唐晶， 賴朝彬， 陳英俊， 孫樂飛， 劉敏

（1.江西理工大學(xué)冶金與化學(xué)工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.新余鋼鐵集團(tuán)，江西 新余 338000）

E690鋼屬于低碳微合金化鋼，常用于海洋平臺的建造，由于海洋平臺特殊的工作環(huán)境，因此，E690鋼在強(qiáng)度、韌性都須達(dá)到較高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn).

對鋼的高溫塑性進(jìn)行研究，就能對它在連鑄時(shí)的二冷制度確定及優(yōu)化提供依據(jù)，進(jìn)而對鋼的表面質(zhì)量進(jìn)行控制，它是影響鋼在連鑄過程中是否產(chǎn)生裂紋的重要因素之一.連鑄坯的質(zhì)量優(yōu)劣會(huì)顯著影響鋼材的質(zhì)量.目前連鑄坯生產(chǎn)中存在的質(zhì)量問題50%以上都是由裂紋缺陷造成的[1]，低碳微合金鋼在連鑄時(shí)常見的質(zhì)量缺陷有橫裂紋和角部裂紋[2].要減輕或避免鑄坯裂紋產(chǎn)生，在生產(chǎn)時(shí)采取合理的連鑄工藝尤其是二冷制度是一個(gè)關(guān)鍵手段.要設(shè)計(jì)合理的連鑄工藝，就要對鋼種的高溫力學(xué)性能有充分的認(rèn)識.

本文對某鋼廠生產(chǎn)的E690鋼的高溫塑性進(jìn)行測試，對E690鑄坯裂紋的形成機(jī)理進(jìn)行分析，從而對E690鋼連鑄生產(chǎn)的二冷制度的確定及對避免鑄坯裂紋產(chǎn)生提供理論上的指導(dǎo).

1 研究內(nèi)容和研究方法

1.1 連鑄坯試樣相關(guān)參數(shù)

本試驗(yàn)采用美國DSI公司的Gleeble-3800熱模擬機(jī)進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn).為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，在連鑄坯窄面1/4處取樣、并避開距離表面20 cm和距離中心50 cm處，沿拉坯方向取樣，取樣位置如圖1所示.

圖1 取樣位置圖Fig.1 Schem atic diagram of sam p ling position

從板坯上取下試樣后，放到車床上加工成標(biāo)準(zhǔn)樣.最終的尺寸為10mm×10mm，試樣兩端的螺紋為M10 mm×10 mm.試驗(yàn)尺寸如圖2，試驗(yàn)用E690鋼的化學(xué)成分見表1.

圖2 試樣尺寸圖Fig.2 Schem atic of tensile specim en

表1 試驗(yàn)鋼E690的化學(xué)成分/w t%Table 1 Chem ical composition of the tested/w t%

1.2 研究方法

試驗(yàn)在600～1 350℃范圍內(nèi)，每隔50℃選取一個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn).試驗(yàn)時(shí)，在Gleeble試驗(yàn)機(jī)內(nèi)用20℃/s的加熱速度將試樣加熱到1 350℃，并保溫1 min促進(jìn)其均相溶解，然后以3℃/s速度降至試驗(yàn)溫度，保溫1min，然后以1×10-3/s應(yīng)變速率拉至斷裂.試樣拉斷后空冷至室溫，并測量試樣的斷面收縮率.實(shí)驗(yàn)方案如圖3所示.

圖3 拉伸試驗(yàn)方案圖Fig.3 H igh tem peraturem echanical property test process

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 塑性和強(qiáng)度曲線

鋼的高溫塑性主要依靠鋼的斷面收縮率來衡量，斷面收縮率低，鑄坯對裂紋就越敏感，斷面收縮率高，鑄坯對裂紋不敏感，在連鑄生產(chǎn)中就不容易產(chǎn)生裂紋.

