中碳钢高温力学性能研究及在连铸生产中的应用

中碳钢高温力学性能研究及在连铸生产中的应用袁伟霞董汉雄袁桂莲摘要采用高温热模拟方法,研究了中碳钢的高温力学性能,对比分析了应变速率、冷却速率及化学成分等对性能的影响,并对其在连铸生产中的应用进行了分析讨论。关键词包晶钢高温脆性断面收缩率StudyonMechanicalPerformanceofMedium-carbonSteelatHighTemperatureandItsApplicationinContinuousCastingYuanWeixiaDongHanxiongYuanGuilian(WuhanIron&SteelCorp.)AbstractEmployingthermalanalogueexperimentsathightemperature,thestudyonthemathematicalperformanceofmedium-carbonsteelathightemperaturehasbeencarriedout.Theeffectofstrainrate,coolingrateandchemicalcompositionontheperformancehasbeencomparativelyanalyed,anditsapplicationincontinuouscastinghasbeendiscussedherein.Keywordsperitecticsteelbrittlenessathightemperatureshrinkageoncrosssection1前言连铸过程是钢水逐步受强制冷却而凝固成铸坯的热物理过程,同时也是铸坯在凝固过程中承受凝固收缩、冷却收缩、相变收缩的收缩应力,由温度梯度造成的热应力、钢液静压力造成的鼓肚应力、弯曲和矫直应力及设备异常造成的额外应力的热机械过程。研究钢的高温力学性能及其变化机理,是制订和完善连铸工艺制度的基础。本文主要研究了中碳包晶钢的高温力学性能,对其机理及在连铸过程中的应用也进行了探讨。2试验研究方法在Gleeble热模拟试验机上测定钢的高温力学性能,主要进行了钢的高温拉伸试验及零强度温度ZST、零塑性温度ZDT的测定,以试样的抗拉强度和拉断时的断面收缩率来衡量其高温力学性能,并研究了试验温度、应变速率、冷却速率及钢的成分对高温性能的影响。所测试样的化学成分见表1。表1试验钢的化学成分/%试样CSiMnPSCrMoTiX10.150.520.580.0160.0071.180.520.017X20.180.560.560.0150.0081.200.490.012X30.1740.4101.500.0160.013试验研究的主要工艺参数:试验温度700～1350℃,应变速率10-2～10-3/s,加热速率20℃/s2,冷却速率5～40℃/s。高温拉伸试验在惰性气体保护下进行,试验后对试样进行快速冷却下保留断口的组织形态,并进行了组织结构分析。3试验结果及分析讨论3.1材料在高温下的力学特性试验温度显著影响材料的高温力学性能,如图1所示,材料X2的断面收缩率RA在700～950℃范围内出现一个低谷(第Ⅲ脆性区),在1000～1200℃范围内保持良好的塑性,到1300℃以上后塑性又迅速下降(第Ⅰ脆性区),至1380℃左右,RA几乎为零(零韧性温度ZDT);与此同时,随着温度的升高,抗拉强度σb不断降低,至ZDT温度仍具有一定的强度,温度继续升高至某一温度,抗拉强度降低为零,即零强度温度ZST。图1X2钢的高温力学性能曲线1—应力σ，应变速率=10-2/s；2—应力σ,应变速率=10-3/s；3—断面收缩率RA,应变速率=10-2/s；4—断面收缩率RA,应变速率=10-3/s在试验温度范围内材料出现了两个脆性温度区。