摘 要:利用热模拟试验机、光学显微镜、扫描电镜及能谱仪等对温度为600~1350℃时45钢 连铸坯的高温拉伸性能进行检测与分析。结果表明:45钢连铸坯的高温抗拉强度随温度的升高而 逐渐降低,其有两类脆性温度区,第一类为1200~1350℃,第二类为600~900℃;45钢连铸坯的 矫直温度应大于900℃,以防止出现矫直裂纹。 

关键词:45钢;高温抗拉强度;断面收缩率;脆性温度区 

中图分类号:TB31;TG115.2                    文献标志码:A                              文章编号:1001-4012(2023)06-0033-03

为了有效提高连铸坯的质量,减少裂纹的产生, 需要对45钢连铸坯的高温力学性能进行模拟研究, 对连铸工艺的控制有着重要的指导意义[1]。 

某钢厂45钢连铸坯常出现表面裂纹和内部裂 纹,用热模拟试验机对45钢进行了高温拉伸试验, 分析了45钢连铸坯的高温脆性温度区,结果可为 45钢连铸坯拉坯及矫直工艺的制订和优化提供基 础数据,以防止连铸坯裂纹的产生。.

1 试验方法 

在45钢连铸坯的纵向取样,试验时将铸坯加工 成规格为10mm ×120mm(直径×高度)的圆棒 试样,试样加工尺寸如图1所示,圆棒长度方向为拉 坯方向。

高温拉伸试验温度为600~1350℃,每次试验的温 度间隔为50℃,试验过程中采用氩气保护,可以防 止氧化。在拉伸过程中,试样的应变速率参照实际 45钢连铸坯的应变速率进行设定,选用的应变速率 为1×10-3s-1。为了保证试样温度的均匀性,先以 10℃/s的升温速率将温度升高到1200℃,再以 5℃/s的升温速率将温度升高到 1350℃,保温 1min,然后以3 ℃/s的降温速率将温度降到预定 的测试温度,保温1min,以1×10-3s-1 的应变速 率拉伸试样,直至试样断裂。试样的加热工艺试验 过程如图2所示,试验后计算其高温抗拉强度和断 面收缩率,并借助光学显微镜、扫描电镜及能谱仪对 断后试样的微观形貌进行分析。 

2 试验结果

2.1 45钢连铸坯的高温抗拉强度极限及断面收 缩率 

根据不同试验温度下获得的应力-应变曲线的 高温抗拉强度数据,整理得到45钢的高温抗拉强 度、断面收缩率与温度的关系(见图3)。从图3可 以看出:高温抗拉强度随温度的升高而逐渐降低,这 是因为随着温度的升高,晶体结构发生变化,位错减 少,原子移动较为容易,从而抗拉强度降低。从变化 趋势上看,温度小于900℃时,随着温度的升高,其 抗拉强度下降得相对较快,而在温度大于900℃时, 抗拉强度下降得相对缓慢一些。 

一般认为[2],断面收缩率小于60%时为脆性 区。从图3可以看出:45钢有两类脆性温度区, 1200~1350℃为第一类脆性区,600~900℃为第二类脆性区。在温度为950~1200℃时,45钢有 良好的塑性,断面收缩率均大于60%。

2.2 拉伸试验后试样的微观形貌 

用光学显微镜对拉断的7根45钢连铸坯试样 进行观察,发现试样中均明显分布着 MnS夹杂。将 试样用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀后,发 现铁素体沿原奥氏体晶界析出,形成铁素体网,MnS 夹杂集中分布在铁素体相中,同时伴随出现了橙色 的多边形碳氮化物,沿夹杂相可见明显拉伸开裂。 650℃和850℃时拉伸试样的显微组织形貌如图4 所示。由图4可知:45钢连铸坯的原始晶界上明显 有 MnS夹杂偏聚和碳氮化物析出,降低了钢的塑 性。在拉伸过程中,试样在较低的变形程度下发生 了断裂,因此在温度为600~900℃下试验所得试样 的整体断面收缩率较小。 

用扫描电镜及能谱仪对不同脆性温度区的拉 伸试样断口进行分析。第一类脆性温度区为高温 区,也称为熔点脆化区。在温度大于1200℃时, 45钢连铸坯的塑性急剧下降。在高温区,断口较 平滑,呈液相凝固自由收缩特征,晶粒细小,沿晶 界液膜处断裂。温度为1300 ℃时的试样断口 SEM 形貌及能谱分析结果如图5所示,高温下断 口局部熔化,能谱分析可见断口处分布着细小的 MnS夹杂,高温下微小的硫化物质点在奥氏体晶 界析出,在高温拉伸过程中,这些质点成为了拉伸 开裂的起裂源。

在中温区(900~1200 ℃),断口为韧性断口, 呈明显的韧窝形貌。温度为1050℃时试样断口的 SEM 形貌如图6所示,由图6可知:断口由大量的 等轴韧窝组成,呈塑性断裂特征,等轴韧窝小而密, 宏观表现为塑性较好。

第二 类 为 脆 性 温 度 区,即 低 温 区 (600~ 900℃),通过观察,低温断口呈“冰糖”状,呈沿晶脆性断裂特征,晶粒间有开裂和微小的孔洞。造成这 种断口的主要原因是低温奥氏体发生相变析出薄膜 网状铁素体,铁素体强度小于奥氏体[3],在变形过程 中出现不均匀变形,易在铁素体上形成裂纹;在奥氏 体晶界上析出的铁素体中分布着长条状 MnS夹杂, 拉伸过程中试样易沿着夹杂物发生开裂;在低温区, 晶界上有钒、钛、铌的碳氮化物析出[4],低温析出物 尺寸较小,弥散分布在晶界上,在变形过程中,钉扎 晶界发生滑移,当外力增加时,位错会绕过析出物, 在周围形成位错环,在析出物分布处形成应力集中 并产生微小孔洞,最终导致试样拉伸开裂。因此,为 了避免铸坯在矫直过程中产生裂纹,45钢的矫直温 度应避开第二类脆性温度区[5],并保证在温度大于 900℃时对其进行矫直。650℃时试样断口的SEM 形貌及能谱分析结果如图7所示。

3 结论 

(1)在温度为600~1350℃时,45钢连铸坯的 高温抗拉强度随温度的升高而逐渐降低。 

(2)45钢连铸坯有两个脆性温度区,1200~ 1350℃为第一类脆性温度区,600~900℃为第二 类脆性温度区。 

(3)在应变速率为1.0×10-3s-1 的变形条件 下,温度小于900℃时,45钢连铸坯的断面收缩率 低于60%,塑性较差,在实际生产过程中,45钢连铸 坯的矫直区温度应大于900 ℃,以防止出现矫直 裂纹。

参考文献: 

[1] 陈登福,高兴健,王启明,等.Q235G钢连铸坯的高温 力学性能分析[J].过程工程学报,2009,9(增刊1): 210-213. 

[2] 常桂华,曹亚丹,吕志升,等.连铸坯的高温力学性能 分析[J].鞍钢技术,2007(6):25-29. 

[3] 袁伟霞,董汉雄,袁桂莲.中碳钢高温力学性能研究及 在连铸生产中的应用[J].炼钢,1999,15(1):28-31. 

[4] 吴宗双,包燕平.60Mn钢高温力学性能研究[J].理化 检验(物理分册),2006,42(3):116-118,122. 

[5] 孙胜英,马永昌.SS400连铸坯高温热塑性分析[J]. 理化检验(物理分册),2014,50(4):266-267,298. 

<文章来源 > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 6期 (pp:33-35)>