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东北大学硕士学位论文 摘要 圆坯铸造性能和高温力学性能研究 摘要 连铸坯在凝固过程中要承受到多种应力的作用，如温度应力、拉坯阻力、 鼓胜变形应力、弯曲和矫直应力等等。一旦这些应力及应变的总和在连铸坯某 一薄弱部位超过它所能承受的极限，便会造成开裂( 内裂纹或表面裂纹) ，恶化 铸坯的质量。 本文以宝山钢铁股份有限公司电炉连铸生产圆坯合金钢工艺研究技术项目 为背景，选择c r m o 系列和b t i w 系列合金钢为研究对象( 以t 2 3 钢为典型 钢种) ，主要对t 2 3 钢进行了铸造性能测试和高温力学性能的研究。 在铸造性能测试中，测定了典型钢种的流动性、体收缩特性、线收缩特性 和温度曲线等几方面性质，对典型钢种的铸造性能有了深入的了解。 在高温力学性能测试中，采用g l e e b l e - - 1 5 0 0 热模拟机测试了t 2 3 钢种的高 温拉伸性能，绘制出了钢的脆性曲线，得到了t 2 3 钢的脆性温度区间。由此提 出矫直点应尽量避开钢的脆性区，以改善铸坯质量。另外，观察了t 2 3 钢的金 相组织和拉伸断口的扫描电镜形貌，并对其进行了综合分析。 以连铸坯在线测温的现场实验数据为基础，验证了本课题组开发的数值模 拟分析软件的正确性。并利用分析模拟软件调入现场数据或自行输入数据，用 于动态可视化的模拟连铸圆坯坯壳表面及中心温度。 本文对t 2 3 钢的铸造性能、合金元素在钢中的作用和高温力学性能进行了 综合研究，并在此基础之上，应用二冷段铸坯凝固计算机辅助分析软件对生产 数据进行了分析，为在连铸圆坯生产过程中减少中心裂纹和缩孔工艺提供了依 据。 关键字连铸圆坯铸造性能高温力学性能数值模拟 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d y o nc a s ta b i l i 够a n dh i g ht e m p e r a t u r em e c h a n i c a l p r o p e r r t i e so fr o u n d b i u e t a b s t r a c t c o n t i n u o u sc a s ts l a b sb e a rm a l l yf o r c e sd l l r i n gm ep r o c e s so fs 0 1 id i n ca t i o n s u c ha st h e r m a is t r e s s ，t h r o wr e s i s 诅n c e ，f o r c eo fp l u m pd i s t o n i o n ，b e n da n d s t r a i g h t e nf o r c e i i lc a s et h a tt h es u m m a t i o no f 也o s ef o r c e se x c e e dm el i m i t “o ni t c a ns u s t a i ni nac e r t a i nw e a kp a no fs l a b s ，c r a c k sw o u l da p p e a r ，s oq u a l i t yo fs l a b s w o u l db ew o r s e n a st h eb a c k g r o u n dt h a ti tp r o d u c e st 1 1 ea l l o ys t e e lc r a f to fr o u n db i l l e ti nt h e e l e c t r i cf u m a c es h o po fb a o s t e e lc o m p a r l y ，c h 0 0 s i n gc r - m os e r i e sa n db - t i ws e r j e s a j l o ys t e e if o r t h er e s e a r c no b j e c t ( r e g a r d i n gt 2 3s t e e i a st h et y p i c a ls t e e lk i n d ) ，t 1 1 ec a s t a b i l i t ya i l dh i g ht e n l p e r a t u r em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r es t u d i e d i nt h et e s t i n gc a s ta _ b i l i t y ，也en u i d i t y ，v 0 1 u m ec o n t r a c n o n ，l i n e a rc o m r a c t i o n a n dt e m p e r a t l i r ec u r v ea r em e a s u r e d w