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                            鋼中第二相粒子與鑄坯表面裂紋分析
                            發布者:不銹鋼管廠(www.txhadsj.cn) 發布時間:2021/4/4 閱讀:260

                             浙江宏盛特鋼有限公司測試了Q345B鋼的高溫力學性能,鑒別了鑄坯裂紋處析出物的類型,研究了含鈮Q345鋼中第二相粒子固溶析出及晶粒長大的規律,探討了鋼中第二相粒子與鑄坯表面裂紋的關系及相應的控制措施。鋼中添加的Nb、V、Ti等元素,可以通過析出強化、相變強化和晶粒細化來提高鋼的性能。這些元素在鑄坯冷卻過程中與C和N相互作用形成第二相粒子,第二相粒子的溶解和析出會直接影響奧氏體晶粒大小、晶粒均勻化程度及奧氏體再結晶規律,其碳氮化物在強化組織的同時,也使連鑄坯表面奧氏體晶粒粗大和晶界弱化,使鋼的塑性降低,連鑄坯表面裂紋產生率明顯增高。

                             一、連鑄坯裂紋分析

                              很多研究人員在裂紋形成機理方面做了大量研究工作,研究結果表明,連鑄坯裂紋可分為表面裂紋和內部裂紋兩大類,影響裂紋形成的因素很多,包括連鑄機設備條件、鋼種及原輔料特性,連鑄生產工藝等,但這些因素是導致連鑄坯產生裂紋的外部條件,其內在因素則是鋼的高溫力學性能和微觀組織,決定著高溫下坯殼所能承受的臨界變形的大小,而熱塑性差的鋼種高溫下坯殼所能承受的臨界變形小,因此特別容易產生裂紋。梅鋼生產的Q345B鋼種連鑄板坯軋后鋼板表面橫裂裂紋主要存在于鋼板寬度的兩個1/4至邊部位置,深度約0.5~1.5mm。

                              筆者取該鋼種Q345B成分有較大差異的3個試樣,其中1號試樣取自未產生角裂的連鑄坯,2、3號試樣取自有角裂的連鑄坯,試樣的化學成分見表,測試了其高溫塑性,高溫面縮率擬合曲線如圖所示。由圖可以看出,隨著Q345B鋼中A1、N質量分數的增加,第三脆性區呈擴大趨勢。即在一定溫度下,隨鋼中Al、N質量分數的增加,試樣的斷面收縮率降低,鋼的熱塑性變差。

                             二、鋼中第二相粒子析出行為研究

                              大多數研究人員在實驗室通過用熱模擬試驗機模擬連鑄過程的方法來研究析出物行為。研究發現,在低形變速率條件下,在晶界析出的第二相粒子成為應力集中源,當應力作用于這些粒子上時,非常容易引起晶界滑移而導致沿晶界斷裂現象的發生。對于Nb、V、Ti微合金化鋼來說,高溫下固溶在鋼中的Al、Nb、V、Ti在溫度降低時以AIN、Nb(C,N)、V(C,N)及TiN等粒子形式在奧氏體晶界動態或靜態析出,成為應力集中源。在C-Mn鋼中,Al可與N形成細小的AIN并在奧氏體晶界析出,對鋼的塑性產生不良影響。在Nb微合金化C-Mn鋼中,質量分數很低的Al也能加深加寬塑性凹槽,Al質量分數增加,特別是N質量分數增加會使這類鋼的連鑄坯出現裂紋的機會增多國。

                              實驗室的許多結論對連鑄生產有指導意義,但這種試驗并不能精確模擬實際連鑄過程,主要原因是實驗室試驗與實際連鑄過程有兩點區別,一是冷卻過程不同,在實驗室內鑄坯溫度均勻下降,而現場鑄坯溫度為反復升降的總體下降過程";二是變形程度不同,鑄坯在實際矯直過程中僅有1%~2%的變形,而熱模擬試驗中的斷裂變形范圍為5%~100%。鑒于以上差別,我們采用了直接觀察分析鑄坯裂紋處析出物的方法來分析研究裂紋成因。采用掃描電鏡觀察了在裂紋區域所取試樣,觀察結果見圖2~4。由圖2~4可以看出,在裂紋邊緣區域存在兩種小型顆粒狀夾雜物,一種大小1~4μm,另一種大小0.1~0.4μm,能譜分析結果表明夾雜物中均含有A1元素。為了進行更加微觀的分析,采用透射電鏡對析出物進行了觀察和鑒別,試樣為從鑄坯裂紋附近所取的金屬薄膜試樣,觀察結果與相應電子衍射譜見圖5和圖6。