高温下的脆性温度区为1300℃—熔点Tm,在此范围内钢的延塑性很低,其脆性主要沿枝晶界面延伸,钢中杂质增多时,枝晶之间存在的液膜使钢的凝固点降低,使脆性向低温区延伸。较低温度下的脆性区为700～950℃,其脆性主要有两个原因,即奥氏体单相区低温域的脆化和奥氏体铁素体转变区高温域的脆化。前者由钢中质点AiN、TiN、NbCN等的析出引起［1］,后者为两相区脆化,在γ→α转变时优先在奥氏体晶界处析出薄膜状的α铁素体,α铁素体较软,其强度仅为奥氏体的1/4,因此在外力作用下,变形主要集中在沿奥氏体晶界分布的α铁素体中,使α相中存在的微小孔洞和裂纹聚合、长大,最后导致晶界断裂。3.2碳含量及合金元素对高温性能的影响及脆性温度范围碳是钢中的主要组元,其含量变化对材料性能有明显影响。本研究主要针对碳含量处于包晶范围的中碳钢,碳含量变化不大,但仍是表现出其影响,如图2所示,碳含量由0.15%增至0.18%,RA的低谷宽度明显增加,同时,在同样碳含量的情况下,合金元素对断面收缩率也有明显影响,图2中X2和X3钢碳含量基本相同,但X3为单纯的碳锰钢,脆性低谷虽然较深但很窄,即脆性温度范围小;X1、X2钢含有一定的合金元素Cr,Mo和Ti,均为碳化物形成元素,它们在晶界的析出增强了奥氏体晶界的应力集中,使其在较高温度便出现了脆性,脆性温度范围宽。X2钢与X1相比,碳含量较高,且紧邻铁碳反应的包晶点,奥氏体单相化温度高,在试验温度下奥氏体晶粒粗大,其脆性比X1钢严重。图2X1,X2,X3钢高温塑性比较很多研究认为,断面收缩率RA小于50%时材料的裂纹敏感性明显增加,以此值对应的温度范围为材料的脆性温度范围,试验得到X1、X2、X3钢分别为860～930℃、740～930℃、680～830℃。含一定合金元素的钢脆性低谷浅而宽,在连铸过程进行矫直时不容易避开,操作不当会导致表面裂纹。3.3冷却速率对钢的高温性能的影响在连铸生产中,降低二次冷却区的冷却强度即采用弱冷却可以减轻和防止裂纹的产生,在钢的高温性能试验中,也得出了同样的结果。降低冷却速率提高了钢的朔性,如图3所示,冷却速率由40℃/s降低至5℃/s,在800℃时,断面收缩率RA由28.5%提高到33.9%。在1200℃,断面收缩率也由74.3%提高到81.07%。图3X2钢冷却速率对高温塑性的影响降低冷却速度可以减少因试样内外温度梯度大造成的热应力,同时还可以使钢基体的析出物增加,减少沿晶界的细小析出物的数量,并抑制细微网状铁素体的析出,使塑性提高［4］。3.4应变速率对高温朔性的影响连铸过程中应变速率较低,应变速率的大小显著影响材料的高温塑性。如图4所示,随着应变速率的升高,材料的断面收缩率明显升高,在750℃和1300℃塑性低谷区域应变速率对性能的影响尤其大。其原因有以下几方面:图4应变速率对X3钢高温塑性的影响(1)随着应变速率的增加,形变储存能提高,结晶迁移的驱动力增加,使得晶界可以克服阻碍的影响更快地完成再结晶,对晶界与裂纹的隔离产生有利的影响;(2)应变速率增加,颗粒周围形成孔洞的时间变小,夹杂物周围的孔洞没有足够的时间形核和扩散;(3)应变速率增大,减少了应力诱发铁素体的形成,对晶界析出物具有同样的作用;同时,高应变速率下,应力难以在先共析铁素体处集中,有利于塑性提高。应变速率对700～950℃范围内钢的脆性有明显影响,其主要原因为降低应变速率,晶界、析出物及铁素体薄膜周围析出孔洞的时间长,使其附近的孔洞有足够的时间形核和扩散;同时,应变速率降低,增大了应力诱发铁素体的形成,对晶界析出物也有同样的作用。在低应变速率下,应力容易在薄膜铁素体处集中,导致塑性降低［2］［3］。3.5高温试样金相组织分析对试验后快速冷却下来的试样进行金相组织分析,得到了与以上分析十分一致的结果。图5是X2钢在800℃和1200℃两个典型温度下进行拉伸的试样金相组织。