ec a ng e tm o r ea b o u tc a s ta b i i i t yo ft 2 3 s t e e l g l e e b l e 1 5 0 0t l l e m l a ls i m u l a t i o nm a c h i n ei sa d o p t e dt ot e s ts k e t c hp r o p e r t i e s a th i g ht e m p e r a t u r eo fs t c e l sa n dp r o t r a c tt l l eb r i t t l e n e s sc u r ve t h eb r i t t l e n e s s t e m p e r a t l l r ez o n ei so b t a i n e d o n 1 eb a s i so f t h e m ，t h es t r a i 曲t e nd o ti ss u g g e s t e d t o a v o i dt h eb r i t t l e n e s sz o n ei no r d e rt oi 芏n p r o v et h eq u a l i t yo fs t e e l s i na d d i t i o n ， m e t a l l u r g i c a lp h a s ea 1 1 d 印p e 黝c eb ys c a n i n ge l e c 仃i cs c o p ea r eo b s e r v e da i l d a n a l y z e d 0 nt h eb a s i so ft e s t i n gd a t aa tt 1 1 es c e n e ，t l l ec o m p u t e r _ a s s i s t e da n a l y s i ss o f t w 甜e i s r i g h t b yu s i n gc o m p u t e r - a s s i s t e da n a l y s i ss o f t w a r e ，t h es 曲c ea n dc e n t e r t e m p e r a t u r ed i s t 舶u t i o ni sa 1 1 a l y z e d i nt h j sp 印e r ，m ec a s ta b i i i t ya n dh 远ht c m p e r 栅em e c h a i l i c a lp r o p e n i e sa r e a n a l y z e da n ds t u d i e d o nt h eb a s i so fm e m ，t h ec o n d u c t i n gh e a tt os o l i d i f yi nm e s e c o n d a r yc o o l i n gz o n ei ss i m u l a t e db ya n a l y z ed a t af r o mp r o d u c t i o ns c e n e t 1 r o u 曲 t h e m ，w ec a nf i n dt h ef a c t o r sw h i c hm a yc a u s ec e n t e rc r a c k sa n ds 士l r i l l k a g ec a v j t y i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t 建孽db r i n g 霉霉r w 叁叁di m p g 耋v i n gm e 垂蒋s k e yw o r d s c o 曩i n u o u s c a s t i n g ， r o u n db i l l e t ，c a s t 釜釜 ；参；：；j 曲t e m p e r 彝；u r e m e c h 垂 ；i c 矗ip r o p e n i e s ，n 羲i 韩e r i c 矗is i m u l 蠢自i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：互撅 日期：ao 口f 1 、上 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同 意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 连铸发展的概述 钢液成形的方法有两种：模铸法和连续铸钢法。模铸是将高温钢液浇注到 一个或多个钢锭模内使之凝固成形的方法，是钢液凝固成形的基本方法，其典 型特征是生产过程的间续化；连续铸钢是将高温钢液连续地浇注到一个或多个 强制水冷的金属型腔内。凝固成形后，再经二次冷却，使之凝固，且成一定形 状铸坯的工艺方法，其典型特征是生产过程的连续化。 与模铸工艺相比，连铸工艺具有如下优点： ( 1 ) 简化了铸坯生产的工序，缩短了流程； ( 2 ) 减少金属损失，提高金属收得率； 7 使a 3 提高。 