2014, Vol. 5引用本文 |
| 含铌、钒、钛EQ47海洋平台用钢的高温塑性研究 |  [PDF全文] |
2. .新余钢铁集团技术中心，江西 新余338000
2. Technology centerof Xinyu Iron and Steel Group Co. Ltd.，XinYu 338000 China
在生产连铸坯的过程中，裂纹是铸坯的主要缺陷之一.在坯壳凝固的过程中，有可能产生表面裂纹或内部裂纹，产生裂纹的原因可能有设备、凝固条件、工艺操作等多方面的因素，但最本质的影响因素是连铸生产过程中钢的高温力学行为，即温度对钢的强度和塑性的影响[1].所以对钢的高温力学性能有充分的认识，才能在工艺方面采取正确的操作，对防止连铸坯生产过程中裂纹的产生有重要意义.
1 研究方法本研究的对象属于海洋平台用钢，海洋平台支撑的各种设备总质量超过数百吨[2]，由于石油资源短缺和油价的上涨，海洋石油开采越来越占有重要地位，使得海洋工程用钢的需求量不断提高[3]，同时对海洋平台用钢的质量要求也越来越高.建造海洋平台用的钢板主要为360 MPa级，少量的为400 MPa级和极少量的超高强度船板[4].460 MPa级海洋平台钢的级别可达到460 MPa.
针对含铌、钒、钛EQ47海洋平台用钢进行研究，钢种成分如表 1所示，采用热模拟实验方法对其高温力学性能进行研究，为优化连铸生产工艺参数奠定实验基础.
| 表1 EQ47钢的主要化学成分/% |
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1.1 试样制备
在含铌、钒、钛EQ47海洋平台用钢的钢板上取制试样，试样的长度方向与拉坯方向垂直，试样加工规格为φ10 mm×110 mm且两头为M10 mm×1.5 mm的螺纹的标准圆柱形试样.
1.2 试验装置制备好的试样放在Gleeble-1500D热模拟机上进行试验.试验在真空的状态下进行，试样水平放置.在安装试样之前，在试样中间用高压电弧焊机焊上一对镍硅镍铝热电偶.焊接好了放置于热模拟试验机中按操作规程进行热模拟试验.
1.3 测试步骤（1）试样放置好后，抽真空，以10 ℃/s的速度加温至1 350 ℃并保温3 min，再以3℃/s的速度降至试验温度，保温1 min后，以1×10-3/s的形变速率进行拉伸变形，直至试样拉断.（试验温度点：600 ℃，650 ℃，700 ℃，750 ℃，800 ℃，850 ℃，900 ℃，950 ℃，1 000 ℃，1 050 ℃，1 100 ℃，1 150 ℃，1 200 ℃，1 250 ℃，1 300 ℃和1 350 ℃）
（2）测量拉断部位的横截面直径，计算断面收缩率.
（3）统计试样的强度变化，作出高温塑性曲线，分析脆性区间.
1.4 断口形貌分析在扫描电镜下观察断裂试样的断口形貌，分析断口形貌类型及断裂机理，判断是否存在第二相粒子.结合EQ47海洋平台用钢合金元素Nb、V、Ti的含量，分析其对试样高温塑性的影响.
2 试验结果由热模拟试验所得数据绘制高温塑性曲线，如图 1所示.
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| 图 1 EQ47钢的高温塑性曲线 |
由图 1的断面收缩率曲线可知，含铌、钒、钛EQ47海洋平台用钢零塑性温度为1350 ℃，在1 350~1 150 ℃，随着的温度的下降，断面收缩率急剧上升；在1150~950 ℃，断面收缩率比较平稳，在950 ℃以下，断面收缩率急剧下降，至750 ℃时断面收缩率（RA）降至最低点，达到29.44 ％；温度继续下降，RA又有所上升，至600 ℃时RA升至69.75 ％.
以RA=60 ％作为临界点来判断钢的高温塑性[5]，那么含铌、钒、钛EQ47海洋平台用钢的第Ⅰ脆性温度区间为1 270~1 350 ℃，600~900 ℃为钢的第Ⅲ脆性区间，900~1270 ℃为钢的高温塑性区.
3 钢的断裂机理分析 3.1 1 270~1 350 ℃的断裂机理分析在此温度区间内，断裂主要是是受液相的影响.由在1 350 ℃试验的代表试样断口形貌图 2（d）可知，在晶界处有由熔化而导致的小洞与裂缝，这说明了试样在升温时产生液相，在凝固收缩的过程中形成小洞与裂缝.再者，此区间的温度高，晶界处有磷、硫等低熔点杂质，晶界处容易形成液膜，所以此温度区间的断裂是沿晶断裂.
