汽车用钢连铸坯的高温力学性能

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2006.02.031 第28卷第2期 北京科技大学学报 Vol.28 No.2 2006年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2006 汽车用钢连铸坯的高温力学性能 刘 青1)张立强1,2)王良周1)丁秀中2)曹立国2)齐永革2) 刘彦伟2) 1)北京科技大学冶金与生态工程学腕，北京1000832)石家庄钢铁有限责任公司炼钢厂，石家庄050031 摘要运用经典热模拟的方法研究石钢电炉生产汽车用钢的连铸坯高温力学性能，获得了五个 钢种热塑性曲线和强度曲线，针对不同方向铸坯取样的结果与其他研究结果作了对比。运用扫描 电镜对试样拉断后的断口形貌进行观察，得出了相应钢在各温度区域的斯裂机理.讨论了连铸坯 质量与高温力学性能的关系， 关键词汽车用钢；连铸：高温力学性能：二次冷却；大方坯 分类号TF777 钢的高温力学性能与俦坯裂纹有直接关系， 300mm长的钢镦，用火焰切割枪分别切割成四块 铸坯凝固过程坯壳所受各种力的作用是外因，而 后进行机械加工.加工后的最终试样总长120 钢对裂纹敏感性是内因).通过对钢的高温力学 mm,两端10mm部分有螺纹，见图2. 性能的研究，掌握钢的高温力学性能，找出脆性倾 向较大的温度范围，避免铸坯在此温度区间承受 内弧一 较大的应力或变形而产生裂纹，以指导连铸过程 中二次冷却和矫直工艺 1热模拟实验 1.1实验装置 采用美国DSI公司研制的Gleeble热模拟机 外重 进行连铸钢高温力学性能研究， 图1铸还取样示意图 1.2试样 Fig.1 Scheme of sampling in a bloom 取样示意图如图1所示.沿拉坯方向取两个 1.5×45 0 10 120 图2高温热塑性拉伸实验试件图（单位：mm) Fig.2 Scheme of a sample for bigh temperature ductility experiment(Unit:mm) 1.3实验方法 10℃·s1的速度加热至1350℃并保温1min,然 (1)高温应力应变测试在Gleeble--1500试验 后以3℃·s1的速度降到测试温度，保温1min后 机上进行，试样采用水平放置方式.试样夹持好 以e=1×103s1的形变速率对试样进行拉伸直 后，试样室通入流量为1L·min1的氩气流，并以 至断裂.温度及形变制度如图3所示， (2)试样被拉断后，立即对断口附近区域大 收稿日期：200504-26修回日期：2005-1008 作者简介：刘青(1967一)，男.副教授，博士 量喷水冷却，以使断口保持原貌； (3)测量拉断部位的截面积，以计算断面收

第 2 8 卷 第 2 期 2 0 0 6 年 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u rn al o f U n ive rs i t y o f cS i e n e e a n d T eC h n o log y 价幼i n g V o l 。 2 8 N O 。 2 F e b 。 2 0 0 6 汽车用钢连铸坯 的 高温力学性能 刘 青1) 张 立 强 ` , 2) 王 良周 ` ) 丁 秀中 2 ) 曹立 国 2 ) 齐永 革2) 刘 彦伟2) 1 ) 北京科技大学冶金与生态工程学院 , 北京 10 0 0 83 2) 石家庄钢铁有限责任公司炼钢厂 , 石 家庄 0 5 0 0 31 摘 要 运用经典热模拟的方法研究石钢电炉生产汽车用钢的连铸坯高温力学性能 , 获得 了五个 钢种热塑性 曲线和强度曲线 . 针对不同方 向铸坯取样的结果 与其他研究结果作 了对 比 . 运用扫描 电镜 对试样拉断后的断 口形貌进行观察 , 得 出了相应钢在 各温度 区域 的断裂机理 . 讨论 了连铸坯 质量与高温 力学性能的关系 . 关键词 汽车用钢 ; 连铸 ; 高温力学性能 ; 二次冷却 ; 大方坯 分类号 T F 7 7 7 钢的高温 力 学性能 与铸坯 裂 纹有直接关 系 , 铸 坯凝 固过程坯 壳所受 各种 力的 作用 是外 因 , 而 钢对裂纹 敏感性是 内因〔`〕 . 通 过对 钢的高温 力学 性能的研 究 , 掌握钢的高温力学性能 , 找 出脆性倾 向较大的温 度范 围 , 避 免铸 坯 在此 温 度区 间承 受 较大 的应力或变形 而 产生 裂 纹 , 以指 导连铸过 程 中二次冷 却和矫 直工艺 . 3 0 0 m m 长 的钢墩 , 用火焰切 割枪分别切割 成四块 后进行 机 械 加 工 . 加 工 后 的 最 终 试样 总 长 120 m m , 两端 10 m m 部分有螺纹 , 见图 2 . 1 热模拟实验 1 . 1 实验装置 采用美国 D SI 公司研 制的 lG e bl e 热模拟 机 进行连铸钢高 温 力学性能研 究 . 1 . 2 试样 取样示 意图如图 1 所 示 . 沿拉 坯方 向取 两个 拢” 。一分 1 . 5 X 4 5 0 图 2 高温热塑性拉伸实验试件图 (单位 : ~ ) r 一9 . 2 S e h e皿 or a s a m p一e for h i沙 t e m伴ar t u er d u e t i lit y e x 脚d 欣 n t 《 U ` t : m m ) 1 . 