460C鋼高溫塑性變形行為研究

高福彬 張守偉 李建文 靖振權 丁 劍 周 丹

(河鋼集團邯鋼公司)

460C鋼高溫塑性變形行為研究

高福彬 張守偉 李建文 靖振權 丁 劍 周 丹

(河鋼集團邯鋼公司)

通過Gleeble-3500高溫模擬試驗機對Q460C鋼種高溫塑性區(qū)間進行了測定，深入分析了Q460C鋼的高溫斷裂機理，確定了最佳的鑄坯矯直區(qū)間。研究表明：600 ℃～800 ℃為Q460C鋼的低溫脆性區(qū)，在該區(qū)間斷裂形式以混合斷裂為主；900 ℃～1 050 ℃塑性最好，斷面收縮率在85%以上，此時的斷裂形式為韌性斷裂；在1 050 ℃～1 250 ℃拉伸時斷面收縮率有所降低，但仍在75%以上，通過對其斷口分析發(fā)現(xiàn)其主要原因是Nb(CN)的沉淀析出造成。

Q460C 高溫拉伸 塑性變形 拉伸斷口

AbstractHigh temperature fracture mechanism of Q460C steel is determined by Gleeble - 3500 high temperature simulation test machine, the high temperature fracture mechanism of Q460C steel is analyzed, the optimum straightening interval is determined. Research shows that, the fracture mode is given priory to mixed fracture between 600 ℃～ 800 ℃which is low temperature brittleness zone of Q460C steel; The fracture mode is ductile fracture between 900 ℃～1 050 ℃ in which the plastic is best and reduction area is above 85%; The reduction area is reduced between 1 050 ℃ ～ 1 250 ℃during stretching, but still above 75%, it is found that the main cause of this phenomenon for the precipitate out of Nb (CN) based on the fracture analysis.

KEYWORDSQ460C high temperature tensile plastic deformation tensile fracture

0 前言

Q460C鋼是通過向鋼中添加Nb、V、Ti等微合金元素，并配合控軋控冷工藝生產的新一代微合金鋼高強鋼。由于其具有高強度、高塑性、低溫韌性優(yōu)良、加工性能和焊接性能好、耐磨、耐腐蝕等特點，被廣泛應用于工程機械、煤礦機械、造船和鋼結構等領域[1-2]。

由于Q460C鋼添加了Nb、Ti類微合金元素，這使得該鋼種在連鑄過程中經(jīng)常出現(xiàn)角部裂紋，為進一步研究Q460C鋼的高溫塑性區(qū)間，采用Gleeble-3500熱模擬試驗機對Q460C鋼的高溫塑性性能進行了研究，以期為Q460C的生產提供可靠數(shù)據(jù)。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料的制備

選取某澆次穩(wěn)定生產的第6爐為研究對象，其化學成分見表1，澆鑄過程中拉坯速度為0.76 m/min，澆鑄斷面1 700 mm×260 mm，中間包過熱度為15 ℃，二冷配水量為0.51 L/t。在該爐第5塊鑄坯沿拉坯方向截取250 mm長的鑄坯試樣，進行空冷冷卻，冷卻后，將拉坯方向兩端各切去25 mm，寬度方向兩端各切去450 mm，得到200 mm×260 mm×800 mm試樣，沿中心線切開，得到200 mm×130 mm×400 mm的坯樣，如圖1所示。在距鑄坯中心線65 mm的上、下表面附近取毛坯樣，其尺寸為20 mm×20 mm×200 mm，毛坯樣的長度方向為拉坯方向。將取好的毛坯料采用車床加工成Φ10 mm×120 mm的高溫拉伸試樣，如圖2所示。