改变共析点的位置，合金元素对钢的共析点以及a 1 、a 3 线的影响可由图 2 8 表示出来。 妒 五 星 糕 t i 科 峙l 曩参 z缓 第 了rq o 柬 h _ l -迪纽 、。 、 图2 8 几种合金元素对共析温度( a 】) 及共析点碳含量的影响 f i g 2 ，8 e 丘b c to fa l l o ye l e m e n to ne u t e c t o i dt e m p e r a t u r ea 1 1 de u i e c t o i dp o i m t 2 3 钢中的合金元素，c r 含量2 o 2 6 ，w 含量1 4 5 1 7 5 ，对t 2 3 钢 的影响最大。 ( 1 ) 对于a l 线，c r 和w 都使a l 线上升。对于1 c 和5 c r 钢在加热到7 6 0 以上才开始形成奥氏体，面在铁碳相图上为7 2 3 形成奥氏体。 ( 2 ) 对于a 3 线，铬属于缩小t 相区域和形成丫相圈的合金元素。对于l c 和 5 c r 钢，温度超过7 8 0 时a 相消失，铁碳相图上相消失的温度约8 3 0 左右， a 3 线温度有些下降。 钨与铁形成固溶体和两种金属间化合物f e 2 w ( 相) f e 3 w 2 或f e 7 w 6 ( 相) 。 钨使铁的a 3 点升高，点降低，是形成v 相圈的元素之一。钨溶入铁中时，稳 定铁素体相，使临界点a 4 点降低。在t 2 3 钢中，由于钨含量小于3 ，w 含量 在1 4 5 1 7 5 时，提高a 3 线，大约在9 3 0 左右。 一2 8 东北大学硕士学位论文第二章t 2 3 钢铸造性能研究 总上所述，a l 线和a 3 线都提高，a 1 线高于7 2 3 ，a 3 线高于8 3 0 ，与实 验结果比较，在a 3 线到a 1 线之间发挎嚣娥捷；倡巧鲑塑乜硎湔i i 嘭一! i ； 高饿维。 委；薹鲫篓羹嚣羹嚣鋈霪蒸雾羹蒸 萋；囊j | 囊羹萋囊 弱笄j ：i i 鞘岩鲢桥桕；消蓁臻酣琶麒疆翌怂鼎壹焉淫：委晋蓥基鐾韶啪u 咻一g 瑟明力豳番函；型褂打。数据处理能力、实时测温和现场显示等特点， 又要具有体积小、执行速度快、 可靠性强、抗干扰能力强的特点。因此采用计算机作为上位机。选择d a c 一8 0 18 实现信号处理、a ，d 转换、r s 一4 8 5 通讯功能。采用d a c 8 5 2 0r s 2 3 2 到r s _ 4 8 5 隔离转换模块实现数据格式的转换。 考虑到所试制的铡温系统传感器要经常更换，又要自动记录、多点连续测 温，所以选择热电偶作为温度传感器，作为连续测温的测温探头。 系统的总体框图见图z o 。 旧母= 忱蜒 图2 9测温系统总体框图 f 培29 s k e t c hm 印o f m e l l r i n gt e m p e m 沁ps y s t e ” 整个系统的核心部分为数据采集转换部分( 见虚线方框) ，该测温系统工作 过程如下 ： ( 1 ) 测温的前期准备工作。如热电偶的埋入、固定等； ( 2 )测温时，埋入的热电偶传感器的热电势值数据进入d a c _ 8 0 1 8 模块 经过a 转换后变为数字信号，数字信号通过r s 一4 8 5 通讯形式进入d a c _ 8 5 2 0 模块，在该模块内将r s 一4 8 5 通讯方式转换为r s 一2 3 2 c 通讯方式输入计算机串 u 。计算机通过控制程序将采集的数据进行整理、分析、储存，并实时绘出温 度一时间曲线图； ( 3 ) 数据打印、显示输出以备分析。 2 4 3 实验仪器及材料 砂箱、模样、坩锅、石英砂、粘土、混砂机、热电偶、石英玻璃管、i b m 一3 0 x 东北大学硕士学位论文 第二章t 2 3 钢铸追陡能研究 ( 1 ) 测温范围广，可用于1 8 0 + 2 8 0 0 。高温范围内有较高的精度； ( 2 ) 测量时可以不用外加电源，使用方便； ( 3 ) 热电偶元件可以做成各种形式，结构简，链弹绎筻， i 葡f 翱癌壤淫；嚣蛹毪 j j j 豳雏酲即疆掣。鍪缘蹦嚣器蓊矮豁蟛。 盼跚卧尉眇舅刻醍十齄m 复甬；稚拍繇毂静菲朝鲋黼罨航则酗嚣刑薪辑。 渣 、脱氧和扒渣。浇注前用单铂铑测温，约1 5 6 0 ，减去 从熔炼炉走到铸型过程中约1 0 的温降，浇注温度是1 5 5 0 。 浇注过程中注意要平稳、快速。计算机自动记录数据，作出温度和时间的 曲线。设定时间为4 0 分钟，采样周期为2 0 0 毫秒。 2 4 5 数据分析 根据计算机采样得到的数据，可以绘制出t 2 3 钢的凝固动态曲线，见图 2 1 0o 示铸件断面上液相和固相等温线由表面向中心推移的动态曲线。由于凝固区域 的宽度可以根据凝固动态曲线上的“液相边界”和“固相边界”之间纵向距离 直接判断，因此，这个距离的大小是划分凝固方式的一个准则。 如果两条曲线重合在一起恒温下结晶的金属，或者其间距很小，则趋 向于逐层凝固方式。如果两个曲线的间距很大，则趋向于体积凝固方式。如果 两个曲线间距处于二者之间，则为中间凝固方式。 