將試驗(yàn)時(shí)、試驗(yàn)后統(tǒng)計(jì)并記錄的斷面收縮率、抗拉強(qiáng)度等數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖4所示.E690鋼的斷面收縮率在600～900℃范圍內(nèi)從77.71%緩慢降至64%，變化不大；從950℃開始，試樣的斷面收縮率從68.86%快速升高至1 100℃的90.01%，達(dá)到最高；1 150～1 200℃，斷面收縮率穩(wěn)定在76%水平；1 250℃以后，斷面收縮率開始顯著下降至1 350℃的26.04%，直至1 400℃時(shí)，試樣的塑性接近于零.斷面收縮率是衡量金屬高溫塑性的重要參數(shù)，一般認(rèn)為斷面收縮率高于60%時(shí)，鑄坯的高溫塑性良好，不易產(chǎn)生裂紋；斷面收縮小于60%時(shí)塑性較差.本試樣第3脆性區(qū)塑性較好的原因是由于鋼中C、N含量低，在晶界析出的碳氮化物的量少，有效抑制了晶粒的粗大化，從而提高了鋼的高溫塑性.

圖4 E690鋼的高溫塑性和抗拉強(qiáng)度曲線Fig.4 Thermop lasticity and strength curves of E690 steel

抗拉強(qiáng)度是鋼在高溫下不產(chǎn)生裂紋的最大允許應(yīng)力值，是抵抗裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展能力的體現(xiàn)，鋼在連鑄過程中，如果某點(diǎn)的應(yīng)力值超過該點(diǎn)對應(yīng)的抗拉強(qiáng)度，就會(huì)產(chǎn)生裂紋.由圖4可知，鋼的抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，600～900℃范圍內(nèi)，抗拉強(qiáng)度從393.11MPa迅速降至 104.73 MPa.900～1 100℃，抗拉強(qiáng)度從104.73 MPa降至33.18 MPa，降幅較大.1 100℃以后，試樣抗拉強(qiáng)度降低的速度減小，1 400℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度降至接近于零.

2.2 斷口形貌

在高溫塑性的研究分析中，一般是以斷面收縮率60%為標(biāo)準(zhǔn)來區(qū)分高塑性區(qū)跟低塑性區(qū)，但本試樣的高溫塑性整體較好，若選取60%作為區(qū)分高塑性區(qū)與低塑性區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，將找不到第3脆性區(qū).若將68%作為區(qū)分高塑性區(qū)與低塑性區(qū)的指標(biāo)，能找出一個(gè)類似于第3脆性區(qū)的塑性低谷，故本實(shí)驗(yàn)選取68%作為標(biāo)準(zhǔn)來區(qū)分高塑性區(qū)與低塑性區(qū).

1）第3脆性區(qū).通過分析試樣的塑性曲線，可知800～950℃溫度區(qū)間內(nèi)試樣的斷面收縮率在68%以下.選取900℃拉斷試樣斷口進(jìn)行分析，從圖5（a）中可看出：900℃時(shí)，試樣的部分區(qū)域呈冰糖狀，表明此處的塑性較差，此處為沿晶斷裂.另外，試樣中小部分區(qū)域呈韌窩狀，表明此處為穿晶斷裂，但韌窩較淺.在此溫度區(qū)間內(nèi)，試樣的斷裂機(jī)理既有沿晶斷裂，也有穿晶斷裂，所以試樣的斷面收縮率在68%以下，但收縮率的最低處較高.第3脆性區(qū)形成原因如下：一方面是AlN在鋼中析出.另一方面是由于α鐵素體在γ→α相轉(zhuǎn)變時(shí)，在晶界析出.由于α鐵素體強(qiáng)度只有奧氏體的1/4，所以當(dāng)外力超過α相的臨界應(yīng)力時(shí)，裂紋就會(huì)長大，最終導(dǎo)致試樣沿晶界斷裂[3-6].

