連鑄低碳微合金化鋼熱塑性的研究

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1、連鑄低碳微合金化鋼熱塑性的研究付俊巖，C.I.Garcia,A.J.DeArdo(美國匹茲堡大學材料科學與工程系基礎金屬工藝研究所)1987年摘要：本研究的主要目的是研究連鑄低碳微合金鋼的熱塑性行為。本試驗用模擬連鑄過程的定向凝固法熔煉的鋼錠制成帶凸緣的試樣，采用熱壓縮試驗方法。該研究的目的還在于檢驗一些因素如奧氏體尺寸與微合金元素析出物在控制含V、Nb和Ti微合金化鋼熱塑性行為中的重要作用，并闡述連鑄坯表面裂紋產(chǎn)生的機理。關鍵詞：微合金化鋼，連鑄，熱塑性，析出物，晶粒細化。引言眾所周知，微合金化鋼（MA）的連鑄工藝過程是有一定難度的，也就是說，其板坯易于產(chǎn)生裂紋，這

2、些裂紋出現(xiàn)在振痕根部、板坯邊緣及其上表面。過去幾年來，對低碳低合金鋼或微合金化鋼在低溫奧氏體到奧氏體-鐵素體雙相區(qū)這一溫度區(qū)間涉及連鑄坯的表面裂紋行為的熱塑性進行了廣泛的研究[1-10]。研究微合金化鋼在上述溫度區(qū)間的熱塑性很重要，因為大部分高強度低合金鋼（HSLA）連鑄坯是在弧形機上進行連鑄的，連鑄坯受到彎曲應力和/或矯直應力的作用[7]?；⌒芜B鑄機通常在800-950℃下進行矯直，在矯直過程中，發(fā)生了一系列冶金和機械過程。例如，沿原奧氏體晶界會出現(xiàn)大量析出物。這種析出物，與在矯直過程中產(chǎn)生的機械應力相互耦合，使微合金化鋼對表面裂紋非常敏感[3，6，11]。有許多因

3、素被認為對控制微合金化鋼的熱塑性行為有重要作用，冶金因素、機械和熱應力的復雜交互作用與鋼的微觀組織狀態(tài)有關，凝固組織、偏析、晶粒大小以及在凝固與冷卻過程中及凝固與冷卻后粒子沿晶界的析出行為等。導致熱塑性變差的主要控制因素如下：1．奧氏體晶界處變形前以及變形過程中碳化物和/或氮化物以及晶界處夾雜物的析出。這些析出物給變形過程中晶粒間的微孔洞形成提供了有效的核心位置[3，8]。2．熱變形過程中細小碳氮化物的析出抑制奧氏體再結晶，從而增強了沿奧氏體晶界的晶間斷裂[5，12]。盡管目前還沒有提出一個確切的機理，但大部分作者認為晶界處的析出是控制熱塑性的一個主要參數(shù)。3．沿奧氏

4、體晶界存在鐵素體片。當材料在奧氏體-鐵素體雙相區(qū)變形時，應變會集中在軟的鐵素體內(nèi)，導致晶間析出物之間接觸面的相互分離，產(chǎn)生微孔洞[3，8，12]。4．奧氏體晶粒尺寸。因為表面裂紋的出現(xiàn)大多伴隨著奧氏體的晶間斷裂[13]。總之，低應變速率下變形和在高溫下形變過程中微觀組織的變化的雙重作用顯然增加了對熱裂紋的敏感性，這種熱裂紋在連鑄坯的表面是經(jīng)常見到的[3，8]。本研究的主要目的是研究連鑄低碳微合金鋼的熱塑性行為。該研究的目的還在于檢驗一些因素如奧氏體尺寸與微合金元素析出物在控制含V、Nb和Ti微合金化鋼熱塑性行為中的重要作用，并闡述連鑄坯表面裂紋產(chǎn)生的機理。實驗步驟試驗

5、材料：檢驗用材料的化學成分如表1所示。試驗過程：用定向凝固方式進行了連鑄凝固的實驗室模擬。試驗用鑄錠是在非真空高頻感應加熱爐中進行熔煉的，溶液倒入一個30磅專門設計的模具中。用于定向凝固的模具的側面由隔熱材料制成，在底部有一個通水冷卻的銅急冷板。每一爐鋼液鑄成一個板坯形的鑄錠（152.5mm×177.8mm×76.2mm）。將鋼液倒入后，加入隔熱材料粉末形成保溫層。凝固過程結束后，即在鋼液倒入模具后15分鐘，當鑄錠的平均溫度在1000℃左右時，將模具拆除，鑄錠進行水淬。熱壓縮試驗：從接近鑄錠的底部宏觀組織為柱狀晶或枝狀晶區(qū)域橫向切除試樣坯料，把與定向凝固鑄錠相同的柱狀

6、晶區(qū)域的坯料加工成帶凸緣的試樣，凸緣試樣的軸向平行于枝狀晶的軸向，以便使凸緣試樣表面中間高度處受垂直于凝固長大方向的塑性變形，正如連鑄過程中實際的反復彎曲或矯直狀態(tài)。試驗是在對高溫變形試驗做過改進并用計算機控制的MTS試驗機上進行的。該研究中的熱機械加工過程與使用的凸緣試樣如圖1所示。熱塑性是通過測量斷口處的環(huán)向應變值來評價的。凸緣試樣放在MTS試驗機的加熱爐室內(nèi)，以5×10-1/s與5×10-3/s的恒應變速率進行壓縮變形。壓縮前，固溶處理過的試樣重新加熱到950℃-1300℃，保溫2分鐘，使碳化物與氮化物溶解，并獲得預期的晶粒尺寸。重新加熱保溫后，試樣以8-12℃

7、的冷速冷卻到變形溫度（1000-750℃），然后在該溫度下再保溫1分鐘，壓縮變形至斷裂。V（C，N）、Nb（C，N）和TiN在奧氏體中達到完全溶解的固溶溫度是根據(jù)其平衡溶解度積確定的，如表1所示。在給定量的變形后，將試樣放在冰-鹽水中淬火，仔細檢查初始裂紋的產(chǎn)生。如果沒有發(fā)現(xiàn)可視裂紋或者試樣斷裂時裂紋較大，則在不同的壓下量下再進行另外一次試驗，直到獲得初始裂紋產(chǎn)生的條件為止。變形后，凸緣試樣的應變幾乎為平面應變，它可通過測量凸緣斷面原始和最終外徑以及原始和最終高度來計算。每次試驗后，這類的試樣幾乎不發(fā)生軸向壓縮，只在凸緣內(nèi)發(fā)現(xiàn)有環(huán)向應變。開始斷裂時的