连铸温度范围内钢的蠕变性能

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1991.s1.009 北京科技大学学报 第13卷第4(1)翔 Vol,13No,4(I) 1991年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing July 1991 连铸温度范围内钢的蠕变性能 党紫九张艳·吴娜·叶枫… 摘要：研究了钢在低应变速下的热塑性，得出了描述应变速率与热塑性关系的模 型。研究结果表明，低应变速率下的热塑性与坻变密切相关。 关键词：蠕变，热塑性，应变速率，再结品，述街 Creep Properties of the Steel in the Rang of Temperature of Continuous Casting Dang Zijiou*Zhang Yan Wu Na Ye Feng ABSTRACT:Hot ductility of steel has been investigated at low strain rates.A simple model for strain rate effects on hot ductility is presented,The results show that creep should be connected with hot ductility at low strain rates. KEY WORDS:creep,hot ductility,strain rate,recrystallization,continuous casting 在连铸生产中，中心偏析及内裂纹是连铸坯质量的严重缺陷，而鼓肚现象对中心偏析及 内裂纹的形成有着重大的影响。根据一些研究结果可知，出现鼓肚现象的主要机理为蠕变。连 铸坯的温度范围在900-1500℃之间，但人们对钢在高温下的蠕变性能研究较少，尤其在1300℃ 以上就很难获得有用的数据，有关研究结果仅仅偏重于低温下的恒载蠕变试验，而实际上连 铸坯在从一个支撑辊到下一个支撑辊的过程中，所承受的都是循环应力和应变。连铸过程实 际上包含了许多低速热变形，但低应变速率的研究很少见。因此，为了解决连铸坯的裂纹缺 陷，必须将低应变速率与热塑性联系起来。 本文研究了1200℃和1300℃温度下的静态蠕变性能、1200℃温度下钢的动态燸变性能和 1991-05-06收稿 ,北京科技大学(University of Science and Technology Beijing) ··上海第五钢铁厂(Shanhai No5 Iron and Stcel Works) 57

第 卷第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 。 。 年 月 一。 。 、 连铸温度范围 内钢的蠕变性能 党紫九 ’ 张 艳 ‘ 吴 娜 ’ 叶 枫 ‘ ’ 肠‘ 摘 要 研究 了钢 在低 应 变速率下 的热 塑 性 ， 得出 了描述 应 变速 率与 热 塑 性 关 系 的 模 型 。 研 究结 果表 明 ， 低 应变速率下 的热 塑性与 蠕变 密切 相 关 。 关键词 蠕 变 ， 热 塑 性 ， 应 变 速 率 ， 再 结 晶 ，连 铸 夕 “ ， 夕 ， 牙 。 ， 夕 ， ‘ 。 ， ， ， 了 ， 与 在连铸生产 中 ， 中心偏 析及 内裂纹是连 铸坯 质量的 严重 缺陷 ， 而鼓肚 现象对 中心偏 析及 内裂纹的形 成有着重大 的影响 。 根据一些研 究结 果可知 ， 出现鼓肚现象的主要机理 为蠕 变 。 连 铸坯 的温度 范围在 。 一 。 。 ℃ 之 间 ， 但人 们对钢在高温下的蠕 变性能研 究较少 ， 尤其在 ℃ 以上就很难获得 有用 的数据 ， 有 关研 究结 果仅仅偏重于低温下的恒 载蠕 变试 验 ， 而 实际上连 铸坯 在从一 个 支撑辊 到下一 个 支撑辊 的 过程 中 ， 所承受的都是循 环应力和应 变 。 连铸过程实 际上 包含 了许多低速热 变形 ， 但低应变速率的研 究很少见 。 因此 ， 为 了解 决连铸坯 的 裂纹缺 陷 ， 必须将低应 变速率与热塑性联系起来 。 本文研 究 了 。 ℃ 和 ℃ 温度下的静态蠕 变性能 、 ℃ 温度下钢的 动态蠕 变性能和 一 一 收稿 北京 科 技 大学 上 海第五钢 铁 厂 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1991．s1．009

低应变速幸下钢的热塑性。 1材料、试件和试验设备 试验用材料的化学成分为(%)：0.185C,0.007P,0.008S,0.30Si,1.13Cr,0.04 Ni,0.07Cu,和0.235Mo。 试件由热轧棒材加工而成，试件的形状和尺寸如图1所示。 全部试验在热应力/应变模拟机GLEEBLE-1500上完成。该设备由液压伺服系统、动态 电阻加热系统、数据采集系统和真空系统组成。 120 试验过程在计算机控制下实现参数测定、参数 控制与数据采集。为防止试样在高温下出现氧 化现象，特设定真空度为6.67×10-2Pa。 (b 2试骏结果与讨论 2.1恒载变蠕试验 130 图2~图4为典型的恒载蠕变曲线，这些高 m 图1试件尺寸 温下的应变-时间曲线与常规蠕变曲线不同， (a)热塑性试验用试件 开始时蠕变应变速率逐渐降低，过一段时间之 (b)恒载蠕变试验用试件 后，速率又迅速增加，这个变化是由动态再结 (c)变载蠕变试验用试件 晶引起的，图2中初始动态再结晶出现的时间 Fig.1 Gcometry of specimens uscd(mm) 为700s,在1200℃温度下，动态再结晶出现的时间约小于750s。由于这个原因，在常规蠕变试， 验中出现的应变速率恒定的蠕变第二阶段在试验中没有发现，就开始了应变速率增加的第三 阶段，因而出现了材料的明显软化现象。 0.0821300c 0.162 1200℃ 980.7N 735.5N 7.080 0.144 0.126 c.078 0.076 0.108 0.074 0.090 0.072 0.072 750 1000 0 250500 200 400 600 800 1000 0 Time/s Lime/s 图21300℃及735.5N条件下的应变-时间曲线 图31200℃及980.：N条件下的应变-时间曲找 Fig.2 Scrain-time curve for the sample Fig,3 Straia-time curve for the sample tested at 1200c and 735,5N tested at 1200c and 980.7N 2.2 变载蠕变试验 (1)卸载试验为了模拟连铸坯从一个支撑辊到另一个支撑辊的过程中的载荷变化，所 58

低应变速 率 下钢的 热 塑性 。 材料 、 试件和试验设备 试 验 用材料 的 化学成分 为 吏， 。 。 ， 和 。 。 试 件由热 轧 棒 材加工而成 ， ， 。 ， ， 。 。 ， 试 件的形 状和尺 寸如图 所示 。 全部试 验在热 应 力 应 变模拟机 电阻加 热系统 、 数据采 集系 统和 真空系统组成 。 试验过程在计算机控制 下实现参数测定 、 参数 控制与数据采集 。 为防止试样在高温下出现氧 化现象 ， 特设定真 空 度 为 一 “ 。 一 上 完成 。 