3 实验方法 ( 1 ) 高温 应力应变测试 在 G l e e b l e 一 1 5 0 0 试 验 机上 进行 , 试 样 采 用水 平放 置 方 式 . 试样 夹持好 后 , 试 样室通 入流 量为 I .L m in 一 `的氢气 流 , 并 以 收稿B 期 : 2 0 0 5习4 龙6 修回 B 期 : 2 0 0 5 一 1 0习s 作者简介 : 刘青 ( 1 9 67 一 ) . 男 , 副教授 , 博士 1 0 ℃ · s 一 1 的速 度 加热 至 1 3 5 0 ℃ 并保 温 l m in , 然 后 以 3 ℃ · s 一 ’ 的速度降到 测试温度 , 保温 l m in 后 以 遥二 1 只 1 0 “ ” s “ `的形变速率对试样进行拉伸直 至断 裂 . 温 度及 形变制 度如 图 3 所示 . ( 2) 试 样 被拉断后 , 立 即 对 断 口 附近 区 域大 量 喷水冷 却 , 以使 断口 保持 原貌 ; ( 3) 测量 拉 断部 位 的截面 积 , 以 计算断面 收 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2006. 02. 031

·134· 北京科技大学学报 2006年第2期 950℃降到875℃时，试样的断面收缩率值迅速下 1350℃1min 降，由69.6%降到29.3%.随后断面收缩率值基 3℃5 本不变，直到750℃开始下降，到650℃达到最低 /10℃/s 点9.1%，因此，从实验结果来看，实验所用40C 钢的第Ⅲ脆性区为940~650℃，因形变速率较 低，没有出现第Ⅱ脆性区 时间s 100 350 ■一断面收缩率 图3加热历程 ◆一抗拉强度 事300 Fig.3 Heating history 250 60 200 缩率，并记录试样断裂时的强度极限； 40 (4)作出断面收缩率、强度极限随温度的变 化曲线，找出脆性温度区间，并得到零塑性温度、 ★◆◆ 零强度温度； 650 800 90097511001250 温度/℃ (5)测试温度分别为600,650,700,750,800， 图440C钢铸还断面收缩率和抗拉强度随温度的变化曲线 825,850,875,900,950,1000,1050,1100,1150, (40Cr,220mm×300mm,v=0.60mmin-') 1200,1250,1300℃. Fig.4 Tendencies of reduction in area and tensiie strength with temperature (40Cr,220 mm x 300 mm,v=0.60mmln) 2实验结果 本实验直接取样于连铸坯，而文献[2]则是从 因实验结果规律性相似，本文仅选取两个典 轧材中的取得试样，图4和文献[2]的图整体趋势 型钢种40Cr和45钢进行分析、讨论 比较一致，但是很多细节上存在差异，脆性温度区 2.1高温延塑性及强度测试结果 也有差别，图4中是940~650℃，文献[2]中则是 图4为40Cr钢铸坯断面收缩率和抗拉强度 1000~700℃.笔者认为，直接从连铸坯上取样要 随温度的变化曲线. 优于从轧材上取样，因为前者的取样条件正是需 由图4可见，在1300-750℃之间，随着温度 要研究的连铸过程，后者经过轧制后已不能正确 的降低，40Cr钢试样的强度上升缓慢，在750℃ 反映铸坯组织及其力学性能的情况 时试样的抗拉强度仅为98.12N·mm2;温度低 2.2不同取样方式实验结果的对比 于750℃以后，试样的强度迅速上升，当温度降到 由于连铸坯为铸态组织，不同方向取样的内 650℃时，试样的强度达到297.29N·mm-2 部凝固结构和柱状晶方向不同，导致热塑性曲线 由断面收缩率随温度的变化曲线可知，40C 和强度曲线相差很大，见图5.其中，在950~ 钢在1300~945℃温度范围内，随温度的降低，试 1300℃的高温区，图5(a)中试样断面收缩率均在 样的断面收缩率值皆在60%以上波动.当温度由 90%以上，而图5(b)中惟有1200℃达到80%；图 120 300 0 300 (a)垂直于拉坯方向 (b)沿拉坯方向 ■一断面收缩率 80 100 250 量一断面收缩率 250 ◆一抗拉强度 ◆一抗拉强度 80 200 60 200 50 150 150 % 壶40 100 % 100 20 50 0 600 75085095011001250 600 750850100011501300 温度/℃ 温度℃ 图545钢铸坯断面收缩率和抗拉强度随温度的变化曲线(45 steel,180mm×220mm,v=0.94mmt加-') Fig.5 Tendencies of reduction in area and tensile strength with temperature(45 steel,180 mmx220mm,=0.94mmin-)