窄结晶温度范围的合金在凝固过程中，铸件断面上的凝固区域很窄，也是 逐层凝固方式。在凝固区域中，靠近凝固前沿的液体温度低，首先在前沿上凝 固。已凝固的晶体中的溶质原子含量比平均含量低，“多余”的溶质原子被排斥 在周围的液体中，使这部分液体的凝固点降低，靠近固体的液态金属又在前沿 上结晶，凝固继续进行。凝固区域越窄，发展为柱状晶的趋势越大。 宽结晶温度范围的合金在凝固过程中，在靠近固相前沿的地方首先形成一 批小晶体，这些先形成的晶体中合金元素比平均含量低得多，“多余”的合金元 素被推到周围的液体中，使这部分液体的凝固点降低，晶体成长暂时停止；因 东北大学硕士学位论文第二章佗3 钢铸造牲能研究 计算机( 1 g c p u ；2 5 6 m 内存) 、研发工控产品d a c 一8 0 1 8 、d a c 一8 5 2 0 、感应 炉 2 4 4 测试方法 用石英砂和粘土混砂，选择合适的砂箱和模样造型。 采用多点热分析法。在分型面上插入4 支热电偶，分别布置在距铸型边缘 0 c m 、1 5 c m 、3 0 c m 、4 5 c m 处。将热电偶和模块及计算机接好。 钢的熔炼注意聚渣、脱氧和扒渣。浇注前用单铂铑测温，约1 5 6 0 ，减去 从熔炼炉走到铸型过程中约1 0 的温降，浇注温度是1 5 5 0 。 浇注过程中注意要平稳、快速。计算机自动记录数据，作出温度和时间的 曲线。设定时间为4 0 分钟，采样周期为2 0 0 毫秒。 2 4 5 数据分析 根据计算机采样得到的数据，可以绘制出t 2 3 钢的凝固动态曲线，见图 2 1 0 。 该图中左侧曲线是液相线边界，右侧曲线是固相线边界，这两条曲线是表 示铸件断面上液相和固相等温线由表面向中心推移的动态曲线。由于凝固区域 的宽度可以根据凝固动态曲线上的“液相边界”和“固相边界”之间纵向距离 直接判断，因此，这个距离的大小是划分凝固方式的一个准则。 如果两条曲线重合在一起恒温下结晶的金属，或者其间距很小，则趋 向于逐层凝固方式。如果两个曲线的间距很大，则趋向于体积凝固方式。如果 两个曲线间距处于二者之间，则为中间凝固方式。 窄结晶温度范围的合金在凝固过程中，铸件断面上的凝固区域很窄，也是 逐层凝固方式。在凝固区域中，靠近凝固前沿的液体温度低，首先在前沿上凝 固。已凝固的晶体中的溶质原子含量比平均含量低，“多余”的溶质原子被排斥 在周围的液体中，使这部分液体的凝固点降低，靠近固体的液态金属又在前沿 上结晶，凝固继续进行。凝固区域越窄，发展为柱状晶的趋势越大。 宽结晶温度范围的合金在凝固过程中，在靠近固相前沿的地方首先形成一 批小晶体，这些先形成的晶体中合金元素比平均含量低得多，“多余”的合金元 素被推到周围的液体中，使这部分液体的凝固点降低，晶体成长暂时停止；因 为凝固区域宽，此时在富溶质的后边又立即形成一批小晶体，这第二批小晶体 一3 1 东北大学硕士学位论文第二章他3 钢铸造性能研究 又被富溶质液层包围，而停止生长i 又形成第三批、第四批小晶体；如此继续 下去，小晶体很快布满整个凝固区域。这个过程进行得很快，甚至可以看作在 整个凝固区域里各处同时形成小晶体。但是，由于凝固区域宽，液态金属的过 冷很小，晶体的总数并不多。因此，这些小晶体容易发展成为树枝发达的粗大 的等轴晶，并且很快就连成一片。 1 0 8 0 6 o 。4 0 - 2 0 ， 二 ? ， 一 02345 时间( m i n ) 图2 1 0 铸件凝固动态曲线 f i g 2 1 0s o l i d i f i c a t i o n 由呦i cc u n ，eo f c a s t i f l g 中等结晶温度范围的合金如中碳钢和高锰钢等，该合金凝固区域为中等宽 度。在凝固初期，由于铸件断面上的温度梯度较大，凝固区域较窄，凝固方式 近于窄结晶温度范围的合金。首先在型壁生成一层细晶粒，并成长为细长的柱 状晶，其间充满着富有合金元素的液体。这些液体因凝固点低而凝固地较晚， 使铸件在凝固早期没有一个坚实的硬壳，这与逐层凝固方式有差别。到某个时 刻，柱状晶生长终止。铸件中心区域的液体因更多的富有合金元素，且温度梯 度减小，凝固区域变宽，凝固方式又接近宽结晶温度范围的合金，形成等轴晶 组织。 由凝固动态曲线可知，t 2 3 钢属于凝固区间较窄的钢种。 。3 2 东北大学顾士学位论文 第三章高温力学性能与组织关系分析 该图不仅表明了三个脆性区的温度范围，而且还用示意图指明了三个脆性 区不同的致脆根源。发生在1 2 0 0 到固相线温度之间的高温脆性区i ，是由于 树枝晶间富集s 、p 等液析元素所引起的枝间脆性。坯壳表面回温、鼓肚、带液 芯矫直等在凝固前沿将遭遇到该区的脆性产生内裂纹( 偏析裂纹) 。发生在9 0 0 1 2 0 0 间的中温脆性区1 1 ，是由于( f e 、m n ) s o 低熔点共晶体沿7 晶界 的网状分布或c u 、s n 、s b 等低熔点金属液向y 晶界渗透所引起的晶间脆性。当 钢中 s 】 o 0 3 或m n s 2 0 时，该脆性加剧铸坯冷却时的温度应力，较多的遭遇 在该脆性敏感区。