摘 要:利用熱模擬試驗(yàn)機(jī)、光學(xué)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(jìn)行檢測與分析。結(jié)果表明:45鋼連鑄坯的高溫抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高而 逐漸降低,其有兩類脆性溫度區(qū),第一類為1200~1350℃,第二類為600~900℃;45鋼連鑄坯的 矯直溫度應(yīng)大于900℃,以防止出現(xiàn)矯直裂紋。

關(guān)鍵詞:45鋼;高溫抗拉強(qiáng)度;斷面收縮率;脆性溫度區(qū)

中圖分類號:TB31;TG115.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1001-4012(2023)06-0033-03

為了有效提高連鑄坯的質(zhì)量,減少裂紋的產(chǎn)生, 需要對45鋼連鑄坯的高溫力學(xué)性能進(jìn)行模擬研究, 對連鑄工藝的控制有著重要的指導(dǎo)意義[1]。

某鋼廠45鋼連鑄坯常出現(xiàn)表面裂紋和內(nèi)部裂 紋,用熱模擬試驗(yàn)機(jī)對45鋼進(jìn)行了高溫拉伸試驗(yàn), 分析了45鋼連鑄坯的高溫脆性溫度區(qū),結(jié)果可為 45鋼連鑄坯拉坯及矯直工藝的制訂和優(yōu)化提供基 礎(chǔ)數(shù)據(jù),以防止連鑄坯裂紋的產(chǎn)生。.

1 試驗(yàn)方法

在45鋼連鑄坯的縱向取樣,試驗(yàn)時將鑄坯加工 成規(guī)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?yàn)槔? 坯方向。

高溫拉伸試驗(yàn)溫度為600~1350℃,每次試驗(yàn)的溫 度間隔為50℃,試驗(yàn)過程中采用氬氣保護(hù),可以防 止氧化。在拉伸過程中,試樣的應(yīng)變速率參照實(shí)際 45鋼連鑄坯的應(yīng)變速率進(jìn)行設(shè)定,選用的應(yīng)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(yù)定 的測試溫度,保溫1min,以1×10-3s-1 的應(yīng)變速 率拉伸試樣,直至試樣斷裂。試樣的加熱工藝試驗(yàn) 過程如圖2所示,試驗(yàn)后計算其高溫抗拉強(qiáng)度和斷 面收縮率,并借助光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡及能譜儀對 斷后試樣的微觀形貌進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 45鋼連鑄坯的高溫抗拉強(qiáng)度極限及斷面收 縮率

根據(jù)不同試驗(yàn)溫度下獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的 高溫抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù),整理得到45鋼的高溫抗拉強(qiáng) 度、斷面收縮率與溫度的關(guān)系(見圖3)。從圖3可 以看出:高溫抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高而逐漸降低,這 是因?yàn)殡S著溫度的升高,晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,位錯減 少,原子移動較為容易,從而抗拉強(qiáng)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(qiáng)度下降得相對較快,而在溫度大于900℃時, 抗拉強(qiáng)度下降得相對緩慢一些。

一般認(rèn)為[2],斷面收縮率小于60%時為脆性 區(qū)。從圖3可以看出:45鋼有兩類脆性溫度區(qū), 1200~1350℃為第一類脆性區(qū),600~900℃為第二類脆性區(qū)。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(yàn)后試樣的微觀形貌

用光學(xué)顯微鏡對拉斷的7根45鋼連鑄坯試樣 進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)試樣中均明顯分布著 MnS夾雜。將 試樣用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕后,發(fā) 現(xiàn)鐵素體沿原奧氏體晶界析出,形成鐵素體網(wǎng),MnS 夾雜集中分布在鐵素體相中,同時伴隨出現(xiàn)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(fā)生 了斷裂,因此在溫度為600~900℃下試驗(yàn)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(qū)的拉 伸試樣斷口進(jìn)行分析。第一類脆性溫度區(qū)為高溫 區(qū),也稱為熔點(diǎn)脆化區(qū)。在溫度大于1200℃時, 45鋼連鑄坯的塑性急劇下降。在高溫區(qū),斷口較 平滑,呈液相凝固自由收縮特征,晶粒細(xì)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(jié)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(xì)小的 MnS夾雜,高溫下微小的硫化物質(zhì)點(diǎn)在奧氏體晶 界析出,在高溫拉伸過程中,這些質(zhì)點(diǎn)成為了拉伸 開裂的起裂源。

在中溫區(qū)(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(xiàn)為塑性較好。

第二 類 為 脆 性 溫 度 區(qū),即 低 溫 區(qū) (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(fā)生相變析出薄膜 網(wǎng)狀鐵素體,鐵素體強(qiáng)度小于奧氏體[3],在變形過程 中出現(xiàn)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(fā)生開裂;在低溫區(qū), 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(fā)生滑移,當(dāng)外力增加時,位錯會繞過析出物, 在周圍形成位錯環(huán),在析出物分布處形成應(yīng)力集中 并產(chǎn)生微小孔洞,最終導(dǎo)致試樣拉伸開裂。因此,為 了避免鑄坯在矯直過程中產(chǎn)生裂紋,45鋼的矯直溫 度應(yīng)避開第二類脆性溫度區(qū)[5],并保證在溫度大于 900℃時對其進(jìn)行矯直。650℃時試樣斷口的SEM 形貌及能譜分析結(jié)果如圖7所示。

3 結(jié)論

(1)在溫度為600~1350℃時,45鋼連鑄坯的 高溫抗拉強(qiáng)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(qū),1200~ 1350℃為第一類脆性溫度區(qū),600~900℃為第二 類脆性溫度區(qū)。

(3)在應(yīng)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(shí)際生產(chǎn)過程中,45鋼連鑄 坯的矯直區(qū)溫度應(yīng)大于900 ℃,以防止出現(xiàn)矯直 裂紋。

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<文章來源>材料與測試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊>59卷>6期(pp:33-35)>