表1 Q460C鋼成分表 / %

圖2 拉伸測試樣尺寸

1.2 高溫拉伸試驗方案的制定

高溫拉伸試驗在Gleeble-3500型熱模擬試驗機上進行，選24個測溫點：600 ℃、650 ℃、700 ℃、750 ℃、800 ℃、850 ℃、880 ℃、900 ℃、920 ℃、940 ℃、960 ℃、980 ℃、1 000 ℃、1 050 ℃、1 100 ℃、1 150 ℃、1 200 ℃、1 250 ℃、1 275 ℃、1 300 ℃、1 320 ℃、1 340 ℃、1 360 ℃、1 380 ℃。每個溫度點測定2次，求平均值。試驗溫度在1 050 ℃及其以下時，工藝過程按圖3控制，即：在真空條件下將試樣按15 ℃/s的加熱速度加熱到測試溫度，保溫3 min，以1×10-3/s的應變速率進行拉伸，記錄應力-應變曲線；當試驗溫度在1 050 ℃以上時，工藝過程按圖4控制，將試樣按15 ℃/s的加熱速度加熱到1 050 ℃，保溫1 min，將試樣按2 ℃/s的加熱速度加熱到測試溫度，保溫2 min；以1×10-3/s的應變速率進行拉伸，記錄應力-應變曲線。試樣拉斷后，其中一半試樣用QUANTA400型掃描電鏡(SEM)觀察斷口形貌。

圖3 1 050 ℃以下試驗鋼熱拉伸工藝示意圖

圖4 1 050℃以上時試驗鋼熱拉伸工藝示意圖

2 試驗結果及分析

2.1 屈服強度和抗拉強度隨溫度的變化曲線

Q460C屈服強度和抗拉強度隨溫度的變化趨勢如圖5所示。

圖5 Q460C屈服強度隨溫度變化曲線

從圖5可以看出，屈服強度與抗拉強度的差值隨著溫度的升高逐漸減小。在650 ℃時差值為150 MPa，當溫度升至1 360 ℃時，差值降至5 MPa，這主要是因為隨著溫度的升高，微合金元素原子運動加劇，微合金元素對位錯的釘扎作用減弱所致[3-5]。在600 ℃～850 ℃范圍內，屈服強度和抗拉強度均隨溫度升高而急劇下降，說明在該范圍內，微合金元素的強化作用受溫度變化影響最為明顯。在850 ℃～950 ℃的區(qū)間內屈服和抗拉強度降低速度有所減緩，這可能與該區(qū)間內的奧氏體轉變有關，隨后隨著溫度的增加，屈服強度和抗拉強度降低的速度又有所增加，當溫度超過1 150 ℃，二者的下降趨勢減緩。當溫度在1 200 ℃時，屈服強度和抗拉強度分別為17 MPa和28 MPa?？梢钥闯鲈诟邷叵略撲摲N的強度大大減弱。

2.2 斷面收縮率隨溫度的變化情況分析

試樣拉斷后形貌如圖6所示。試樣拉斷后，采用游標卡尺測量拉伸斷口直徑Φb，進而根據(jù)試樣原始直徑Φ0，計算斷口收縮率ψ，即公式(1)：

(1)

圖6 Q460C鋼高溫拉伸斷口形貌

Q460C鋼在不同溫度下斷面收縮率的變化曲線如圖7所示。

圖7 Q460C鋼的斷面收縮率

從圖7可以看出，在600 ℃～800 ℃范圍內，存在明顯的低溫脆性區(qū)，在該溫度區(qū)間內，Q460C鋼塑性較差，斷面收縮率在650 ℃時僅37.42%，按著文獻[6]的研究結果，微合金鋼斷面收縮率必須>60%才能避免鑄坯角部橫裂紋，顯然在該溫度下不能滿足鑄坯矯直要求。隨著溫度升高，斷面收縮率不斷增大，在900 ℃～1 050 ℃時該鋼的塑性最好，斷面收縮率均在85%以上。斷面收縮率最大時達91.70%，隨后隨著溫度的升高，在1 050 ℃～1 250 ℃斷面收縮率有所降低，但最低收縮率仍在75%以上，在溫度高于1 250 ℃之后，斷面收縮率急劇下降，當升至1 360 ℃時，斷面收縮率降至34.71%。

