連鑄工藝同模鑄工藝，相比具有收得率高、質量穩(wěn)定和減少工序的特點。從經(jīng)濟角度及質量要求方面考慮，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(nèi)部或表面裂紋的形成機制以及在出現(xiàn)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，在剛好低于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(xiàn)在凝固及連鑄過程中對產(chǎn)品質量進行優(yōu)化。
金屬材料的高溫性能受多種參數(shù)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(huán)關系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(chǎn)生的應力，熱裂紋就會形成。說到這里，必須區(qū)別兩種不同類型的熱裂紋。第一種熱裂紋是晶體內(nèi)裂紋，當有液相薄膜層浸入晶粒邊界，在拉伸負荷作用下，沒有出現(xiàn)塑性變形，晶粒內(nèi)部顯微組織就發(fā)生了撕裂。第二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”。
第一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，在凝固面前沿的熔融區(qū)富含合金元素和殘余元素。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(chǎn)生的收縮應變以及膨脹另外增加的收縮應變都會產(chǎn)生表面裂紋和內(nèi)部裂紋。即使在隨后的熱成型加工中，內(nèi)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(fā)生斷裂。如果這些區(qū)域在隨后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(fā)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最初試樣可以經(jīng)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(qū)開始凝固，當斷裂時首先能測到斷面收縮發(fā)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(xù)增加，斷裂瞬間斷面收縮開始急劇增加，當達到最大值后多少有些下降，其值完全依賴于鋼種。這種所謂的二次降低塑性歸因于合金元素和殘余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最小斷面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范圍表示了材料固相和液相界面力學性能的特征。這兩個溫度的差值(△T0=△Tnzf=Tnf一Tnz)可用來作為連鑄坯內(nèi)部裂紋和熱裂紋形成敏感性的量度。工業(yè)研究證實，當此溫度范圍△T0增加時，可觀察到的內(nèi)部裂紋數(shù)量有所增加。
奧氏體不銹鋼凝固組織的形態(tài)取決于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(nèi)部容易出現(xiàn)裂紋。結晶器出口處的鑄坯是裂紋形成的關鍵區(qū)，因為這里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(chǎn)生熔融偏聚區(qū)。如果鑄坯到達二次冷卻的第一區(qū)，則又可以恢復較高的溫度梯度。
不同鋼種不銹鋼對熱裂紋形成的敏感性顯示出極大的差異。對于這些鋼種，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系。初生析出相為奧氏體的不銹鋼具有較高的熱裂紋形成敏感性。除了在凝固過程中產(chǎn)生的較大收縮外，熱裂紋易于形成的原因還有：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(chǎn)的不銹、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余元素銅、錫和鉛會增加其敏感性，這樣的研究目前幾乎沒有。因此，應當研究這些元素對奧氏體不銹鋼高溫性能的影響。
本文主要闡述上述元素的不同含量對所選不銹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(yè)條件下，重新加熱對材料在上述溫度區(qū)間內(nèi)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系列的測試。它們的凝固模式主要分別為鐵素體模式和奧氏體模式。只有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。對于材料AISI 317，其臨界凝固溫度區(qū)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。對于材料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(qū)間增大。
從加銅合金斷裂時的斷面收縮率和最大拉力隨溫度的變化關系可知，隨著銅含量的增加，對斷面收縮率并沒有明顯影響。AISI 317,HAISI 304，隨著溫度逐漸降至l100-C，它們的塑性不但沒有降低反而有所升高。用來進行拉伸測試的試樣含銅量是最高的(AISI 317含銅2.34％，AISI 304含銅2.49％)。隨著銅含量的增加，AISI 304的斷面收縮率沒有變化而AISI 317的斷面收縮率則稍微下降。塑性的降低主要是由于較高的形變速率而不是由于銅含量的增加。
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(qū)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(qū)間最初升高而后保持在l6K，一直到錫含量增至O.41％(試樣Sn 3)。
對于AISI 304隨著錫含量的增加，當溫度小于l25O℃時，零強度溫度、零塑性溫度以及斷面收縮率都有所下降，而對AISI 317這種變化不是連續(xù)的。當平均錫含量為O.15％時達到最低值。對材料的顯微組織研究表明，這種情況出現(xiàn)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?？偠灾?，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(qū)間內(nèi)。AIS工304塑性的降低要大于AISI 317。對于這兩種材料，當含錫量最高的試樣在大生產(chǎn)條件下退火后，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(qū)間內(nèi)幾乎保持不變。由于斷面收縮率的變化同未經(jīng)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于應變速度的影響。
③鉛  本文研究了鉛對AISI 304(1.4301)高溫性能的影響。由于試樣較少，所以只進行了有限的實驗工作。鉛的最大加入量為l4×10-6根據(jù)差式熱分析法研究發(fā)現(xiàn)，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(qū)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沒有什么影響。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℃的溫度范圍內(nèi)明顯降低。
3 、 鈣和鎂對材料高溫性能的影響
加入鈣和鎂對不銹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別為鐵素體和奧氏體。
對AISI 304LN，加入不同含量的鈣和鎂在整個溫度區(qū)間內(nèi)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于AISI 304LN。
4、討論
對于初生析出相為鐵素體的AISI 304，銅的加入只稍微增加了臨界凝固溫度范圍(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。對于大生產(chǎn)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于連鑄坯外殼的機械壓力。
AISI 304最多含O.4％的錫時，其臨界凝固溫度范圍僅僅增加了約lOK。相反，AISI 317中只要加入O.3％的錫，其臨界凝固溫度范圍就會顯著增加。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℃左右的溫度范圍內(nèi)。由于同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(shù)。
當AISI 304中含(1O～l4)×10-6的鉛時，在11OO℃至12OO℃的溫度范圍內(nèi)，隨著變形速度的增加，其韌性最差。因此在大生產(chǎn)中，鉛的含量應控制在lO×10-6以下。
在AISI 304LN和AISI 316L中加入鈣和鎂只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：鈣和鎂的加入有利于對二者進行熱加工。
5  小結
銅、錫、鉛、鈣和鎂這些元素對奧氏體不銹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范圍寬度，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(chǎn)連鑄過程中材料出現(xiàn)內(nèi)部裂紋以及在熱加工過程中出現(xiàn)微裂紋的危險可以分別通過調(diào)整連鑄參數(shù)和降低變形速度的方法來降低，尤其對于初生析出相為奧氏體的鋼來講更是如此。