2）塑性良好區(qū).950～1 290℃溫度區(qū)間為試樣的塑性良好區(qū).從塑性曲線上分析，此溫度區(qū)間的斷面收縮率一直位于68%上方，塑性良好.選取此溫度區(qū)間的1 100℃試樣斷口進(jìn)行觀察，如圖5（b）所示，可觀察到斷口處分布了大量大小不一，但都較深的韌窩，此時(shí)試樣為穿晶斷裂.在塑性良好區(qū)內(nèi)，試樣的塑性良好區(qū)內(nèi)，試樣的塑性良好是由于在此溫度區(qū)間內(nèi)發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶.在高溫下試樣形變時(shí)晶界遷移，微裂紋的長大被阻止.再結(jié)晶新晶粒形成時(shí)，晶界在高溫應(yīng)變下發(fā)生遷移.在此溫度區(qū)間內(nèi)晶界遷移的速度超過晶界滑移，將晶界上的裂紋包含在晶體內(nèi)[7-8].從而晶界上的裂紋減少，提高了高溫塑性.

3）第1脆性區(qū).1 290℃～熔點(diǎn)為試樣的第1脆性區(qū)，在此溫度區(qū)間內(nèi)，溫度升高，試樣的塑性迅速降低.選取此溫度區(qū)間內(nèi)的1 300℃試樣斷口觀察，可觀察到試樣斷口處較平滑，且能觀察到細(xì)小的裂紋，表明此時(shí)試樣發(fā)生了熔化.圖5（c）中斷口形貌表明此溫度區(qū)間內(nèi)試樣為沿晶斷裂.此溫度區(qū)間內(nèi)，O、P、S等元素在晶界富集，在晶界處形成液膜.從而在晶界處形成裂紋，由于裂紋在應(yīng)變過程中長大，降低了試樣的塑性[9].枝晶間的液膜是造成鑄坯裂紋的根源.因此，降低鋼中O、P、S等元素的含量、并保證坯殼的傳熱均勻，就能在根源處減少鑄坯裂紋、提高鑄坯質(zhì)量[8].

圖5 E690鋼的斷口形貌圖Fig.5 Fracturem orphologies of E690 steel sam p le drawn at different tem peratures

本試樣的高溫塑性較好的原因是由于鋼中的C、N含量低及在鋼中加入了微量的Ti.根據(jù)倪有金等的研究，奧氏體晶界鐵素體大量析出AlN，在晶粒間形成空洞，造成鋼的高溫塑性降低[10].鋼中含少量的Ti、Nb能抑制MnS和AlN在奧氏體晶界析出，從而改善鋼的高溫塑性.Ti的微合金化能明顯改善鋼的高溫塑性.根據(jù)Suzuki等的研究，Ti在微合金狀態(tài)下，能使析出位置有原奧氏體晶界變?yōu)閵W氏體晶粒內(nèi)部，對鋼的高溫?zé)o不良影響[11-18].綜上所述，本試樣由于在高溫時(shí)析出了TiN，減少了AlN析出，對鋼的高溫塑性有所改善，使得本試樣的高溫塑性較好.圖6所示為析出物的形態(tài)及EDAX能譜分析.

圖6 析出物的形態(tài)及EDAX能譜分析Fig.6 Form of a p recipitate and EDAX energy spectrum analysis

鑄坯裂紋是在通過結(jié)晶器時(shí)，產(chǎn)生于枝晶晶界的液膜，溫度處于第1脆性區(qū).在冶煉時(shí)降低O、P、S的含量，就能阻止裂紋的生成.在鋼坯矯直時(shí)避開第3脆性區(qū)，裂紋產(chǎn)生概率降低，鑄坯質(zhì)量提高.

3 結(jié) 論

1）E690海洋平臺用鋼的高溫塑性較好，800～950℃時(shí)，試樣有一個(gè)塑性低谷，為第3脆性區(qū).

2）950～1 100℃溫度范圍內(nèi)，由于發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，試樣的塑性明顯升高.

3）1 290℃后，由于晶界處形成液膜及晶界處有硫、磷等低熔點(diǎn)雜質(zhì)，試樣沿晶界開裂，試樣的塑性顯著下降.

4）為保證E690海洋平臺用鋼的高溫塑性，生產(chǎn)中，矯直溫度應(yīng)在950～1 000℃.

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