发生在7 0 0 9 0 0 间的低温脆性区，是由于伴随y q 相 变时，a 1 、n b 等碳、氮化物的沉淀析出所引起的晶界脆性，钢中a 1 、n b 含量 越高，奥氏体晶粒越粗大，脆性越严重。它对铸坯表面和皮下裂纹的产生具有 最明显的影响。因此，铸坯应该尽量避免在该脆性温度区间进行弯曲和矫直变 形。 钢的高温力学性能采用g l e e b l e 一1 5 0 0 热模拟试验机测定。 g 1 e e b l e 1 5 0 0 热应力应变模拟机是计算机控制的具有先进水平的动态热 模拟试验枫。本试验机可模拟常规轧制、控制轧制、锻压、挤压、焊接、熔化、 铸造、烧结、热处理、双金属复合加工、控制冷却等加工过程。还可以完成金 属材料力学性能的调试工作f 3 8 j 。 3 2 高温力学性能测试的实验 3 2 1 试样取样部位及试样尺寸 力学性能样品是从直径为o1 7 8 i i l n l 的连铸圆坯上分别在圆坯半径的l 4 和 1 8 处沿铸坯的纵向取下毛胚料，。经机械加工成力学性能样品。 样品的形状和尺寸按图3 2 所示，加工成热模拟试验机试样。 o r i ej 1卜至j | 刚一 iii l 120 3 2 2 实验步骤 图3 2 试样尺寸 f i g 3 2 d i m e 玎s i o no f t h et e s t i n gs a m p l e 3 4 东北大学硕士学位论文 第三章高温力学性能与组织关系分析 ( i ) 用g p l 语言编制热力模拟程序 由于热模拟机的全部实验过程是在计算机控制下自动完成的。实验前必须 对计算机进行编程，编程采用mp 】l _ 语言( 列! c # b ! p i q 鹾蕊n l u * ! 嫌霏t i # 8 ? i “耳r 罐譬堪辫m m 酵连| 辟罐譬：语睫披酬鞯游一。浠矗诞怕。黼强。河掣罐谦捕 滴溶脚瀣硐爿 = i p ? | ，拜一皈用卡尺测量试样直径，计算试样的横截面积，标上实验条件。 ( 3 ) 用热电偶焊机把两根热电偶分别焊在试件长度方向的中央，且两偶 相距l m m 。与设备连接好热电偶，盖上箱盖，抽真空。开始进行实验。 ( 4 ) 对实验数据进行处理。报据计算机绘出的p ( 载荷) 一】( 伸长量) 曲线及计算试样的断面收缩率( r a ) ，根据测试数据绘制钢的断面收缩率随温 度的变化曲线，并进行断口的组织形貌分析。 3 2 3 实验加热制度 高温拉伸是指在恒定的温度和规定的拉伸时间或拉伸速度下，用单向拉伸 载荷把试样拉断的实验方法。这是一种测定材料高温强度和塑性指标的最基本 手段f 3 9 】。材料在高温下的热变形过程是由应变速率、应力和温度等因素控制的， 在连铸工艺过程中，铸坯变形通常发生在6 5 0 1 1 0 0 。c ，低应变速率( 1 l o 一2 1 1 0 叫s) 和低应变的特定工艺条件。 本测试采用的加热制度及其相关参数：采用模拟法加热制度，测试时，在 a r 气保护下，以1 0 * c s 速率将试样从室温升至1 3 0 0 ，保温l m i n 以后，以1 5 。c s 的速率降温到预定的各实验温度：1 1 0 0 。c 、1 0 5 0 。c 、1 0 2 5 、1 0 0 0 。c 、9 7 5 、9 5 0 、9 2 5 、9 0 0 、8 7 5 、8 5 0 、8 2 5 、8 0 0 、7 7 5 、7 5 0 、7 2 5 、7 0 0 。c、6 5 0 。c ，再保温l m i n 后，选择1 0 - 3 s 的应变速率进行拉伸。 加热历程如图3。3 所示。 3 2 4 测试结果与分析 对于材料高温力学性能的测试包括很多方面，根据研究的需要，选择以试 样的抗拉强度和拉断时的断面收缩率来衡量其高温力学性能。 抗拉强度：抗拉强度是材料的主要强度指标之一。它是材料在拉伸受力过 程中，从开始加 x 东北大学硕士学位论文 第三章高温力学性能与组织关套曩曩 ? ? a 嚣琵譬跫骚弱雏弱鳍弱琵鹑驻势 藿鞴鐾毳舅蛩翥爨融瓣馨新穗眷疆臻垮写接嚣泰蓁孙鹜零囊，鹱篱黼剖嚣 醛鲴靛嚣器熊鹱嚣；堑穆建塑靛罄萋镰塍 霪! 目i 虿j ；吝塑霹m i ! 目 城箨每i ! i ；。蠢鑫孺 浠壤添戮薄增滢满并畦嚣黠；秽莳扶虱甚低点浠滓篱精搬；滏基，酥彗黝鼎雒 把骡冀兆磊牝翼i 自lg “懿萎薛 eo f t 2 31 8s t e e l 由图3 4 和图3 5 可见，随着温度的升高，断面收缩率先是不断下降，在8 0 0 时达到最低点，而后断面收缩率随着温度的升高而呈现升高的趋势。 由图3 6 和图3 7 可见，1 4 处样品随着温度的升高，抗拉强度不断下降， 在9 0 0 。c 时达到最低点，而后回升至原曲线的斜率继续随温度的升高而下降。1 8 处样品的抗拉强度则一直随着温度的升高不断下降。 在本实验条件下，以r a 低于6 0 作为脆性判断依据。t 2 3 钢1 4 连铸坯试 样没有出现第1 i 脆性温度区，只出现第1 i i 脆性温度区。t 2 3 钢1 4 的第脆性温 度区为7 5 0 92 5 。c ，在8 0 0 。