可以看到,在1200℃试样的金相组织为粗大马氏体+少量贝氏体,随着温度的降低,马氏体量减少,贝氏体的量逐渐增加。800℃为相变过程的两相组织,晶内组织为马氏体+贝氏体及少量铁素体,原奥氏体晶界已有少量铁素体呈半网状析出。试样温度降低至700℃,网状铁素体较粗大,同时奥氏体晶内有形变亚结构析出,组织内已有一定量的针状铁素体,同时仍残留少量马氏体和贝氏体(图6)。图5高温拉伸试样试样断口的金相组织试验温度:a1200℃×400℃,b800℃×400℃图6拉伸试验试样断口的金相组织试验温度700℃×2004钢的高温力学性能在连铸生产中的应用连铸过程是一个不均匀的冷却过程,其不均匀体现在自结晶器至二次冷却的全过程,具体表现在:(1)在结晶器弯月面处冷却形成的初始坯壳因凝固收缩而脱离结晶器壁,随后钢液的静压力又将之压向结晶器,使两者之间成为一个接触—脱离—接触的动态变化过程。在坯壳表面形成的保护渣膜厚度也是不均匀的,导致结晶器内坯壳所受冷却的不均匀和生长的不均匀,是导致板坯表面裂纹和皮下裂纹产生的主要原因。在结晶器中所做的多方面努力如液面控制,改善保护渣特性等措施只能在一定程度上减轻这种冷却的不均匀性,无法根本消除。(2)在二次冷却区带液芯的铸坯接受喷雾冷却,导致冷却和通过空气进行辐射传热,喷嘴的喷雾冷却和导辊的冷却均为不均匀冷却,如果冷却不均匀性严重,会导致已有表现细小裂纹的扩展,板坯鼓肚,并造成多种内裂纹。冷却不适当还会导致液芯延长、铸坯表面温度不适当,在板坯矫直时表面温度处于高温脆性区,容易产生表现横裂纹,在初始凝固冷却不均匀的振痕波谷位置尤为严重。对于一些含有碳氮化物形成元素Al、Nb、V、Ti、Cr、Mo的微合金钢,这一问题尤其要引起关注。利用钢的高温特性,可以对连铸过程中以下方面提供指导:(1)结晶器中初生坯壳的凝固冷却和应力应变位于高温脆性区,利用数值计算,可以得出结晶器中钢液及坯壳中的温度场,速度场及应力场,从而分析得出影响铸坯应力的主要因素,应用钢的高温特性试验,可以测量得出高温下产生裂纹的临界应变及应力,由此对铸坯应力的主要影响因素进行调整、控制。(2)在连铸二次冷却区,由于间断的喷雾冷却作用,使铸坯表面温度呈周期性变化,会产生一定的热应力,同时钢水静压力造成铸坯鼓肚,导辊不对中造成铸坯产生额外应力,通过高温特性测试,可以研究循环加热与冷却对钢的高温特性的影响,据此提出为避免产生裂纹,保持铸坯表面温度高于脆性温度区,在铸机机械和冷却制度的设计上应遵循的原则和应该采取的措施。(3)根据钢的高温力学特性测试结果,铸坯矫直温度应避开低温脆性区,该温度范围与钢的化学成分密切相关。通过钢的高温力学性能的测试,可以准确地确定该温度范围,为制定二次冷却制度提供依据。在X1,X2,X3三种钢的生产过程中均采用了较强的冷却制度,保证其矫直区铸坯表面温度在930℃以上,同时在结晶器操作中采用了适当的中碳钢保护渣,并加强了结晶器液面的控制,获得了良好的铸坯质量。5结论(1)研究了三种钢的高温力学性能,得出其脆性温度范围。(2)应变速率、钢的化学成分和冷却速率对高温性能有明显影响,降低应变速率将使高温性能显著恶化。(3)利用以上研究结果可以对连铸生产的结晶器操作,二次冷却制度的制定及确定矫直温度提供指导。联系人:袁伟霞,高级工程师，武汉市(430080)武汉钢集团公司技术中心作者单位：武汉钢铁集团公司参考文献1B.Mintz,S.YueandJ.Jonas.InternationalMaterialsReviews,1991,36(5):1872E.T.Turkdogan.I&SM,1989,(5):61～753玲木健一郎.铁と钢,1993,179(11):504蔡开科,党紫九.连铸钢高温力学性能专集,北京科技大学学报,1993,115(增刊2):38