该设 备由液压伺服系 统 、 动态 川 州寸瓦 灵 试验结果与讨论 恒 载 变蠕试验 图 一 图 为 典型 的恒载蠕变曲线 ， 这些 高 温下的应变 一 时间曲线与 常规蠕变曲线不 同 ， 开始时蠕变应变速 率逐渐降低 ， 过一 段时 间之 后 ， 速率又迅速增加 ， 这个变化是由动态 再结 晶引起的 ， 图 中初始动 态再结晶 出现的时间 铸 … ‘ 踌王 一 一－ 多 － 阶 图 试件尺 寸 热 塑性试验 用 试件 恒 载蠕 变试验 用试件 变 载蠕变试验 用试件 斑 迹 为 ， 在 。 。 ℃温度下 ， 动态 再结 晶 出现的时间约小于了 。 由于这个原 因 ， 在常规蠕变 试 验 中出现的应变速 率恒定的蠕 变第二 阶段 在试 验中没 有发现 ， 就开始 了应 变速率增加的第三 阶段 ， 因而 出现了材料 的明显软化现象 。 。 日 。 一日 月弓 ，﹄ 六 丫 叫祠明﹄口 〕 。 汉 … 光。 魂 口 ‘ 己 乙 护声一 产声 二尹尹 了 七气 ︵ ，﹃ ‘ ︸ 甲︻的和 ， ‘ 。 图 。 。 ℃ 及 。 条件下 的应 变 一 时间曲线 七 一 ℃ 。 ， 巧 乡乞 图 ℃ 及。 条件下 的应变 一 时 间曲线 一 ℃ ， 。 。 变载 蠕 变试 验 卸载试 验 为 了模拟连 铸坯从一 个支撑辊 到 另一 个 支撑辊 的过程 中的载荷变化 ， 所

以选择了卸载试验的简单方法，其目的在于了解材料在载后的性能变化。为了简化试验， 设定了时间相同的受载及无载周期，一个循环分别定为60、90和120s。试验温度为1200℃， 拉伸载荷为980N。试验结果表示在图5中。 根据曲线1及2可明显的看出，30s及45s的无载荷周期对蠕变性能无突出影响。卸载后， 0.071 0.20120℃ 1200℃ 960 715.9N 0.067 0,16 0.063 ,12 苏 0.059 0.08 0.55 0.04 0.C51 0046uU 800 1000 1in-/s 0.D0 20D 800 10001200 12,9 图11203℃玫715.9N条件下的应空-时间曲我 ā盐试验的应变时间曲毁 Fig.1 Strain-time curve for the sample Fig.5 Strain-time curves in load tested at 1200C and 715.9N remova】tests 应变值在稍稍下降后保持恒定，重新加我时，蠕变过程依卸载前相同的应变速率继续进行。 而无载周期为60s时，蠕变性能的变化非常剧烈，从曲线3可观察到几周循环后蠕变速率的迅 速增加。这对支承辊的设计有一定的参考意义。 (2)回复试验选择和设计回复试验，目的是找出使材料完全回复的无载周期。首先， 1200℃温度下加载120s,试验结果如图6所示。在间断250s之后，重新加载时，应变速率 甚至有所下降，就在间断500、700和900s之后，蠕变速率变化相当大，其数值几乎与试验开 始时的速率接近，这说明卸载500s之后，材料即可恢复到初始状态。 2.3应变速率对热塑性的影响 断面收缩率〔R.A,)较好地反映了钢的热塑性，而热塑性对温度及应变速率表现出较复 杂的依存关系。图7描绘了不同应变速率下断面收缩率在600一1200℃范围内的关系曲线。 当应变速率低于5×10~2/s时，断面收缩率在800℃温度下出现最低值，而当应变速率高于 5×10-1/s时，则在1000℃温度下出现最低值。粗略地看，在600一1200℃温度范围内，提高 应变速率可以改善钢的热塑性。如应变速率自5×10-4/s增大至5×10~1/s时，800℃温度下 断面收缩率自22%提高至65%，这个应变速率下所有温度的断面收缩率皆超过了60%。 为了较明显地表示应变速率对热塑性的重要作用，现用图8来描绘热塑性曲线。必须强调 指出，要研究连铸过程，就应当考虑动态回复过程，即回复和再结晶。动态回复过程是影响 热加工的重要因素。所以，研究热塑性和应变速率的关系必须以此为基础。下述两种情况经 常出现在连续塑性应变过程中。 (1)只有回复无再结品； (2)既有回复又有再结晶。 第一种情况多出现在低温下，热塑性主要受回复的影响。如600℃温度下，热塑性在中 59