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 6 年第 z 期 3 5 0℃ 1m i n 3℃ / s , m* 交交臾委 95 0 ℃ 降到 8 75 ℃ 时 , 试样 的断面 收缩率值迅速下 降 , 由 6 9 . 6 % 降到 2 9 . 3 % . 随后 断面收 缩率值基 本不变 , 直到 7 50 ℃ 开 始下 降 , 到 6 50 ℃ 达到 最低 点 9 . 1 % . 因此 , 从 实验结果 来看 , 实验所 用 40 rC 钢的第 m 脆 性 区为 9 40 一 6 50 ℃ , 因形 变速 率较 低 , 没有 出现 第 1 脆性 区 . 时间 s/ 加热历程 H e a t lug 址 s t o yr 一. 一 断面收缩率 一今一 抗拉强 度 一曰目飞à 一,J s一g 侧护、明 . ó一O 1 0 工一9 . 1八曰一n 一QU ù 卜一0 `, 八曰U贬 缩率 , 并记 录试样 断裂时 的强度极限 ; ( 4 ) 作 出断 面 收缩 率 、 强 度极 限随 温 度的变 化曲线 , 找 出脆性温 度区间 , 并得 到 零塑 性温 度 、 零强 度温度 ; ( 5 ) 测试 温度分别为 6 0 0 , 6 5 0 , 7 0 0 , 7 5 0 , 8 0 0 , 8 2 5 , 8 5 0 , 8 7 5 , 9 0 0 , 9 5 0 , 1 0 0 0 , 1 0 5 0 , 1 10 0 , 1 15 0 , 1 2 0 0 , 1 2 5 0 , 1 3 0 0 ℃ . 2 实验结果 因实验 结果 规律 性 相似 , 本文 仅选取两 个 典 型钢种 4 OC r 和 45 钢进行分析 、 讨论 . 2 . 1 高温 延塑性及强度测试 结果 图 4 为 4 0 C r 钢铸 坯 断面 收 缩 率和 抗拉 强度 随温 度的变化曲线 . 由图 4 可见 , 在 1 3 0 0 一 7 5 0 ℃ 之 间 , 随着温度 的降低 , 4 OC r 钢 试 样 的强 度上 升缓 慢 , 在 7 50 ℃ 时试 样 的抗 拉强 度仅 为 98 . 12 N · m m 一 2 ; 温 度低 于 7 5 0 ℃ 以后 , 试样 的强度迅速上 升 , 当 温度降到 6 5 0 ℃ 时 , 试样 的强 度达到 2 97 . 2 9 N · m m 一 2 . 由断面收缩 率 随温 度 的变化 曲线可知 , 40 rC 钢 在 1 3 0 0 一 9 4 5 ℃ 温度 范围 内 , 随温度的降低 , 试 样 的断 面收缩率值 皆在 60 % 以上波 动 . 当温度由 一下币蔺一门 ” o 厂 、 尸30 ” 价 目 ` ~ 习 刁2 5 0 旦 } 弓 飞 2 0 0 圣 d 15 0 侧 } 葱 _ 1 ’ 0 0 握 卜冷卜十衬 , 。 丁全了一一尸份兮丁一一 户于分 0 , 7 勺 1 1 0 U 1 2 5 U 04680 哥漂邻旧每岁、 温 度 /℃ 图 4 4 0 C r 钢祷坯断面收缩率和抗拉强度随沮度的变 化曲线 《 4 o e r , 22 0 nu x 3 0 0 ~ , , = 0 . ` o m · 创 n 一 1 〕 F ig . 4 T e n d e o c lse o f r de cu ti 0 l i n a r 吧a 叨d t e 此il e s ter n gt h w l t h t e ln 碑 ar t眠 【4 0 C r , 22 0 - x 3 0 0 ~ , v 二 0 . 6 0 m · 而 n 一 玉 ) 本 实验直接 取样 于连铸 坯 , 而文 献【2」则是从 轧材 中的取得试 样 , 图 4 和 文献〔2 1的图整体趋势 比较一致 , 但是很多细 节上存在差异 , 脆性温 度区 也 有差别 , 图 4 中是 9 40 一 6 50 ℃ , 文 献【2] 中则是 1 0 0 0 一 7 0 0 ℃ . 笔 者认为 , 直接从连铸坯上取 样要 优于 从轧材 上取 样 , 因为前者的取样 条 件正 是 需 要研 究的连铸过 程 , 后 者经 过 轧 制后 已 不能正 确 反 映铸坯组 织及 其力学性能 的情况 . 2 . 2 不 同取样方式实验结果的对比 由于连铸 坯 为铸 态 组织 , 不 同方向取 样 的 内 部凝固结构和 柱 状晶方 向不 同 , 导 致 热塑 性曲 线 和强 度 曲线相差 很 大 , 见 图 5 . 其 中 , 在 9 50 一 1 3 0 0 ℃ 的 高温 区 , 图 5 ( a )中试样 断面收 缩率均 在 9 0 % 以上 , 而 图 5 ( b )中惟有 1 2 0 0 ℃ 达 到 8 0 % ; 图 价昌 · 侧烈橄侣乙、 八曰nUn ó 加巧30251 0 a( ) 垂直于拉坯方向 一. 一 断面收缩率 - 今- 抗拉强度 b( )沿拉坯方向 一. 一 断面 收缩率 一卜一 抗拉强 度 409060875320 哥绘邹阿每芝 甲ǎ任日 · 侧琐华招己、 0050 凡ù勺`乙,, 1 ù éI 08064202 邻每哥绦芝旧 O 丛CU ō 闷一0 卜一ǎ , U 二ln 一 一八“ ú 一ō产 一曰nù O八 n 卜 ! IL n ó 06 飞厉, 渝万前了瑞不不谕万漏 “ 温度 ℃/ 温度 ℃/ 图 5 45 钢铸坯断面收缩率和抗拉强度随通度的变化 曲线 (4 5 : et l , 1 80 lunI x 2 20 ~ , , 二 0 . 94 m · m i-n ` ) F i g . s T e n d e n c ies or 阁uc t i o n 一n 叭 a a 茄 t e sn 一e st er gtU h w it h et m eP 口 t u 代 ( 4 5 st e 一 , 15 0 ~ x 2 2 o - . v = 0 . , 4 m · m i n 一 1 )

