3.2 焊缝金属的微结构
各试样焊缝金属微结构截面如图5所示：通过对每个试样观察发现：奥氏体相是初生相。24cr-26ni是奥氏体的单相凝固；而在2nb，2ti和2zr的枝晶晶间界处发现了第二相; 通过edx分析，每个样品的第二相中都检测出各种合金元素；在2nb中观察到颗粒状和膜状成分， 2ti中主要形成颗粒成分；在2zr中可以观察到沿枝晶分布的薄膜成分。xrd分析表明：试样中成分为mc碳化物和laves相；。由于合金元素比奥氏体相的分配系数低，在枝晶晶间界之间产生偏析，导致枝晶晶间界之间合金元素富集，必然形成第二相。
图6所示为tem的亮场像以及合金元素在各样品成分附近的区域映射。每种合金元素都富含第二相。图6亮场像中，实心箭头指示的成分中碳含量较高，空心箭头指示的成分中铬、镍和铁含量较高。因此，如图6(a)所示:在2nb的情况下，nbc作为mc碳化物，laves相由铬、镍或铁与铌组成；此外，如图6(b)所示，2ti中的laves相由铬，镍或铁混钛构成；在2zr情况，如图6(c)所示， zrc为mc碳化物，由铬、镍或铁混锆组成2zrlaves相。根据透射电子显微镜（tem）观察到的成分几何结构，碳化物呈薄膜状，laves相呈颗粒状；证实2nb和2ti中也是类似的趋势。从图5的微观结构可以看出，在2nb情况下，因为颗粒的数量和薄膜成分的数量几乎相同，所以laves相和mc碳化物的比例是相同的；由于碳化物的主要成分是颗粒状，它必定在2ti中行成，laves相是薄膜状，它必定在2zr中形成。
图5 每种试样的微结构截面
图6 tem-edx测图分析各试样第二相（线上为彩色版）
（a）2nb；（b）2ti；（c）2zr
3.3 凝固计算
本节研究δt和btr之间的关系。图7所示为基于scheil模型的凝固计算结果。图7（a）所示2nb情况下，拐点位于1067.20℃，该点为laves相形成的起始温度。另一方面，在2ti情况下，第一个拐点出现在i318.90 c，第二个拐点出现在1103.0 ℃；第一个拐点是mc碳化物形成的起始温度，第二个拐点是laves相形成的起始温度。合金元素类型不同，第二相形成的拐点数目和起始温度也不同。结果表明：合金元素的分配系数、第二相形成产生的吉布斯能量、合金元素以及碳的活度等因素对这些差异均有一定的影响。
图7 基于scheil模型的固化计算（线上版本为彩色）
图8 δt和btr的比较
图8所示为δt和btr之间的对比。已知δt和btr之间存在相关性，以24cr-26ni为例，δt为70.1℃，δt和btr之间没有显著差异，添加不同的合金元素如2ti，δt和btr的值几乎相同；但是在2nb的情况下，δt为359.40℃， 与btr的差异约为200℃。尽管在2nb中发现了mc碳化物和laves相，但在凝固计算中只形成了laves相。在这些化学成分的凝固计算中，铌、钛等合金元素的偏析量显著大于数据库中的建议值，假定由于偏析量高于建议值而导致数据库不可靠，并且根据埃林厄姆（ellingham）图，铌的δg0大于钛的δg0，这些因素会影响计算凝固与实际凝固之间第二相形成过程中的差值，即δt和btr之差。因此，所用试样的化学成分必须与数据库相对应，并且需要构建更详细的计算模型。此外，业内普遍认为：凝固过程中过量合金元素的偏析会影响这一差值。
3.4合金元素对凝固裂纹敏感性的影响
实验结果表明，合金元素的种类不同，btr的发展趋势也不同，添加钛元素会导致btr增大。根据埃林厄姆图，锆和钛比铌更容易形成mc碳化物；此外，钛的原子量约为铌或锆的原子量的一半。如3.2节所述：每个试样焊接金属中均观察到mc碳化物和laves相。不过，形成的第二相类型和数量取决于合金元素的类型，在2nb中, mc碳化物和laves相的形成比例相同。比较而言，laves相主要在2ti中形成，mc碳化物在2zr中形成。计算结果表明：mc碳化物和laves相在2ti凝固过程中形成；此外，2ti的δt小于2nb的δt，mc相作为第二相的起始温度高于laves相。不过，2ti的btr比2nb高100℃，2ti中mc碳化物的形成量比2nb或2zr中少得多。
结果表明：mc碳化物的形成是由于合金元素在凝固过程中发生偏析，而laves相则是在凝固过程中形成并在固态沉淀，因此，本项研究中观察到laves相不仅在凝固过程中形成，而且在固态沉淀，这将导致残留液相中的钛偏析持续到较低温度。图9所示为观察到的淬火显微组织，从凝固低温侧观察可以发现：显微组织中颗粒成分的laves相在室温环境下行成；此外，与2nb和2zr相比，2ti的颗粒成分出现在较低温度侧。由此可以推测：大量的液相会一直保持到低温，所以可认为2ti中的btr发生膨胀。由于原子质量存在差异，分离出的过量钛的数量必定大于铌或锆，那么，过量钛的偏析引起固相温度降低，导致2ti的btr增加。另一方面，虽然锆对碳化物的亲和力比铌高，但2zr的btr大于2nb。即使假定合金元素的分配系数会影响btr的趋势，但此因素的详细情况仍不明确；因此，有必要根据添加的合金元素对偏析趋势进行详细研究，并构建一个考虑偏析的更加详细的计算模型。
图9每个试样焊缝金属的淬火组织(线上版本为彩色)
4 结论
本文研究论述了铌、钛、锆等合金元素对全奥氏体不锈钢焊缝凝固开裂敏感性的影响。tcl按照2nb>2ti>2zr顺序下降；另一方面，mcl按照2ti>2zr>2nb顺序下降；tcl与mcl之间的长度排序趋势是不同的。btr按照2ti>2zr>2nb顺序下降。2ti中最大btr为266.9c，约为24cr-26ni的三倍。含有合金元素的试样中，第二相如mc碳化物与laves相形成于枝晶胞界；2nb中mc碳化物和laves相的形成比例相同；与此相反，laves相主要形成于2ti中，mc碳化物主要形成于2zr中；在2ti的情况中，计算所得δt和btr值几乎相同；而2nb中的δt为359.4 ℃，与btr相差约200℃，2nb的微结构中发现了mc碳化物和laves相，而在凝固计算中只发现了laves相。由此可推断：根据凝固过程中过量合金元素的不同析出状况，计算凝固与实际凝固之间的差异将会影响δt和btr之间的差值。因此，有必要根据添加的不同合金元素对偏析趋势进行详细的研究，建立考虑偏析影响的较为详细的计算模型。