                             三、鋼中的第二相粒子與加熱工藝研究

                              Nb-V-Ti微合金鋼中存在大量第二相粒子,且尺寸也較小,這些粒子在加熱過程中能夠釘扎原始奧氏體晶界,有效地阻止原始奧氏體晶粒長大,第二相粒子對奧氏體晶粒的釘扎力由下式確定:F=Kflr,式中:K為常數;f為粒子的體積分數;r為粒子的半徑。由上式第二相粒子的數量越多,粒子的尺寸越小,粒子對原始奧氏體的釘扎力越大。在較高的溫度下,鋼中第二相粒子將發生大量深解及嚴重長大,f減小而r增大,使得粒子對奧氏體晶界的釘扎作用減小。取含鈮Q345B鋼試樣在在感應式加熱爐上加熱不同的溫度,然后分析奧氏體晶粒大小,試驗中加熱溫度對鈮鋼奧氏體晶粒尺寸長大的影響見圖。

                              由此可見,加熱溫度低于1150℃時,晶粒尺寸增加緩慢,而加熱溫度超過1150℃晶粒迅速長大。當鋼坯在某個臨界溫度下加熱時,微合金元素第二相粒子可以有效阻止奧氏體晶粒的長大,使奧氏體晶粒細小,這個臨界溫度稱之為晶粒粗化溫度"。根據粗化溫度的定義,本試驗鈮鋼的晶粒粗化溫度約為1150℃。當加熱溫度低于粗化溫度(1150℃)時,微合金元素的加入使晶粒長大行為得到了很好的控制,晶粒隨溫度長大的趨勢緩慢。當加熱溫度達到粗化溫度時8,部分晶粒發生異常粗化,呈不均勻的混晶狀,因此,當加熱溫度高于粗化溫度時,第二相粒子不僅失去了對晶粒正常長大的阻礙作用,而且還會誘發晶粒異常粗化,甚至混晶的出現,導致鋼板開裂和力學性能的惡化。

                              因此制定加熱制度時要考慮如下兩個因素:一是較細小的奧氏體尺寸(加熱溫度不能太高),二是較高的固溶量(加熱溫度不能太低)。從試驗的結果看,要保證原始Nb鋼的細小的奧氏體晶粒尺寸,加熱溫度不得高于1200℃,根據資料介紹,要保證較高的Nb鋼的固溶量,加熱溫度不得低于1150℃9,因此Nb鋼的實際加熱溫度范圍應為1150~1200℃。

                            四、結論

                              鋼中的Nb、V、Ti、A1等元素在鑄坯冷卻過程中與C和N相互作用形成第二相粒子,高溫下形成的第二相粒子在鑄坯冷卻過程中沿晶界析出成為應力集中源并形成微孔,微孔聚合形成細小裂紋;鑄坯運行過程中在熱應力、機械應力及組織應力作用下裂紋會進一步擴展。板坯加熱過程中,當加熱溫度高于粗化溫度(1150℃)時,鋼中第二相粒子不僅失去了對晶粒正常長大的阻礙作用,而且還會誘發晶粒異常粗化,甚至混晶的出現,導致鋼板開裂和力學性能的惡化。消除裂紋缺陷從兩個方面考慮,一是減少裂紋源或微小裂紋的產生,即嚴格控制鋼中氮質量分數和板坯加熱溫度,減小鋼中第二相粒子的危害性;二是防止微小裂紋進一步擴展,即做好板坯的均勻冷卻和連鑄機設備功能精度控制,減小鑄坯運行過程中所受的熱應力和機械應力。

                             
                             

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