Vol.28 No.2 刘膏等：汽车用钢连铸坯的高温力学性能 ·135· 5(a)中在700℃时试样的断面收缩率值回升达到 70%以上.由图6可以看到，断裂部位有着大小 52.0%,而图5(b)中在750℃时断面收缩率值回 不一、深浅不同的孔洞存在，且韧坑周围发生很大 升仅31.6%. 的塑性变形，此时试样的断裂方式为穿晶延性断 2.3钢的断口形貌分析 裂.940~600℃温度区间为40Cr钢的第Ⅲ脆性 用扫描电镜对试样拉断后的断口形貌进行观 温度区.750℃时断口形貌为明显的冰糖状（图 察，得出钢在各温度区域的断裂机理 7),断口表面凹坑减少，可以观察到晶间裂纹的存 40Cr钢在1300~950℃，断面收缩率值均在 在，裂纹周围发生较少的塑性变形，且穿晶断裂方 0 图640Cr钢试样在975℃拉断时的断口形院 Fig.6 Fracture surface of a 40Cr specimen at 975 C with SEM 图740Cr钢试样在750℃拉断时的断口形貌 Fig.7 Fracture surface of a 40Cr specimen at 750C with SEM 式明显较少，基本上已转为沿晶断裂 的晶粒是由具有低位错密度的再结晶刚刚结束后 3结果分析与讨论 的晶粒到具有高位错密度的即将开始再结晶之前 的晶粒所构成.由于形变的不断进行，再结晶后 3,1良好塑性温度区断裂机理分析 的每个晶粒仍处于变形状态.在一定的变形条件 石钢电炉所生产的五个钢种均具有良好的热 下，当在材料中的储存能积累到足够大时，便会导 塑性温度区（如45钢在920~1300℃范围内），断 致动态再结晶的发生.动态再结晶使晶界在高温 面收缩率值均在60%以上，五个钢种在上述各温 高应变下获得足够的驱动力而发生迁移，此时晶 度范围内均已进入奥氏体单相区的高温区域，试 界迁移的速度超过了晶界滑移的速度，使已形成 样在这些温度范围内之所以具有良好的热塑性， 的微裂纹被包围在晶粒中，阻止了裂纹的扩展，致 是因为发生了动态再结晶3)引.如45钢发生动态 使这些裂纹的聚集和长大不能在晶界上产生.裂 再结晶的温度为920℃，在高温、高形变速率下 纹只有通过尖端应力集中形成的剪切力来横贯整 容易发生动态再结晶，动态再结晶是通过动态再 个晶粒并相互连接，才能导致断裂.晶界迁移能 结晶的晶核形成及其长大来完成的，动态再结晶 阻断晶界的裂纹，但这些裂纹对晶界也产生拖拽

V lo 。 2 8 N o . 2 文Jl青等 : 汽车用钢连铸 坯的高沮力学性能 5 ( a) 中在 7 0 0℃ 时试 样的断面 收缩率值回升达 到 5 2 . 0 % , 而 图 5 ( b) 中在 7 5 0 ℃ 时断 面收 缩率值 回 升仅 31 . 6 % · 2 . 3 钢的断口 形貌分 析 用扫描电镜对试样拉断后的断 口 形貌进 行观 察 , 得 出钢在各温度 区域的断裂机理 . 4 o C r 钢在 2 3 0 0 一 9 5 0 ℃ , 断 面收 缩率 值均在 7 0 % 以 上 . 由 图 6 可 以 看 到 , 断 裂 部位 有着大 小 不 一 、 深浅 不同的孔 洞存在 , 且韧坑 周 围发 生很大 的塑性 变形 , 此 时 试 样 的断 裂方式 为 穿 晶延性断 裂 . 9 40 一 6 0 ℃ 温 度 区 间为 4 0 c r 钢的第 1 脆性 温度 区 . 7 5 0 ℃ 时 断 口 形貌 为 明显 的 冰 糖状 ( 图 7) , 断口 表 面凹 坑减少 , 可 以观察到 晶间裂纹的存 在 , 裂纹周 围发生较 少的塑 性变形 , 且穿 晶断裂方 图 6 4 0 c r 钢试样在 , 7s ℃拉断时的断口 形 Fi g . 6 rF a ct 眼 s ur af 既 o f a 4 0 C r s pe c i职 n a t 9 7 5 ℃ 貌 Wi t h S E M 图 7 4 0 c r 钢试样在 7 50 ℃ 拉断时的断 口 形貌 F i g . 7 F ar e t u 代 s u r acf e o f a 4 0 C r s讲 c i毗 n a t 7 5 0 ℃ w i t h SE M 式 明显较少 , 基本上 已转为沿 晶断裂 . 3 结果分析 与讨论 3 . 1 良好塑性温度区断裂机理分析 石钢电炉所 生产的五个 钢种均 具有 良好 的热 塑性温 度区 (如 45 钢在 9 20 一 1 3 0 ℃ 范 围内 ) , 断 面收缩 率值均 在 60 % 以上 五个钢种在 上述各温 度范 围内均 已进 入 奥 氏体单 相 区 的高温 区域 , 试 样在这 些温度范围 内之所 以 具 有 良好 的热 塑性 , 是 因 为发 生 了动态 再 结晶3[] . 如 45 钢发生 动 态 再结 晶的温 度为 9 20 ℃ . 在 高 温 、 高形 变 速 率下 容易发生动态再结晶 . 动态再结晶是 通过 动 态再 结晶 的晶核形成及 其长大来完 成的 . 动 态再结晶 的晶粒是 由具有低位错密度 的再结晶刚刚结束后 的 晶粒 到具 有高位错密度的即将开始再结 晶之前 的 晶粒 所构 成 . 由于 形变 的不 断进 行 , 再 结晶后 的 每个 晶粒 仍处于变形状 态 . 在 一定 的变形条 件 下 , 当在材 料中的储存能积累到 足够大 时 , 便会导 致 动态再 结晶的发生 . 动态 再结晶使晶界 在高温 高应变下 获得 足够的 驱动力 而发生 迁 移 , 此 时晶 界 迁移的速度 超过 了晶界 滑 移 的速度 , 使已 形 成 的微裂纹被包 围在 晶粒中 , 阻止 了裂 纹的扩展 , 致 使这些 裂纹的聚集和 长大不能 在晶界 上产 生 . 裂 纹 只有通过尖 端应力 集中形 成的剪切力来横贯整 个晶粒 并相互 连接 , 才能导致 断裂 . 晶界 迁 移能 阻断 晶界的裂 纹 , 但这 些 裂纹 对 晶界也 产生 拖拽