2.3 斷口形貌及斷裂機理分析

采用掃描電鏡對Q460C鋼的高溫拉伸斷口典型形貌進行了掃描分析，如圖8所示。

(a) 650 ℃

(b) 800 ℃

(c) 960 ℃

(d) 1 200 ℃

圖8不同溫度下實驗鋼的伸斷口形貌

從圖8可以看出，在650 ℃時，Q460C鋼的斷裂形式主要為混合型斷裂，在沿晶斷裂的基礎上分布著少量韌窩，韌窩較小，且不均勻；850 ℃時的斷口仍為混合斷口，但這時韌窩明顯增多，深度增加，大小變的均勻。1 000 ℃時韌窩數(shù)量最多，且大而且比較均勻，其周圍發(fā)生較大塑性變形,表明試樣變形時晶粒內部先形成孔洞,繼而孔洞長大連接形成頸縮直至斷裂,為明顯的塑性穿晶斷裂；1 200 ℃時鋼的韌窩仍然存在，韌窩直徑較大，在韌窩中心可以看到析出物的存在。而且析出相越多時，斷口處韌窩的尺寸越小、越淺，反之，則越大、越深。由此可知，析出物是使鋼的塑性降低根源。

2.4 析出物及其能譜分析

為了分析Q460C鋼析出物的類型和成分，對1 200 ℃的試樣斷口進行掃描觀察并利用其自帶的能譜分析儀對析出物的成分進行分析，析出物形貌如圖9所示。通過對其進行成分分析后發(fā)現(xiàn)該析出物主要為Nb(CN)，結合Nb(CN)的析出熱力學可知，Nb(CN)的最初析出溫度為1 050 ℃，但這時析出物較小為3 nm ～5 nm，不足以影響鋼的塑性，隨著溫度的升高，析出物逐漸增大，到1 200 ℃時，析出物長大至15 nm ～30 nm，在拉伸過程中會在韌窩底部形成微裂紋，進而影響基體的塑性。這與文獻[7]發(fā)現(xiàn)的情況基本相同。

圖9 析出物形貌分析

3 結論

(1) 在600 ℃～800 ℃范圍內，Q460C鋼存在低溫脆性區(qū)，在連鑄坯進行頂彎或者矯直時，必須保證鑄坯角部溫度高于800 ℃，否則會產生角部裂紋。

(2) 在900 ℃ ～1 050 ℃塑性最好，斷面收縮率在85%以上；在1 050 ℃～1 250 ℃的溫度區(qū)間內，Nb(CN)的析出會使鋼的塑性降低，但斷面收縮率仍在75%以上。

(3) 隨著溫度的升高，Q460C鋼的屈服強度和抗拉強度的差值逐漸減少，當溫度由600 ℃升至1 360 ℃時，二者的差值由150 MPa降至5 MPa。

[1] 韓孝永．鈮、釩、鈦在微合金鋼中的作用[J]．寬厚板，2006，12(1)：39-41．

[2] 邱林波.高強結構鋼在建筑中的應用研究現(xiàn)狀[J].工業(yè)建筑,2014,44(3):1-5.

[3] 馮路路．采用TMCP工藝開發(fā)低成本高強鋼Q550[J]．熱加工工藝，2011，17(1)：30-32．[4] 屈立軍,李煥群,王躍琴,等.國產鋼結構用鋼 Q345(16Mn)高溫力學性能的恒溫加載試驗研究[J].土木工程學報,2008,41(7):33-40.

[5] Outinen J.Mechanical properties of structural steels at high temperatures and after cooling down[M].Helsinki University of Technology,2007:332-335.

[6] Suzuki H G,Nishim ura S.Characteristics of Hot Ductility in St eel Subjected to the Melting and Solidification[J].Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan,1982,22(1):48.

[7] 段雙霞,孫建林,李志恩,等.Q460C連鑄板坯的高溫塑性[J].鋼鐵研究學報,2009,21(5):22-25.

RESEARCHONPLASTICDEFORMATIONBEHAVIOROFQ460CATHIGHTEMPERATURE

Gao Fubin1Zhang Shouwei Li Jianwen Jing Zhenquan Ding Jian Zhou Dan

(Handan Steel Company of Hebei Steel group)

2017—5—10