c 附近，r a 降至最低值，约为2 8 ；同理可知： t 2 3 钢1 8 的第脆性温度区为7 0 0 * ( 2 8 5 0 c ，在8 0 0 。c 附近，r a 降至最低值， 约为4 2 。产生第脆性温度区7 0 0 9 2 5 c 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a 相、 n b ( c n ) 等的析出引起的：后者为两相区脆化，在y 一转变时优先在奥氏体 晶界处析出薄膜状的0 【铁素体，a 铁索体较软，因此在外力作用下，变形主要 集中在沿奥氏体晶界分布的n 铁素体中，使相中存在的微小孔洞和裂纹聚合、 长大，最后导致晶界断裂。 因此，当铸坯到达矫直点时的温度应尽量避开铸坯的脆性区间 4 0 l 。 3 3t 2 3 钢在8 0 0 c 断口及组织分析实验 3 3 1 实验仪器 n e o p h o t 2 1 型大型金相显微镜、s s j ( _ 一5 5 0 型扫描电子显微镜、s e d x 能谱仪、 e p m 8 1 0 型电子探针 。3 9 x 东北大学硕士学位论文 第三幸高温力学性能与组织关系分析 3 3 2 实验原理 3 3 2 1 断裂的分类 断裂是金属完全破断为两部分以上的现象，因此使金属构件失去整体性而 失效。根据金属在断裂前宏观塑性变形程度可分为两种： ( 1 ) 脆性断裂：没有发生或无明显塑性变形时的断裂，即材料在达到屈 服点之前便发生断裂的断口； ( 2 ) 韧性断裂：产生明显塑性变形后的断裂。韧性断口的微观特征1 4 ”。 对于多晶体金属断裂是依据裂纹的走向加以区分，主要有两种： ( i ) 穿晶断裂：裂纹穿过多晶体晶粒内部扩展所构成的断裂； ( 2 ) 沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展所构成的断裂。沿晶断裂又叫晶间断 裂。 多晶体的断裂形式主要由晶粒和晶界的强度决定。在常温下，金属晶粒内 部强度小于晶界强度，所以常温下呈穿晶断裂。在高温下，晶界呈粘滞性，晶 界强度低于晶内强度，所以在高温下金属呈现沿晶断裂。另外，沿晶断裂与金 属的介质条件和晶界上夹杂物性质有关。当金属处于腐蚀性介质和晶界上有大 东北大学硕士学位论文 第三章高温力学性能与组织关系分析 表3 2t 2 3 钢1 8 高温力学性能测试计算结果 t a b l e 3 2t e s tr u s u l t so f h i g ht e m p e r a t u r em e c h a n i c sp e r f b m a l l c eo f t 2 3 】8 n otld也r a p ko k乳 如 l7 0 06 26 6 23 4 4 05 6 1 81 5 0 04 2 7 ，2 82 2 l oo 3 j2 7 57 7 2 7 5 04 47 s 6 4 4 8 7 4 2 8 41 6 5 03 6 0 3 51 9 5 0o 2 22 4 3 f 3 3 8 0 04 07 5 84 51 04 2 5 41 1 2 02 4 3 3 31 6 9 0 o 2 2 1 09 0 8 5 04 _ 8 9 0 05 7 9 2 55 6 9 5 05 8 3 7 4 04 2 9 94 5 2 41 0 0 02 2 7 9 51 3 7 00 2 41 7 0 9 1 6 23 0 1 86 1 5 68 0 02 5 9 8 01 0 4 0o 2 8 51 2 97 5 6 12 9 2 16 2 7 95 6 01 8 7 8 78 8 40 2 811 0 3 5 6 23 0 1 86 1 5 6 6 6 0 2 1 4 3 58 4 40 2 9 21 0 5 3 l 9 7 5 5 26 0 42 8 6 46 3 5 2 5 0 0 1 7 1 1 0 7 0 0 0 2 6 8 7 3 4 1 0 0 05 0 25 9 22 7 5 16 4 9 5 3 7 0 1 3 1 8 0 6 6 0o 2 5 18 2 3 5 1 0 2 52 3 6 3 8 3 1 9 6 5 9 - 36 0 0 1 8 4 0 2 1 11 0 5 01 15 92 7 3 36 5 1 93 7 01 3 2 6 9 6 8 00 1 1 58 4 8 5 5 0 00 0 5 56 2 3 9 1 211 0 06 14 41 5 2 08 0 6 42 1 01 3 5 4 44 5 00 3 0 55 6 15 4 表中各符号意义如下： 卜铸坯表面温度， 卜一相对伸长，衄 d 一断裂后直径，m m 爿。一断裂前面积，4 0 = 7 8 5 4 m 2 4 6 断裂后面积，m m 2 见4 断面收缩率， p 试样断裂时所承受的载荷，k g f 巩试样断裂时所承受的应力，m p a n 试样所承受的最大载荷，k g f r 相对应变量， 盯矿一试样的强度极限，m p a 根据数据做出图3 4 、图3 5 、图3 6 和图3 7 。 