·136· 北京科技大学学报 2006年第2期 力，而“捕获”正在迁移的晶界.如果捕获频率或 生成徽细裂纹，当铸坯经轧钢加热炉加热后，微细 裂纹拖拽力大，即使在变形初期原Y晶界面从发 的横裂纹一般可以随氧化铁皮除去。但是，如果 生的裂纹处移开，最终仍会发生晶间断裂.为抵 连铸过程二冷制度不合理，当铸坯在进行弯曲或 消脆化，晶界迁移的驱动力需要比裂纹的拖拽力 矫直时，其温度处于脆性温度区域，振痕波谷处存 高许多，而高温有利于晶界的迁移，故此温度区表 在的微细裂纹便会进一步扩展开裂，最终构成铸 现为塑性良好的穿晶断裂 坯的表面缺陷.因此，选择合理的二冷制度使铸 3,2第Ⅲ脆性温度区断裂机理分析 坯在弯曲或矫直时的表面温度避开第Ⅲ脆性温度 第Ⅲ脆性温度区的脆性主要有两个原因，即 区域是防止横裂的主要措施之一， 奥氏体单相区低温域的脆化和奥氏体铁素体转变 热塑性实验所用的试样直接取于铸坯，晶粒 区高温域的脆化.前者由钢中质点AIN,TN, 度大小和柱状晶组织都与连铸坯的一致，因此，实 NbCN等的析出引起4)，后者为两相区脆化.在Y 验室的热塑性实验能较好地模拟连铸矫直过程， +α转变时优先在奥氏体晶界处析出薄膜状的a 但是两者变形程度不同，在矫直过程中只有1% 铁素体，α铁素体较软，其强度仅为奥氏体的1/4， ~2%的变形，然而在热塑性实验中断裂变形范围 因此在外力作用下，变形主要集中在沿奥氏体晶 是5%~100%，这就使实验室的热塑性实验与实 界分布的α铁素体中，使。相中存在的微小孔洞 际连铸矫直过程存在差异.但有实验已证明，热 和裂纹聚合、长大，最后导致晶界断裂 塑性实验所得结果对预测连铸条件下横裂纹的发 在第Ⅲ脆性温度区范围内，试样的断面收缩 生是很有意义的，因为影响拉伸实验条件下晶间 率值在40%~50%左右，试样的拉伸断口呈沿晶 断裂的因素也是影响连铸横裂纹的因素 与穿晶的混合断裂模式.穿晶断裂是因为在此高 B.Mintz和J.J.Jonas的研究中[]观察了 温下，晶界具有一定的迁移能力，晶界处形成的裂 在低应变速率下形变诱导铁素体的形成.研究表 纹被迁移的晶界阻断在晶内，使得裂纹的扩展不 明，细晶粒含钼钢在800℃，以e=7.4×10-4s1 能在晶界上产生，所以表现为穿晶断裂.但在此 变形，形变量为0.016时，约有5%铁素体形成 温度区间，晶界只具有一定的迁移能力，沿晶界析 因此，形变和应变速率与连铸矫直时铸坯表面情 出的析出物能钉扎晶界，阻碍了晶界的迁移.析 况相似 出物沿晶界析出，同时晶内也有少量析出物，这些 根据文献[6]，钢中碳含量对内裂有显著影 细小的粒子在部分晶界析出，钉扎了晶界，阻碍了 响.随碳含量增加，内裂纹敏感性增大.同时碳 晶界的迁移，使得裂纹沿晶界扩展，最终导致沿晶 含量增加，导热性也变差.45钢属裂纹敏感性强 断裂.所以在此温度区间，部分晶界具有较高的 的钢种，建议连铸二冷配水采用弱冷，拉速也相应 迁移能力，而部分被析出物钉扎的晶界迁移能力 降低一个档次. 降低，导致了穿晶与沿晶的混合断裂方式 本研究获得了五钢种的第Ⅲ脆性区（如45钢 当温度升高时，析出物的尺寸增大，有些析出 的第Ⅲ脆性区为920~600℃).因此，五个钢种 物聚积在一起形成更大的析出物.MnS与TiN 铸坯的矫直温度应分别高于各自的第Ⅲ脆性区下 聚积增大了析出物的尺寸，不能钉扎晶界，使得晶 限温度点，一般采用弱冷提高铸坯矫直温度，从而 界得以迁移，导致了此温度下的高塑性. 避免和消除裂纹的产生及扩展.研究结果已经应 试样在一定温度区间为由晶界滑移导致的沿 用于指导实际生产 晶界脆性断裂.当晶界存在MnS,TiN等夹杂物 时，促进裂纹的产生，使塑性更加恶化.试样由形 4结论 变诱导铁素体引起的应力集中而导致的沿品脆性 (1)Gleeble-1500热应力/应变高福拉伸实 断裂，而某温度时断面收缩率值的回升是因为铁 验获得了石钢电炉所生产钢种热塑性与温度的关 素体的析出向晶内发展，减小了晶内与晶界强度 系曲线，得到其第Ⅲ脆性区.因为应变速率(=1 的差别，应力不再集中于晶界，因此塑性稍有 ×103s1)较低，均没有出现第Ⅱ脆性区.沿拉 恢复 速方向取样与垂直于拉速方向取样的实验结果相 3.3连铸坯质量与高温力学性能的关系 差较大 连铸坯的表面裂纹大多形核于铸坯通过结晶 (2)第Ⅲ脆性温度区的脆性主要有两个原 器期间，一般发生在铸坯表面振痕波谷处.最初 因，即奥氏体单相区低温域的脆化和奥氏体铁素

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 6 年第 2 期 力 , 而 “ 捕 获 ” 正 在迁 移的 晶 界 . 如 果捕获 频 率或 裂纹拖拽力大 , 即使在 变形初 期原 了 晶界 面从发 生的 裂纹 处 移开 , 最 终 仍会 发 生 晶 间断裂 . 为抵 消脆化 , 晶界 迁 移 的驱动 力需 要 比裂纹 的拖 拽力 高许 多 , 而 高温有 利于 晶界的迁移 , 故此 温度区表 现 为塑性 良好的穿晶断裂 . 3 . 2 第 l 脆性温 度区断裂机理分 析 第 1 脆 性温 度 区 的 脆性 主要 有两 个原因 , 即 奥氏体单相区低温 域的脆化和奥氏体铁素体转变 区高温 域 的脆 化 . 前者 由钢 中质 点 IA N , IT N , N b c N 等的析 出引起 ’[] , 后者为两相区脆化 . 在 下 ~ a 转 变时优 先在奥氏体晶界 处析 出薄膜状的 a 铁 素体 , 。 