以选择了卸载试验的 简单方法 ， 其 目的 在于 了解材料 ， 住卸 载后的性能变化 。 为 了简化试 验 ， 设定 了 时 间相 同的受载及无载周期 ， 一 个 循环分 别定 为 、 和 。 试验温度 为 ℃ ， 拉伸 载荷为 。 试验结 果表示在 图 中 。 根据 曲线 及 可 明显 的看 出 ， 及 的无 载 荷周期 对蠕 变 性能无突 出影 响 。 却载 后 ， ℃ 。 畏 。 · 。 ’卜 三 。 。 ， 一 黔 一 ， 了一访 不才 乙 洲二‘ 一尹佗 卜尹 口 扭子于 门 。 已乡 口 几勺 弃公毛子 下 一 只 。 。 。 ℃ ‘ 口沁 ‘ 了声 一匕 二 匡 ， 了 仁 ， 一不一 ‘ 一 艺 口 共〔飞 乙〔 门 乙 〕 图 ℃ 及 了 杀件下 为应 交 一 时 间曲线 一 巴 上 ℃ 图 却载试 验 的应 变 一 时 间曲 线 一 应变值在稍稍下降 后保 持恒定 ， 重 新加 载时 ， 蠕 交过 程依 卸载前相 同的应 变速 率继续进行 。 而 无载周 期为 时 ， 蠕变性 能的 变化非 常剧烈 ， 从曲线 可观察到 几 周 循环后蠕变速 率的迅 速增加 。 这 对 支承辊的设计有一定 的 参考意义 。 回 复试验 选择和设 计回 复试 验 ， 目的 是找 出使材料 完全 回 复的无载周期 。 首 先 ， 禅 ℃ 温 度下加 载 ， 试 验结 果如 图 所示 。 在间断 之后 ， 重 新加载时 ， 应 变速 率 甚至有所下降 ， 就在间断 、 和 之后 ， 蠕变速 率 变化相 当大 ， 其数值几乎与试验开 始 时的速 率接近 ， 这说明卸载 之后 ， 材料 即可恢 复到初始 状态 。 应 变 速率对 热塑 性的影 响 断面收缩率 〔 〕较 好地反映 了钢的热塑性 ， 而 热 塑性对温度及应 变速 率表现 出 较 复 杂 的依存关系 。 图 描绘了不 同应 变速 率下断面收缩率在 一 ℃ 范围内 的 关 系 曲 线 。 当应 变速 率低 于 “ 时 ， 断面收 缩率在 ℃ 温度下 出现最低值 ， 而 当应 变 速 率 高 于 一 ‘ 时 ， 则 在 ℃ 温 度下 出现最低值 。 粗略地看 ， 在 一 ℃ 温度范围 内 ， 提 高 应 变速 率可以改善 钢的热塑性 。 如应 变速 率 自 冰 一 增大 至 。 ， ‘ 时 ， ℃ 温度下 断面收缩率 自 提 高至 ， 这个应 变速率下所有温度的断面收缩率皆超过 了 。 为 了较 明显地 表示应 变速 率对热塑 性 的重要 作用 ， 现 用图 来描 绘热塑性 曲线 。 必须 强调 指出 ， 要研 究连铸过程 ， 就应 当考虑 动 态回复 过程 ， 即 回 复和 再结晶 。 动态回 复过程是影 响 热 加工的重要 因素 。 所以 ， 研 究热塑性和应变速 率的 关 系 必须 以此为 基础 。 下述两 种情 况经 常出现在连续塑性应 变过程 中 。 只有回 复无 再结 晶 既 有回 复又有 再结 晶 。 第一 种情况多 出现在低温下 ， 热塑性主要 受回 复 的影 响 。 如 ℃ 温度 下 ， 热塑 性在 中