其中，图3 4 和图3 5 分别为1 4 和1 8 处样品的断面收缩率与拉伸实验温 度的关系；图3 6 和图3 7 分别为1 ，4 和1 ，8 处样品的抗拉强度与拉伸实验温度 的关系。 1 7 3 4 5 6 7 8 9 m 东北大学硕士学位论文 第三章高温力学性能与组织关系分析 l o o 鬟8 0 婺6 0 蔷4 0 彗2 0 0 一 h 7 7 0 0 7 5 08 0 08 5 09 0 09 2 5 9 5 09 7 51 0 0 01 0 2 51 0 5 01 1 0 0 温度 图3 4t 2 3 钢圆坯直径l ，4 处样品断面收缩率与拉伸实验温度的关系 f i g 3 4 r e l a t i o nb e t w e e ns e c t i o nc o n t r a c t i b i l i t ya n dt e m p e r a t u r eo f t 2 31 4s t e e l l o o 女8 0 樊6 0 蔷4 0 搭2 0 0 一。? 7 6 0 07 0 08 0 09 0 01 0 0 01 1 0 01 2 0 0 温度 图3 5t 2 3 钢圆坯直径1 8 处样品断面收缩率与拉伸实验温度的关系 f i g 3 5 r e l a t i o nb e t w e e ns e c t i o nc o n t r a c t i b i l i t ya n dt e m p e r a t u r eo f t 2 31 8s t e e l 3 0 0 2 5 0 2 0 0 言1 5 0 1 0 0 5 0 0 、 | 一 y7 7 0 07 5 08 0 08 5 09 0 09 2 59 5 09 7 5i 0 0 01 0 2 5i 0 5 01 1 0 0 温度 图3 6t 2 3 钢圆坯直径1 4 处样品抗拉强度与拉伸实验温度的关系 f i g 3 6 r e l a t i o nb e t w e e nt e n s i l es t r e n g t ha n dt e m p e r a t u r eo f t 2 31 4s t e e l 3 8 东北大学硕士学位论文第三章高温力学性能与组织关系分析 时，则非金属夹杂物在位错塞集群的作用下发生断裂，形成微裂口：当非金属 夹杂物较硬而强，则如同脆性断裂裂口成核的位错塞积作用一样，裂口在非金 属夹杂物周围成核。裂口在扩展中受到珠光体的阻碍。当基体内的珠光体数量 占多数时，微裂口的形成和扩展被局限在珠光体晶粒边缘的铁素体区域内。此 时铸钢在低变形量下断裂，有脆性特征。铁素体为主的铸钢，在断裂时则表现 出明显韧性特征。 3 3 3 实验内容及断口组织分析 根据力学性能曲线的特点，选取1 4 处样品中，实验温度为7 0 0 。c 、8 0 0 。c 、 9 0 0 y ：、9 5 0 。c 的样品和1 8 处样品中，7 5 0 、9 5 0 。c 和1 1 0 0 。c 的样品以及未经 加热的样品进行扫描电镜和金相显微观察。对末加热样品进行观察的目的是将 其金相组织与其他高温拉伸样品的金相组织做比较。 ( 1 ) 8 0 0 样品组织分析 根据图3 4 、3 5 可知，8 0 0 。c 时试样表现出明显的低塑性特征，所以对其进 行详细分析。 图3 81 48 0 0 c 拉伸样品断口扫描电镜，沿晶断裂特征，晶界铁索体韧性断裂。 左上部椭圆形坑状物为气孔 f i g 3 8 t e n s i l ef r a c t u r es u r f a c es e mp h o t o g r a p ho f t 2 31 4s t e e la t8 0 0 c 8 0 0 。c 时样品的断裂情况见图3 8 、3 9 、3 1 0 的扫描电镜观察结果。由图3 8 可见，断口呈现冰糖状，因此可判断该样品的断裂基本上是呈现沿晶断裂，由 一4 】一 东北大学硕士学位论文第三章高温力学性能与组织关系分析 图3 9 知。在晶粒表面有薄层韧性层( 韧窝特征) 。表明该样品在拉伸过程中， 晶粒本身的变形较小，但晶界处的韧性相发生了较大的变形。在断口边缘处， 晶粒变形稍微大些，但仍以晶界变形为主，见图3 1 0 。 图3 , 91 48 0 0 c 拉伸样品断口扫描电镜，光滑坑为气孔。 晶界铁素体韧性断裂 f i g 3 9 t e n s i l ef r a c t u r es u r f a c es e m p h o t o g r a p ho f t 2 31 4s t e e la t8 0 0 。c 图3 1 0 i 48 0 0 c 拉伸样品断口扫描电镜，拉伸断口边缘处断口形貌 f i g 3 1 0 t e n s i l ef r a c t u r es u r f a c es e m p h o t o g r a p ho f t 2 31 4s t e e la t8 0 0 。