铁 素体较 软 , 其强 度仅为 奥氏体的 1 / 4 , 因此在外 力作 用 下 , 变形 主 要集 中在沿 奥 氏体 晶 界分布 的 a 铁 素体中 , 使 a 相中存在的微 小孔洞 和裂纹 聚合 、 长 大 , 最后 导致晶界断裂 . 在第 m 脆性温 度区范 围内 , 试 样 的断 面收缩 率值在 40 % 一 50 % 左右 , 试 样 的拉伸断 口 呈沿晶 与穿 晶的混合断裂模式 . 穿 晶 断裂是因为 在此 高 温下 , 晶界 具有一 定的迁 移能力 , 晶界处形 成 的裂 纹被迁移的晶界 阻 断在 晶 内 , 使得 裂纹 的扩 展 不 能在 晶界上 产 生 , 所以表现 为穿晶断裂 . 但在此 温 度区间 , 晶界 只具 有一 定的迁 移能力 , 沿晶界析 出的析 出物 能 钉扎 晶界 , 阻碍 了 晶界 的迁 移 . 析 出物沿晶界析 出 , 同时晶 内也有少 量析 出物 , 这些 细 小的粒子在 部分晶界析出 , 钉扎 了晶界 , 阻碍 了 晶界 的迁移 , 使得裂纹沿 晶界 扩展 , 最 终导致沿晶 断裂 . 所 以在此 温 度区 间 , 部 分晶界 具 有较高的 迁移能力 , 而部分被 析出 物钉 扎 的晶界 迁 移能 力 降低 , 导致 了穿 晶与沿 晶的混合断裂方式 . 当温 度升高 时 , 析 出物的尺 寸增大 , 有些析出 物 聚积在 一 起 形 成 更 大的析 出物 . M n S 与 IT N 聚 积增大 了析出物 的尺寸 , 不能钉扎晶界 , 使得 晶 界得 以迁移 , 导致 了此温度 下的高塑性 . 试 样在 一定温 度区间为由晶界 滑移导 致的沿 晶界脆 性断裂 . 当 晶界 存 在 M n S , IT N 等夹杂物 时 , 促进裂纹 的产生 , 使塑性更加恶化 . 试样由形 变诱导 铁素体引起 的应力集中而导致 的沿 晶脆性 断裂 , 而 某温度时断 面收缩 率值的回升 是因为 铁 素体的析 出向晶 内发展 , 减小了 晶 内与晶界 强 度 的差 别 , 应 力 不 再 集 中于 晶 界 , 因 此 塑 性 稍 有 恢复 . 3 . 3 连铸坯质t 与高温 力学性 能的关系 连铸坯的表面 裂纹大多形 核于铸坯通过结晶 器 期 间 , 一 般发 生在 铸坯表面 振痕 波 谷处 . 最 初 生成微细裂 纹 , 当铸 坯经 轧钢 加热炉 加热 后 , 微细 的横裂纹 一 般可 以随 氧化铁皮除去 . 但 是 , 如果 连铸过程 二冷制度不 合理 , 当铸坯 在进行 弯曲或 矫直 时 , 其温度处于脆性温度 区域 , 振痕波谷 处存 在的微细裂纹便会进一 步扩展 开裂 , 最 终构 成铸 坯的表面 缺陷 . 因此 , 选 择合理 的二 冷 制度使铸 坯在 弯曲或矫直时的表 面温度避开 第 1 脆性温度 区域是防止横裂的主要 措施之 一 热塑性实验所用 的试 样直接取于铸 坯 , 晶粒 度大小和柱 状晶组 织都与连 铸坯的一致 , 因此 , 实 验室的热塑性 实验能较 好地 模拟 连铸矫直 过程 . 但是 两者变形 程 度不 同 , 在矫直过程 中只有 1 % 一 2 % 的变形 , 然而 在热 塑性实验 中断裂变形 范围 是 5 % 一 10 0 % , 这就使实验室 的热塑 性实验与实 际连铸矫直过 程 存在差 异 . 但有实验 已 证明 , 热 塑性实验所得 结果对预测连铸条件下横裂纹的发 生是很 有意义 的 , 因为影响拉 伸实验条 件下 晶 间 断裂的因素也是影响 连铸横裂纹 的因素 . B . M i n t : 和 J . J . J o n as 的研 究中[ 5 ]观 察 了 在低应变速率下形变诱导铁素体的形 成 . 研 究表 明 , 细 晶粒含铝钢在 8 0 ℃ , 以 云二 7 . 4 又 1 0 一 4 , 一 ` 变形 , 形 变量 为 0 . 0 16 时 , 约 有 5 % 铁素体形 成 . 因此 , 形变和应变速率与连铸 矫直时铸坯 表面 情 况相似 . 根据文 献【6 ] , 钢中碳 含 量 对 内裂有显 著影 响 . 随碳含 量 增加 , 内裂纹 敏感性 增大 . 同 时 碳 含量增加 , 导 热性也变差 . 45 钢属 裂纹 敏感 性强 的钢种 , 建议连铸二冷配水 采用弱冷 , 拉速也相应 降低一 个档次 . 本研究获 得了五 钢种的第 1 脆性区 ( 如 45 钢 的第 班脆性 区 为 9 20 一 6 0 ℃ ) . 因 此 , 五个钢种 铸坯的矫 直温度应分别高于 各自的第 m 脆性区下 限温度点 , 一般 采用弱冷 提高铸坯矫直温度 , 从而 避 免和 消除裂纹 的产生及 扩展 . 研究结果 已经 应 用 于指导 实际生 产 . 4 结论 ( 1 ) G l e e b l e 一 1 5 0 0 热 应 力 /应 变高温拉伸 实 验获得 了石钢 电炉所生产钢种热塑 性与温度的关 系 曲线 , 得到其 第 1 脆性 区 . 因为应变速率 ( 遥= 1 x 10 ’ 3 5 一 ` )较 低 , 均 没 有出现 第 1 脆性 区 . 沿 拉 速方向取样与垂直于拉速方向取样的实验 结果相 差 较大 . ( 2) 第 m 脆 性温 度 区的 脆性 主要 有两 个 原 因 , 即奥 氏体单相 区 低温 域的脆化 和 奥 氏体铁 素

