摘 要:利用熱模擬試驗機、光學顯微鏡、掃描電鏡及能譜儀等對溫度為600~1350℃時45鋼 連鑄坯的高溫拉伸性能進行檢測與分析。結果表明:45鋼連鑄坯的高溫抗拉強度隨溫度的升高而 逐漸降低,其有兩類脆性溫度區,第一類為1200~1350℃,第二類為600~900℃;45鋼連鑄坯的 矯直溫度應大于900℃,以防止出現矯直裂紋。
關鍵詞:45鋼;高溫抗拉強度;斷面收縮率;脆性溫度區
中圖分類號:TB31;TG115.2 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2023)06-0033-03
為了有效提高連鑄坯的質量,減少裂紋的產生, 需要對45鋼連鑄坯的高溫力學性能進行模擬研究, 對連鑄工藝的控制有著重要的指導意義[1]。
某鋼廠45鋼連鑄坯常出現表面裂紋和內部裂 紋,用熱模擬試驗機對45鋼進行了高溫拉伸試驗, 分析了45鋼連鑄坯的高溫脆性溫度區,結果可為 45鋼連鑄坯拉坯及矯直工藝的制訂和優化提供基 礎數據,以防止連鑄坯裂紋的產生。.
1 試驗方法
在45鋼連鑄坯的縱向取樣,試驗時將鑄坯加工 成規格為10mm ×120mm(直徑×高度)的圓棒 試樣,試樣加工尺寸如圖1所示,圓棒長度方向為拉 坯方向。
高溫拉伸試驗溫度為600~1350℃,每次試驗的溫 度間隔為50℃,試驗過程中采用氬氣保護,可以防 止氧化。在拉伸過程中,試樣的應變速率參照實際 45鋼連鑄坯的應變速率進行設定,選用的應變速率 為1×10-3s-1。為了保證試樣溫度的均勻性,先以 10℃/s的升溫速率將溫度升高到1200℃,再以 5℃/s的升溫速率將溫度升高到 1350℃,保溫 1min,然后以3 ℃/s的降溫速率將溫度降到預定 的測試溫度,保溫1min,以1×10-3s-1 的應變速 率拉伸試樣,直至試樣斷裂。試樣的加熱工藝試驗 過程如圖2所示,試驗后計算其高溫抗拉強度和斷 面收縮率,并借助光學顯微鏡、掃描電鏡及能譜儀對 斷后試樣的微觀形貌進行分析。
2 試驗結果
2.1 45鋼連鑄坯的高溫抗拉強度極限及斷面收 縮率
根據不同試驗溫度下獲得的應力-應變曲線的 高溫抗拉強度數據,整理得到45鋼的高溫抗拉強 度、斷面收縮率與溫度的關系(見圖3)。從圖3可 以看出:高溫抗拉強度隨溫度的升高而逐漸降低,這 是因為隨著溫度的升高,晶體結構發生變化,位錯減 少,原子移動較為容易,從而抗拉強度降低。從變化 趨勢上看,溫度小于900℃時,隨著溫度的升高,其 抗拉強度下降得相對較快,而在溫度大于900℃時, 抗拉強度下降得相對緩慢一些。
一般認為[2],斷面收縮率小于60%時為脆性 區。從圖3可以看出:45鋼有兩類脆性溫度區, 1200~1350℃為第一類脆性區,600~900℃為第二類脆性區。在溫度為950~1200℃時,45鋼有 良好的塑性,斷面收縮率均大于60%。
2.2 拉伸試驗后試樣的微觀形貌
用光學顯微鏡對拉斷的7根45鋼連鑄坯試樣 進行觀察,發現試樣中均明顯分布著 MnS夾雜。將 試樣用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕后,發 現鐵素體沿原奧氏體晶界析出,形成鐵素體網,MnS 夾雜集中分布在鐵素體相中,同時伴隨出現了橙色 的多邊形碳氮化物,沿夾雜相可見明顯拉伸開裂。 650℃和850℃時拉伸試樣的顯微組織形貌如圖4 所示。由圖4可知:45鋼連鑄坯的原始晶界上明顯 有 MnS夾雜偏聚和碳氮化物析出,降低了鋼的塑 性。在拉伸過程中,試樣在較低的變形程度下發生 了斷裂,因此在溫度為600~900℃下試驗所得試樣 的整體斷面收縮率較小。
用掃描電鏡及能譜儀對不同脆性溫度區的拉 伸試樣斷口進行分析。第一類脆性溫度區為高溫 區,也稱為熔點脆化區。在溫度大于1200℃時, 45鋼連鑄坯的塑性急劇下降。在高溫區,斷口較 平滑,呈液相凝固自由收縮特征,晶粒細小,沿晶 界液膜處斷裂。溫度為1300 ℃時的試樣斷口 SEM 形貌及能譜分析結果如圖5所示,高溫下斷 口局部熔化,能譜分析可見斷口處分布著細小的 MnS夾雜,高溫下微小的硫化物質點在奧氏體晶 界析出,在高溫拉伸過程中,這些質點成為了拉伸 開裂的起裂源。
在中溫區(900~1200 ℃),斷口為韌性斷口, 呈明顯的韌窩形貌。溫度為1050℃時試樣斷口的 SEM 形貌如圖6所示,由圖6可知:斷口由大量的 等軸韌窩組成,呈塑性斷裂特征,等軸韌窩小而密, 宏觀表現為塑性較好。
第二 類 為 脆 性 溫 度 區,即 低 溫 區 (600~ 900℃),通過觀察,低溫斷口呈“冰糖”狀,呈沿晶脆性斷裂特征,晶粒間有開裂和微小的孔洞。造成這 種斷口的主要原因是低溫奧氏體發生相變析出薄膜 網狀鐵素體,鐵素體強度小于奧氏體[3],在變形過程 中出現不均勻變形,易在鐵素體上形成裂紋;在奧氏 體晶界上析出的鐵素體中分布著長條狀 MnS夾雜, 拉伸過程中試樣易沿著夾雜物發生開裂;在低溫區, 晶界上有釩、鈦、鈮的碳氮化物析出[4],低溫析出物 尺寸較小,彌散分布在晶界上,在變形過程中,釘扎 晶界發生滑移,當外力增加時,位錯會繞過析出物, 在周圍形成位錯環,在析出物分布處形成應力集中 并產生微小孔洞,最終導致試樣拉伸開裂。因此,為 了避免鑄坯在矯直過程中產生裂紋,45鋼的矯直溫 度應避開第二類脆性溫度區[5],并保證在溫度大于 900℃時對其進行矯直。650℃時試樣斷口的SEM 形貌及能譜分析結果如圖7所示。
3 結論
(1)在溫度為600~1350℃時,45鋼連鑄坯的 高溫抗拉強度隨溫度的升高而逐漸降低。
(2)45鋼連鑄坯有兩個脆性溫度區,1200~ 1350℃為第一類脆性溫度區,600~900℃為第二 類脆性溫度區。
(3)在應變速率為1.0×10-3s-1 的變形條件 下,溫度小于900℃時,45鋼連鑄坯的斷面收縮率 低于60%,塑性較差,在實際生產過程中,45鋼連鑄 坯的矯直區溫度應大于900 ℃,以防止出現矯直 裂紋。
參考文獻:
[1] 陳登福,高興健,王啟明,等.Q235G鋼連鑄坯的高溫 力學性能分析[J].過程工程學報,2009,9(增刊1): 210-213.
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[5] 孫勝英,馬永昌.SS400連鑄坯高溫熱塑性分析[J]. 理化檢驗(物理分冊),2014,50(4):266-267,298.