高磷耐候薄带低温冲击试验方法研究

高磷耐候薄带低温冲击试验方法研究

磷酸是废钢中最重要的杂质元素，易形成中心偏析和脆弱性。另一方面，向钢中添加适量的磷有助于提高耐候性。因此,废钢回收的关键在于如何去除磷的中心偏析造成的不利影响。然而常规工艺中抑制磷的中心偏析相当困难。双辊薄带铸轧是一种直接把钢水浇铸成1～5mm薄带的前沿技术,利用薄带铸轧生产技术生产的高磷钢中,和常规板坯中的中心偏析相反,磷往往偏析于薄带表面。利用这一冶金特点使磷偏析于薄带表面,提高薄带耐候性能的同时降低基体磷含量,可能获得薄带的耐候性能、强度、塑性和韧性最优组合。笔者前期工作证实了高磷含量的铸轧薄带强塑性能和耐候性能优于常规耐候钢,而作为一种结构钢,铸轧薄带的低温韧性有必要给予评价,但由于铸带厚度尺寸小无法加工成标准夏比冲击试样,基于此种情况,文章研究了一种非标准试样的低温冲击试验方法,并采用此方法评价了高磷耐候钢铸轧薄带的低温韧性。1试验样品和方法试验中采用30kg感应炉在氩气保护下进行钢水熔炼,熔炼后将钢水从中间包浇注到两个反向旋转水冷辊(ϕ450×254)mm和侧封板组成的熔池内制备铸轧薄带,浇注温度为1560℃,以20m/min的铸轧速度,1mm的预设辊缝铸轧出厚度为1.7mm的薄带。采用二辊可逆轧机将酸洗后的铸轧薄带以53%的总压下量冷轧至0.8mm。为了便于比较,采用真空感应熔炼炉制备了化学成分相同的120mm厚铸锭,铸锭经开坯、热轧至3mm、酸洗后被冷轧至0.8mm作为对比样品。铸轧、冷轧带和对比样品均以100℃/min的升温速度从室温升至750℃,保温30min后随炉缓慢冷却至室温,并分别以TCA和HCA表示,其化学成分(质量分数,%)见表1。在摆锤冲击机上进行冲击试验测量TCA薄带的冲击功,与对比样品HCA薄带冲击功进行横向比较。在低温冲击实验中,冲击试样见图1,其尺寸除厚度为0.8mm外其余尺寸都按照国标金属夏比缺口冲击试验方法GB/T229-1994取值。由于薄带厚度方向的尺寸(0.8mm)为非标尺寸,为避免样品冲击时发生扭曲设计并采用了图1所示的卡具,其中图2(a)为卡具实物图,图2(b)为截面图和主要尺寸。冲击试验结束后,在扫面电子显微镜上进行断口形貌观察。采用型号为JXA-8500F的场发射电子探针显微分析仪(FE-EPMA)对薄带纵截面进行磷元素的定量分析。2试样升温过程液氮和异戊烷以不同的比例在低温容器中混合以获得不同的低温环境。将样品浸入低温容器2min使之温度均匀,然后将其转移到卡具中,薄带冲击试验见图3。试样从低温容器中取出到试验机摆锤落下的时间内,试样与空气、卡具的接触传热等因素会造成试样温度的激烈上升。为了解试样温度变化情况,估算试样在冲击时刻的温度,对物理参数的实际测量起到指导作用,需要用软件对整个试样的升温过程进行模拟计算。文章根据传热原理通过有限元法(集成商用软件ANSYS)计算样品的温升。模拟过程分两大部分,时间共7s。第一个部分是试样从低温容器中取出后暴露在空气中,这个过程试样和环境间存在辐射和对流两种换热方式,用时5s。第二个部分是试样放到卡具上到摆锤击打试样时刻,试样和卡具之间以热传导方式进行换热,这是试样升温的主要过程,用时2s。为了避免重复说明,文章以试样的初始温度为-90℃为例。2.1网格划分和温度场根据冲击试样的实际尺寸,建立模型。所建立模型的类型及材料特性:单元类型为Brick8node70,耐候钢密度、比热和导热系数分别为7800kg/m3、425J/(kg·K)和52W/(m·K)。对模型进行网格划分见图4(a),网格划分后节点数为990,特殊节点标号见图4(b)。加载时间为5s,试样初始温度为-90℃,环境温度为20℃。试样从低温容器中取出后暴露在空气中,试样和外界环境经过5s的辐射、对流复合换热后其温度场见图5(a),由于辐射和对流的强度都很小,5s后试样温度只上升了约6℃,而且由于试样的厚度很薄,在空气中的获得热量较少,试样整体的温度是均匀变化的。图4(b)中特殊节点温度随时间变化情况见图5(b),特殊点的温度曲线基本重合且各点的温度是直线上升的,5s后试样的温度为-84℃。2.2试样与卡具的接触模型根据试样与卡具的实际接触情况,建立如图6(a)所示的模型,试样与卡具接触的几何模型中重要的尺寸关系已经标出,其他尺寸对计算影响不大。