Vol.28 No.2 刘青等：汽车用钢连铸坯的高温力学性能 ·137· 体转变区高温域的脆化 [2]蔡开科，党紫九，张艳，等.连铸钢高温力学性能专辑.北京 (3)直接从连铸坯上取样要优于从轧材上取 科技大学学报，1993,15(Suppl):69 样，因为前者的取样条件正是需要研究的连铸过 [3】王明林.齿轮钢连铸坯高温力学性能的研究[学位论文】， 北京：北京科技大学，1998 程，后者经过轧制后已不能正确反映铸坯组织及 [4]Mintz B,Yue S,Jonas J J.Hot ductility of steels and its rela- 其力学性能的情况. tionship to the problem of transverse cracking during continu- (4)五个钢种铸坯的矫直温度应分别高于各 ous casting.Int Mater Rev,1991,36(5):187 自的第Ⅲ脆性区下限温度点，一般采用弱冷提高铸 [5]Mintz B,Jonas JJ.Influence of strain rate on production of 坯矫直温度，从而避免和消除裂纹的产生及扩展. deformation induced ferrite and hot ductility of steels.Mater Scl Technol,1994,10(8):721 参考文献 [6】袁伟霞，童汉雄，袁桂莲.中碳钢高温力学性能研究及在连 铸生产中的应用.炼钢，1999(1)：28 [1]葬开科.连铸技术的进展.炼钢，2001,17(1)：1 High temperature mechanical properties of continuously cast blooms for automo- bile steel LIU Qing,ZHANG Ligiang.2),WANG Liangzhou,DING Xiuzhong2),CAO Liguo2),QI Yongge2),LIU Yanwei2) 1)Metallurgical and Ecological Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China 2)Steelmaking Plant,Shijiazhuang Iron Steel Co.Ltd.,Shijiazhuang 050031,China ABSTRACT High temperature mechanical properties of 5 automobile steel grades produced by the EAF steelmaking workshop of Shijiazhuang Iron Steel Co.Ltd.(Shigang Steel)were investigated by the classical thermal simulating method.Hot ductility and strength curves of these steels were measured with a hot stress/strain test machine.Results in different sampling ways for blooms and a comparison with other results were discussed.The embrittlement and fracture mechanisms of these respective steels were clarified based on examination to the fracture surface of specimens with scanning electronic microscope.The relation between bloom quality and high temperature mechanical properties was discussed. KEY WORDS automobile steel;continuous casting;high temperature mechanical property;secondary cooling;bloom

V o l 。 2 8 N o 。 2 刘青等 : 汽车用钢连铸坯的高温力学性能 1 3 7 , . 飞J .J1 . J 2 内J 厂4 一`.r . ` 体转变区高温域 的脆化 . ( 3) 直接从连铸坯上取 样要优于 从轧 材上 取 样 . 因为前者的取样条件正 是需要 研 究的连铸过 程 , 后者经过轧制后 已 不 能正 确反 映 铸坯组 织 及 其力 学性能 的情况 . ( 4) 五个 钢种铸坯的矫 直温 度应 分别高于 各 自的第班脆性区下 限温度 点 , 一般采 用弱冷 提高铸 坯矫直温度 , 从而避免和消除裂纹的产生及扩展 . [ 5 ] 参 考 文 献 【1 〕 蔡开科 . 连铸技术的进展 . 炼钢 , 2 0 01 , 1 7( 1 ) : 1 [ 6 ] 蔡开 科 , 党紫九 , 张艳 , 等 . 连 铸钢高温力学性能专辑 . 北京 科技大学学报 , 1 9 9 3 , 一5 (su p p l ) : 6 9 王 明林 . 齿轮钢连铸坯高温 力学性能 的研究 〔学 位论文 ] . 