纹长度，本试验条件下敏感性顺序为310S > 304 > 430。2. 三种不锈钢呈现不同凝固模式：310S为全奥氏体（A），304为先铁素体后奥氏体（FA），430为全铁素体（F）。原位观察显示310S的残余液膜沿枝晶间通道延伸，304呈短网状液区，430液区迅速消失。3. 在细长熔池条件下，310S和304的晶粒从两侧对撞于焊缝中心，而430沿中心线形成轴向晶，阻碍相邻弯曲晶粒生长，这可能缓解应变局部集中，降低裂纹敏感性。4. 尽管加载条件和熔池几何不同，面内约束松弛与Trans-varestraint试验结果排序一致，支持面内技术用于不同凝固模式不锈钢的对比评估。未来需结合冶金和热机械因素进行更全面的研究。