0.030 1200元 P=490N 0.024 75 utea]s 0.018 50 0.012 %5100s 0.006 -8☑t=205 d4t-700g 75 。510y5 0350s 900s 5x1C's 0500s 05*10}5 0.000 0 200400 600 80010001200 0 95x10s 400 ti0800 100012001400 Time/3 iemperature,'℃ 图6回复试验的应变-时间曲线 图7不同应变速率下R,A,与温度的关系曲线 Fig.6 Strain-time curves in restoration Fig.7 Variation of reduction of arca with tcsts test temperature and strain rate 等应变速率下显示最大值，原因是回复改善了热塑性，但这种改善比较微弱。预计将出现两 个低塑区，一个对应低应变速率，另一个对应高应变速苹，前者称为“蜢变脆化区”后者称 为“应变硬化脆化区”。温度升高意味着回复将在较高应变速率下进行，使热塑性曲线向较 高应变速率移动，如800℃温度下的断面收缩率最大值向左移动（见图8）。 第二种情况出现在较高温度下。动态再结 100 晶的产生需要足够的驱动力和时间。应变速率 较低时，回复较活跃，再结晶因无足够驱动力 75 而受到阻碍；应变速率较高时，有足够的驱动 力，但产生再结晶所需的时间太短。因此，动亡 0 ●600℃ 态再结晶只能在中等应变速率范围内才能出 o8c0℃ 现。由于产生了再结晶，在这个范围内热塑性 e1000℃ 得到了相当大的改善。如应变速率为5×10~2/s 012C0t 0 时，1000℃温度下的断面收缩率可达87%，提 -5 -4 -2 -101 高温度可提高钢的激活能，因而进一步促进了 Strain rate (E=5x10/s) 再结晶的产生，极大地改善了钢的热塑性。如 图8四个温度下的应变速率对热塑性的影响 在1200℃温度下，应变速率为5×10-1/s时， (·号表示水平座标值) R,A,值竞高达98%。 Fig.8 Influence of strain rates on hot 图8中的曲线描述了一个简单的模型，形 ductility at four temperaturcs (symbol represents valucs of horizontal coor- 象地说明了热塑性和应变速率及温度的关系， dinate) 还将蠕变及回复过程和热塑性联系了起来。 3结论 (1)连铸过程中将出现蠕变现象，但蠕变曲线与较低温度下的常规蠕变曲线不同，在第 一阶段的瞬态蠕变之后，几乎无应变速率恒定的稳态阶段，由于动态再结晶的出现，材料迅 速软化，蠕变速率快速增加，它对蠕变性能的影响十分明显。 60

擎 一犬叫一﹂ 月有‘ 八卜入 。 尸二 马 尹 一 二 · ‘ 卜 月 一 一 ， 「』蓄二 它 － 会 丁立 一 一 图 。 回 复试验 的应变 一 时 间曲线 ‘ ’ 不 同应 变 速率 下 人 与温 度 的关 系曲 线 一 图 了 等应 变速 率下显示最大值 ， 原 因是 回复改善了热塑性 ， 但这种 改善 比较 微弱 。 预计将 出现两 个低塑 区 ， 一 个对应低应变速率 ， 另一 个对应高应变速率 ， 前者称为 “ 蠕 变脆 化 区 ” 后者称 为 “ 应变硬化脆化 区 ” 。 温度升高意味着回 复将在较 高应 变速 率下 进 行 ， 使热塑性 曲线 向较 高应变速 率移动 ， 如 ℃ 温度下的断面收缩率最大值 向左移 动 见 图 。 第二种情况出现在较高温度下 。 动态再结 晶的产生需要足够的驱 动力和时间 。 应变速 率 较低时 ， 回复较活跃 ， 再结 晶 因无足够驱动 力 而 受到阻碍 应 变速 率较高时 ， 有足够的驱动 冬 力 ， 但产生再结 晶 所需的时间太短 。 因此 ， 动 己 态 再结晶只 能在 中等应 变速率范围 内 才 能 出 现 。 由于产生 了再结 晶 ， 在这个 范围 内热塑性 得到 了相 当大 的改善 。 如应 变速 率为 “ “ 时 ， ℃ 温度下 的断面收缩率可达 ， 提 高温度可提高钢的激活能 ， 因而 进一步促进 了 再结 晶的产生 ， 极大地改善了钢 的热塑性 。 如 在 ℃ 温度下 ， 应 变速 率为 ‘ 时 ， 值竟高达 。 