北京 : 北京科技大学 , 19 9 8 Min t z B , Y u e S , J o n as J J . H o t d u e t ili t y of s t e e l s an d i t s re al - t i on sh i p ot t h e p or b l em o f t arn s v e rs e e r a e k i吃 d u r i吃 e o n t i n u - o u s c ast i飞 . I n t M at e r R ve , 19 9 1 , 3 6 ( 5 ) : 1 87 M i n t z B , J o n a s J J . I n fl u e n e e o f s t r al n r a t e o n P r od u e t i o n o f d e of r m a t io n in d cu de f e川 t e an d ho t d u c t ili t y o f st e e l s . M a t e r cS i T ce b n o l , 1 9 9 4 , 10 ( 8 ) : 7 2 1 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 . 炼钥 , 1 9 9 ( 1) : 28 H i g h t e m p e r a t u r e m e e h a n i e a l p r o p e r t i e s o f e o n t i n u o u s l y e a s t bl o o m s of r a u t o m o - b il e s t e e l 五了u Qi n g l ) , Z 日A N G 毛i o i a n g l , 2 ) , w AN G 乙i a n hgz o 。 1) ix u 认 o n g Z ) , 以。 乙i g u o Z ) , Q l n脚 2 ) , 乙I u 介 n 讹1 2 ) M e t al u r g l c al an d E e o l o g i e al E n g i n e e ir n g cS h o l , U n i v e rs i t y o f cS i e n e e an d eT e h n o l o g y B e ij i n g , B e ij i ng 1 0 0 0 8 3 , C h i an tS e e l am k i昭 P lan t , S h ij iaz h u a r lg I orn & S t e e l oC . L t d . , S ihj i az h au 昭 0 5 0 0 3 1 , C 枯n a oY 2)1) A B S T R A C T H i g h t e m p e r a t u re m e e h a n i e a l p or P e r t i e s o f 5 a u t o m o b i l e s t e e l g r a d e s p or d u e e d b y t h e E A F s t e e lm a k i n g w o r k s ho p o f S h ij i a z h u a n g I or n & S t e e l oC . L t d . ( S h i g a n g S t e e l ) w e r e i vn e s t ig a t e d b y t h e e als s i e al t h e rtn a l s im u l at i n g m e t ho d . H o t d u e t i li t y an d s t r e n g t h e u vr e s of t h e s e st e e l s w er e m e a s u r e d w i t h a h o t s t r e S/ s t r a i n t e s t m a e h i n e . R e s u l t s i n d i ff e r e n t S a m p li n g w a y s of r b lo m s a n d a co m p a r i os n w i t h o t h e r r e s u l t s w e r e d i s e u s e d . T h e e m b r i t t l e m e n t a n d f r a e t u r e m e e h a n i s m s o f t h e s e r e s p e e t i v e s t e e l s w e re e l a r i fi e d b as e d o n e x a m i n a t i o n t o t h e f r a e t u r e s u r f a e e o f s P e e im e n s w i t h s e a n n i n g e l e e t or n i e m i e or s co p e . T h e r e l a t i o n b e t w e e n b lo m q u al i t y a n d h ig h t e m p e r a t u r e m e e h a n i e a l p or p e r t i e s w a s d i s e u s s e d . K E Y WO R D S a u t o m o b i l e s t e e l ; co n t i n u o u s e as t i n g ; h ig h t e m P e r a t u r e m e e h a n i e al p or P e r t y ; s e e o n d a r y e o li n g ; b lo m