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Nb微合金钢的高温塑性研究及应用
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随着钢产品向优质低耗高效化方向发展，微合金元素在钢铁产品中用途越来越广，用量越来越大。连铸技术的大力发展使连铸微合金钢的产量大大增加。与普通钢相比，微合金钢的连铸裂纹敏感性较强，生产难度较大。这些元素在高温下析出碳化物、氮化物及碳氮化物，使钢的脆性明显提高，铸坯表面裂纹发生率较高。连铸坯表面裂纹的形成与钢的高温塑性密切相关，采用高温热模拟试验方法可以模拟连铸条件下钢所承受的应力应变组织变化。本文采用Gleeble-2000热模拟试验机测定了工程结构用含Nb钢的高温塑性，对其高温状态下的组织形态、断裂方式、碳化物析出等进行了形态研究，并对该研究结果在实际生产中的应用进行了分析讨论。 2 试验方法 所研究试样取自连铸大板坯，试样尺寸为Φ10mm×120mm，试样化学成分及对比试样的化学成分如表1所示。 表1 试验钢及对比试验钢化学成分 % 钢种 C Si Mn P S Al Nb N A 0.154 0.256 1.398 0.012 0.007 0.026 0.024 0.0042 B 0.174 0.410 1.500 0.016 0.013 0.034 - 0.0042 高温塑性测试在Gleeble-2000热模拟实验机上进行。试验前测试室内先抽真空，然后采用氩气保护，以20℃/s的速率升温，达到1350℃后保温3min，然后以20℃/s的冷却速度降温至试样的拉伸变形温度，保温3min后以一定的应变速率进行高温拉伸试验，拉断后立即进行快速冷却以保留试样在试验温度下的组织形貌。图1为试验过程中工艺参数变化示意图。 采用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜等手段对试样断口的组织形貌和析出物进行观察分析，同时采用电解相分析的方法对试样断口部分进行分解，得到高温拉伸试验条件下析出物的数量，并将之与未进行拉伸的静态保温析出量进行了对比分析。 3 试验结果与分析 3.1 含Nb钢高温塑性特点 图2为含Nb钢及对比钢种B在高温试样拉断时断面收缩率随温度的变化曲线。可以看到所试验钢种的高温塑性呈现明显的规律，在1300℃以上塑性很差，1300~1000℃范围内试样具有良好的塑性，断面收缩率保持在80%以上；试验温度降低至1000℃以后塑性又显著降低，在750~800℃塑性降低至低谷，断面收缩率在30%以下；随后随着温度的降低，塑性又缓慢回升。从两个钢种的塑性比较可以看出，B钢种塑性低谷窄而深，而含Nb钢塑性低谷略浅，但温度范围宽，在930℃左右，断面收缩率才达到60%。 3.2 应变速率对高温塑性的影响 试验过程拉伸应变速率显著影响试样的高温塑性及高温强度。图3为不同试验温度条件下应变速率对断面收缩率的影响。在不同试验温度下，应变速率对高温塑性的影响不同。在750℃低温脆性区和1300℃高温脆性区进行拉伸，随着变形速率的降低，断面收缩率显著降低。而在1000℃条件下进行拉伸，应变速率对高温塑性影响不大。高温塑性的这一特点与这一温度区的组织转变有关。1300℃进行拉伸，随着应变速率的降低，高温奥氏体晶界的低熔点组元偏析增大，奥氏体晶粒粗化，应力分布不均匀，晶界应力集中严重，变形能力降低；在750℃奥氏体/铁素体两相区，应变速率的降低意味着应力诱导相变时间的大大延长，进一步促进薄弱的沿晶低强度相的形成，必然导致其塑性的降低。