c 4 2 东北大学硕士学位论文第三章高温力学性能与组织关系分析 图3 1 4l 4 处未加热样品金相组织5 0 0 图3 1 51 ，4 处7 0 0 样品的金相组织5 0 0 无铁素体 沿晶出现断续分布铁素体 f i g 3 1 4m c t a l l u r g i c a ls 1 l c t u r eo f t 2 3l 4 f i g | 3 1 5m e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r eo f t 2 31 4 s t e e l5 0 0 s t e e ia t7 0 0 5 0 0 0 图3 1 6l 4 处9 0 0 样品金相组织5 0 0 x 图3 1 7l ，4 处9 5 0 样品金相组织5 0 0 晶界铁素体消失，全奥氏体晶界 铁素体消失，全奥氏体 ( 冷却后成马氏体)( 冷却后成马氏体) f i g3 1 6m e t a l l u r g i c a ls m l c t u r eo f t 2 3l ，4 f i g 3 1 7m e t a l l u r g i c a ls t m c t u r eo f t 2 3l 4 s t e e la t9 0 0 5 0 0 “ 一4 6 一 东北大学硕士学位论文第三章高温力学性能与组织关系分析 b ) 部位2 处x 能谱区域测试结果 图3 1 38 0 0 样品断口表面能谱测试结果。 f i g 3 1 3t e s t i n gr e s u ho f f h c t l es u r f k ee n e r 斟s p e 蛐a t8 0 0 由表3 3 和表3 4 可知，晶界处的w 含量( 4 1 2 7 、3 0 4 6 ) 明显高于公称含 量( 1 4 5 1 7 5 ) 。表明在加热至8 0 0 时，晶界处分布着大量w 元素，由于w 是稳定铁素体相的元素，因此使得晶界处形成的铁素体且沿晶分布。 同时，又用电子探针对w 元素作了定量测定。测试结果是：在晶界处w 含 量为1 4 ，晶粒内w 含量为1 6 。由于电子探针是针对一个很小点上的测量，所 以是相对准确的定量分析。w 元素的加入，目的是为了增加t 2 3 钢的强度，减 少其断裂倾向。但是，晶界处w 含量低于奥氏体晶粒内部w 的含量，因此奥 氏体晶粒的强度高于晶界处的强度。由于铁素体的析出已经降低了晶界处的强 度，w 又没有起到强化晶界的作用，这更增大了发生沿晶断裂的倾向。 表3 3 ? 霎酌羹嚣髫善晷| 鼾菱那 蛹登髑屯矗俐 荤季玉簪垂鼍兰l ! 萼乓i j e 塞营宴垂季 ； 番i ! 量薹匿嚣艮譬簦争饕薛鐾呈拳攀 高，晶界上析出的 东北大学硕士学住论文第三章高温力学性能与纽织关系分析 注：能谱测试结果为半定量结果 由表3 3 和表3 4 可见，局部区域有p 的偏析( 部位1 处有p ，而部位2 处 没有) ，p 的偏析降低了原子间的结合力，导致了晶界的弱化，这也是导致塑性 较差、易产生沿晶断裂的原因之一。 通过以上分析，可以总结出，t 2 3 钢处于8 0 0 高温时，由于铁素体在奥氏 体晶界处的析出，w 元素没能起到强化的作用，局部区域p 的偏析和c r 、m o 等合金元素形成的碳化物在晶界的析出产生的应力集中导致了在8 0 0 脆性的 出现和在8 0 0 时很低的断面收缩率。 3 4 相变及组织分析 对试样进行抛光和腐蚀，在金相显微镜下得到金相组织图片。 当加热到7 0 0 时，如图3 1 5 所示，晶界处开始析出白色的铁紊体，铁素 体呈断续带状分布。当温度达到8 0 0 时，在原始奥氏体晶界处出现连续分布的 铁素体，如图3 1 1 所示；甚至有的爽氏体晶粒已经被铁素体所包围，如图3 ，1 2 所示。由图3 1 6 和图3 1 7 可见，晶界铁素体全部消失，板条状马氏体开始变得 粗大，表明该合金在加热至9 0 0 时已经进入全奥氏体状态。加热至1 l o o 时， l 8 处样品的金相组织中更为粗大的马氏体板条更加证实了已经进入全奥氏体 状态，晶界铁素体完全消失，见图3 1 8 、3 1 9 。 通过分析可以得出，t 2 3 钢在加热过程中，随着加热温度的升高，晶界处 不断生长出铁素体，但当超过了8 0 0 时，晶界处的铁索体渐渐消失并逐步转换 为奥氏体组织。加热至9 0 0 时已经进入全奥氏体状态，晶界铁素体完全消失， 且奥氏体晶粒开始长大，冷却后产生板条粗大的马氏体。 4 5 东北大学硕士学位论文第三章高温力学性能与组织关系分析 ( 图3 2 5 ) 变形小。 刚3 2 01 4 处7 0 0 。c 的扫描断口，部分区域为沿晶断裂，晶界有薄层铁素体韧性断裂1 0 0 f i g 3 2 0 t e n s i l ef r a c t u r es u r f a c es e m p h o t o g r a p ho f t 2 31 4s t e e la t7 0 0 c1 0 0 x 图3 2 11 1 8 处7 5 0 c 样品的扫描断口形貌，与图4 2 0 相比，沿晶断裂倾向更为明显1 5 0 x f i g 3 2 1 t e n s i l ef i - a c t u r es u r f a c es e m p h o t o g r a p ho f t 2