图 中的 曲线描述 了一个简单 的模型 ， 形 象地 说明 了热塑性和应 变速率及温度的关系 ， 还将 蠕变及 回复过程和热塑性联系 了起来 。 一 一 忍一 日 忙 ‘了 日 ℃ 胃二 〔 。 产 ， 。 及万二 乡又 图 四 个温 度下 的应变速率对 热塑性的影响 · 号表 示水平 座标值 台 了 〔 功 · 结 论 连铸过程中将 出现蠕 变现象 ， 但蠕 变曲线 与较低温度下 的 常规蠕 变 曲线不 同 ， 在第 一 阶段的瞬态蠕变之后 ， 几乎无应 变速 率恒定 的稳 态 阶段 ， 由于 动态再结 晶的 出现 ， 材料 迅 速软化 ， 蠕 变速 率快速增加 ， 它 对蠕 变性能的影响十分 明 显

(2)在所有恒载蠕变试验中，在获得一定应变后即可观察到再结品，图2、图3及图4中 蠕变曲线上的切点即为标志。但如何控制再结晶的出现及预测再结晶出现的时间，还应作进 一步的研究。 (3)研究表明，应变速率是彩响热塑性的重要因素，在这个领域里还有许多问题应继续 研究，特别应考虑低应变速率。目前，连铸过程中的蠕变现象还没有引起人们的足够重视， 为了解决连铸坯的质量问题，必须将低应变速率下的热塑性与蠕变现象联系起来。 参考文献 1 Asihiko Yoshii and Shigofumi Kihara.Trans.,1986,26:891 2 Lars-Are Norstrom and Borje Johansson.Scand.J.Metallurgy,1982,11: 139 3 K.Bhanu Sankara Rao,Seetharaman,V.Mannan S L.High Temp. Mater.,1986,7:63 4 Othmar M.Puhringer,Stahl and Eisen,1976,96:279 5 Suzuki T,Tacke K H,Wunnenberg K and Schwerrdtfeger K.Ironmaking and Steelmaking,1988,15:90 6 Guo Xun Liu and Winfried Dahl.Stecl Rescarch,1989,60:221 7 Eugen Schmidtmann and Michael Merz.Steel Research,1987,58:191 8 Greenfield P,Creep of Metals at High Temperatures,Mills and Boon Limited,London,1972,7. 9 Hirowo G,Suzuki,Satoshi Nishimura and Shigeniro,Proceeding of The Symposium on "Pysical Simulation of Welding,Hot Forming,and Conti- nuous Casting”,May2一4th,1988,Canada. e 61

在所有恒 载蠕变试验 中 ， 在获得一定应 变后即 可观察到 再结 晶 ， 图 、 图 及图 中 蠕 变 曲线上的 切点即为 标志 。 但如 何控制再结 晶的 出现及 预测 再结晶 出现的时间 ， 还应 作进 一 步的研究 。 研究表明 ， 应变速 率是影 响热塑 性的重要因素 ， 在这个领域里还有许多 问题应 继续 研究 ， 特别应考虑低应变速 率 。 目前 ， 连铸过程 中的蠕变现象还没有 引起人们的足够重 视 ， 为 了解决连铸坯 的质量问题 ， 必须将 低应 变速 率下 的热塑性与蠕变现象联系起来 。 卜‘ 卜 参 考 文 献 。 ， ， 一 。 。 。 ， ， 。 ， ， 。 。 。 ， ， ， ， ， ， ， · ， ， 。 ， ， ， ， ， ， ， ， ， 。 ， ， ， 爪 “ ， ， ” ， 一 ， ， ‘ ‘