在1000℃奥氏体稳定区，应变速率的降低对其组元偏析、组织转变、晶粒度等均无显著影响，使该温度区域始终保持良好的塑性。 3.3 试样断口形貌及金相组织 试样不同的高温塑性与其组织结构的变化密切相关。试样断口组织为贝氏体、索氏体和沿奥氏体晶界呈网状分布的铁素体。由于晶界铁素体薄膜的存在，破坏了组织的连续性，降低了晶界强度，使其塑性大幅度降低。由于试样在两相区停留的时间延长，铁素体网状薄膜层加厚，初生的铁素体薄膜的强度仅为基体奥氏体强度的1/4，造成晶界部位的应力进一步集中，导致其塑性显著降低。 试样高温断口的组织为，1000℃条件下断口组织为贝氏体+马氏体组织，1130℃条件下断口组织为粗大马氏体组织。 3.4 含Nb钢塑性低谷特点 与钢的基体成分相同，仅仅不含Nb的B钢种相比，含Nb钢的塑性低谷温度范围宽得多。在B钢种，存在奥氏体铁素体逐步相变的两相区脆性，使其在760~840℃范围内出现显著的塑性低谷，其最低塑性仅为16.4%。与此相比，含Nb钢在700~900℃温度范围内不仅存在相变诱导的两相区脆性，同时由于钢中Nb在该温度范围内主要沿奥氏体晶界析出NbCN，加剧了晶界的应力集中，使该钢种在奥氏体低温域也出现一定的脆性，其脆性低谷温度范围为600~930℃，最低脆性值21.6%，比B钢种高，这在一定程度上体现了Nb在钢中的强韧化作用。 对高温拉伸试样的电解相分析表明，850~900℃为其碳氮化物析出峰值温度范围，高于或低于此温度后析出物含量显著降低，对塑性的影响也大大降低。因此，奥氏体/铁素体两相域的脆性和奥氏体低温域的碳氮化物析出使含Nb钢的塑性低谷温度范围显著高于B钢。 4 铸坯裂纹分析及生产工艺优化 众所周知，碳含量为0.10~0.17%范围的包晶钢的铸坯表面裂纹敏感性很强。本研究的含Nb钢在实际生产中的主要铸坯缺陷为表面纵裂纹，最严重的纵裂纹横截面中，裂纹沿奥氏体晶界延伸，内部有氧化亚铁，周围无氧化物夹杂及外来物聚集，但裂纹周围及尾端有氧化脱碳特征。 分析检验表明，该裂纹为板坯浇铸过程中在结晶器内凝固形成的高温裂纹，与结晶器表面状况、保护渣的润滑性能、结晶器钢液面稳定性、浸入式水口插入深度等因素均有关，实际生产中影响因素很多。从钢的高温塑性来分析，结晶器内弯月面附近初生坯壳处于δ铁素体和γ奥氏体相变区，温度位于零强度和零塑性温度附近，产生裂纹的临界应变很低，工艺因素造成的小量的凝固不均匀也有可能导致纵裂纹的产生。 一般来讲，含Nb钢铸坯表面横裂纹敏感性较强。在实际连铸生产中，采取了一系列工艺措施来避免该裂纹的产生，如采用适当的结晶器弱冷却，颗粒保护渣，而且在浇铸过程中采用了与拉坯速度相关的振动频率控制模型，保证浇铸过程的负滑脱率在20%，使振痕较浅。 同时在二次冷却区采用了气雾冷却及动态控制，矫直区铸坯表面温度控制较好，始终保持在900℃以上，避开了塑性低谷温度范围，使该钢种很少出现铸坯表面横裂纹缺陷。 5 结论 （1） 在连铸温度范围内所研究的含Nb钢出现两个塑性低谷，分别为熔点1300℃的高温塑性低谷和900~700℃的低温塑性低谷。 （2） 应变速率对不同温度区的塑性影响不同，在两个塑性低谷温度区，应变速率的降低显著降低材料的断面收缩率。 （3） 由于Nb合金元素的存在，使该钢种较一般碳锰钢低温塑性低谷温度较宽。 （4） 所研究钢种的纵、横裂纹敏感性均较强，在实际生产中必须采取完善的工艺措施，避免这些裂纹的出现。 |
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