设定卡具的单元类型与材料的特性和试样相同。对试样与卡具的接触模型进行网格划分见图6(b)。换热方式为热传导,加载时间和试样初始温度分别为2s和-84℃,由于试样的体积较小,与整个卡具比较可忽略,吸收热量较少,因此认为试样对卡具的温度场不会产生影响,设定卡具的温度恒定为环境温度20℃。2s后试样的温度场见图7(a)。可以看出,和卡具接触的试样两端,在接触后温度十分快速地上升到和卡具相同的温度,即室温20℃。随后热量由试样两端向中间传递,试样中间部分的温度逐渐升高。特殊节点的温度曲线见图7(b),中心点温度由-84℃升高到-32℃,升高了52℃。3结果和讨论3.1s时,7s后响应面为5、5、10、10、3.5、10.3、5.10、5.2不同冲击温度时的试验结果当试样初始温度为-90℃时,经ANSYS软件模拟计算7s后冲击开始时刻的冲击温度为-32℃,而当系列冲击温度为2、-15、-35、-55、-75、-90、-110、-130、-150、-165、-180℃时,7s后均对应着一个冲击温度。图8示出了试样初始温度TS(℃)和冲击温度TI(℃)之间的关系,根据图8的数据拟合出冲击温度TI与初始温度的关系如式(1):TI=0.475TS+10.73(1)3.2试验结果及分析图9示出了TCA和HCA薄带的单位冲击功和冲击温度之间的关系,可以看出,含0.08%磷的常规薄带HCA的DBTT值约为-60℃,这和文献中晶粒度和磷含量大致相当的钢材通过标准夏比冲击试验得出的结果一致,表明采用本文的非标准试样低温冲击方法是可行的。由图中还可看出,含0.08%磷和0.15%磷的TCA薄带的DBTT值分别约为-75℃和-45℃,均比相同磷含量的HCA薄带低大约10℃。图10示出了具有代表性的-68℃下的0.08%磷、-42℃下的0.15%磷HCA和TCA冲击断口形貌,从中可以看出0.08%磷HCA薄带在-68℃冲击后的断口完全由解离刻面组成,表明它在这一温度下冲击发生脆性断裂,而0.08%磷TCA薄带的冲击断口则由大量拉长韧窝组成,表明它在这一温度下仍然具有良好的韧性;对于0.15%磷HCA薄带,在-42℃冲击后的断口上能观察到大块的解离刻面,而0.15%磷TCA薄带,断口形貌主要由大量韧窝组成,这和DBTT测量结果完全一致。使用场发射EPMA能够准确地获得沿薄带厚度方向的磷浓度分布。图11示出了0.15%磷TCA和HCA薄带沿薄带厚度方向的磷浓度分布图。对于TCA薄带,在约75μm的表面层的平均磷浓度接近0.26%,而HCA薄带表面的平均磷浓度低于0.14%,差值为0.12%。在TCA薄带基体中平均磷浓度约为0.135%,而HCA薄带基体中平均磷浓度约为0.152%,增加了约0.017%,相对增加量为15%。钢中的磷含量越高,沿晶界偏析的磷越多,而偏析于晶界的磷使晶界弱化造成解离断裂。在常规工艺生产的HCA薄带中磷偏析于中心,在表面贫化;而在TCA薄带中,磷偏析于薄带表面,在基体贫化。在冲击试验中,冲击载荷主要作用在基体上。如果基体中的晶界被偏析的磷弱化,则抵抗断裂的能力降低。本文中磷的晶界浓度可以根据Seah关于沿晶界的磷浓度Cgb按照方程式(1)进行估算。Cgb1−Cgb=C0⋅exp(ΔGRT)Cgb1-Cgb=C0⋅exp(ΔGRΤ)(2)式中:C0为晶界附近基体的浓度;△G为Fe-P合金中磷的偏析自由能,R和T分别为气体常数和开氏温度。对于半定量的估算,可以合理地假定薄带的△G为常数。根据方程(1)可以估算出,如果磷的体积浓度相对减少15%,那么磷的晶界浓度能够减少10%,因此0.15%磷TCA薄带基体中磷的晶界浓度能够比0.15%磷HCA薄带减少10%。根据Song等关于DBTT值与晶界磷浓度的经验关系式DBTT(℃)=3.38Cgb-91.95可以估算出,如果沿晶界的平均磷浓度降低10%,DBTT值能够降低10℃。本文中含0.15%磷的TCA薄带的DBTT值比HCA薄带低大约10℃主要是因为0.15%磷TCA薄带体积浓度的减少降低了沿晶界的磷偏析,从而减弱了磷对晶界的弱化。4试验结果及分析1)文章给出了一种针对铸轧薄带钢的非标准系列低温冲击方法,采用有限