日前，上海大学先进凝固技术中心团队研究了合金凝固过程中晶间搭桥的形成及其对热裂的影响，研究成果以“Understanding the Roles of Interdendritic Bridging on Hot Tearing Formation during Alloy Solidification”为题发表在材料科学领域学术期刊Journal of Materials Research and Technology。第一完成人和通讯作者为仲红刚博士，上海大学为论文第一作者单位，合作者为翟启杰教授和东南大学韩青有教授等。

热裂是金属制品中常见的破坏性缺陷，一般发生于凝固末期，是增材制造、高熵合金制备、高合金钢连铸等的瓶颈问题之一。目前学术界对金属热裂形成机理的认知仍存在分歧，对晶间搭桥的描述也比较模糊，影响了热裂的研究进展和糊状区力学性能的准确测试，以致至今难以准确预测热裂的发生。在这项研究工作中，作者对枝晶凝固条件下晶间搭桥的形成过程进行了理论描述，提出“机械搭桥”（枝晶彼此接触，但仅通过液膜的表面张力连接）和“冶金搭桥”（枝晶在其接触位置以冶金方式结合）概念，凝固过程中这两种搭桥形式先后出现但常混合存在，进而分析和观察了搭桥类型及其对裂纹扩展的影响。

金属凝固过程形成机械搭桥和冶金搭桥的示意图

以高锰钢为研究对象，利用CAST团队原创的动态加载凝固裂纹热模拟试验机并结合SEM、EBSD、EPMA和金相显微镜等表征手段验证了上述理论。

动态加载凝固裂纹热模拟技术原理及试验机主要功能

测试结果表明，机械搭桥不能有效地阻碍裂纹扩展，因此表现出脆性断裂特征；冶金搭桥冶金桥接可以有效阻碍裂纹扩展，从而产生脆性断裂特征。不同的晶间搭桥方式会导致不同的裂纹扩展行为，表现出与作者所述理论相一致的力学特征。此外，在单个样品中，热裂扩展过程可能会遇到枝晶间液相、机械搭桥、冶金搭桥和枝晶干等多种场景，从而产生复杂的力学特性。该工作阐明了晶间桥接的概念，并对晶间搭桥形成过程及其对热裂的影响进行了清晰的描述。这将促进对热裂机制的理解、裂纹判据的开发和数值模拟的发展。

高锰钢中的机械搭桥和冶金搭桥及裂纹扩展过程呈现的复杂应力曲线

四种典型断裂形式：（1）液膜，（2）机械搭桥，（3）冶金搭桥，（4）枝晶臂

该研究得到国家自然科学基金的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.10.314