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| 图 2 钢分别在750 ℃、900 ℃、1150 ℃、1350℃拉伸时的断口形貌 |
3.2 1 270~900 ℃的断裂机理分析
在这一温度区间内，试样的断面收缩率都在60 ％以上，试样的塑性较好.由950 ℃、1 250 ℃代表试样的断口形貌图 2（b）和图 2（c）可知，断口处都有韧窝存在.这可能受两方面的影响，第一个方面是试样在拉伸试验的过程中，由于发生晶界滑移而阻止裂纹的聚合长大，这样提高了钢的高温塑性；第二方面的原因是在此温度区间内，有液相存在，又发生动态再结晶，会提高钢的高温力学性能[6]，所以提高了钢的高温塑性.综上所述，所以此温度区间的断裂存在穿晶断裂.
3.3 900~600 ℃的断裂机理分析此温度区间属于钢的第Ⅲ脆性区间，在塑性低谷极低值750 ℃时的断面收缩率仅为29.44 ％，在750 ℃周围，塑性普遍都比较差.由图 2（a）给出的750 ℃时断口形貌可知，断口形貌为冰糖状，断裂周围基本没发生塑性变形，表现出极差的塑性.
在这一温度区间，存在奥氏体单项、铁素体单项、奥氏体铁索体两相区的三相区.随着温度降低，奥氏体晶界开始有微细铁素体析出，并且在奥氏体晶界形成向奥氏体内部发展的铁素膜，由参考文献可知，在拉伸的过程中，铁素体的强度只是奥氏体相的1/4，所以在拉伸变形应力的作用下，铁素体会出现空洞[7].在晶界发生滑移的情况下，当晶内的形变与晶界处的形变不能协调时，就会在晶界处形成裂纹，特别是当晶界处存在硫化物夹杂和微合金析出物时，会导致应力更加集中在晶界粒子上，会产生沿晶断裂.再者，在温度升高的过程中，晶界滑移也增多，发生裂纹的趋势也增加.所以发生了沿晶断裂.
4 铌、钒、钛对钢的高温塑性的影响理论分析 4.1 Nb及其化合物对高温塑性的影响含铌、钒、钛EQ47海洋平台用钢是含Nb钢种（Nb％=0.025）.Nb在实际生产中可以影响连铸坯的质量，因为Nb可以与钢中C、N结合成高熔点化合物，那么当连铸生产的温度降到奥氏体相区低温域时，钢中Nb的C、N化物会由γ晶析出，使钢的高温塑性降低，可能会导致实际生产中连铸坯的裂纹频繁出现[8-10].同时，还有研究[11]指出，在含镍钢的连铸过程，0.01 ％的铌都会诱发裂纹的产生.
Nb在钢中的析出温度可由欧文公式计算[12]：
log（Nb％）（C％+（12/14）N％）=-6 670/T+2.26
可得：Nb在钢中固溶析出（奥氏体中析出）的温度为1 398 ℃.说明在整个试验过程中，都有可能有Nb在奥氏体中析出.由于Nb可与钢中C、N结合成强的化合物，所以Nb在奥氏体中可以以C、N化合物的形式析出.Mintz[13]在研究Nb钢的高温力学性能时发现Nb（CN）在1 150 ℃以上的温度是固溶的，所以在1 150 ℃以上对钢的塑性无影响.有学者研究表明[14]，铌的C、N化合物在1 000 ℃以下时才会析出而对钢的高温塑性产生影响.
在试验过程中，当试验温度大于1 150 ℃时，Nb是固溶的，对钢塑性影响较小.在1 000~750 ℃之间，试验的断面收缩率表现出随温度下降而降低的趋势.在这个温度区间，由于铌的C、N化合物（NbC、Nb（CN））的沿晶界析出而抑制钢的动态再结晶，随着温度降低，大量Nb的化合物沿晶界生长，且部分生长成粗大的晶界析出物.这会造成晶界的应力集中，析出物粒子会阻碍滑界面滑移，造成晶界破坏而降低钢的高温塑性，所以导致钢的高温塑性在1 000~750 ℃之间的降低.
4.2 Ti及其化合物对高温塑性的影响含铌、钒、钛EQ47海洋平台用钢中Ti含量为0.015％，Ti及其化合物对钢的高温塑性会产生重大影响.在钢中加入微合金Ti会减少A1N的在晶界的析出量从而减少A1N对高温塑性的不利影响，使钢的高温塑性得到改善.Ti较Nb、V、A1会优先与N结合，从而使Nb、V、A1的C、N化物的析出受到抑制，有利于钢的高温塑性提高.
钢中的钛会与氮反应生产TiN、Ti（CN），某些析出物会细化奥氏体晶粒，对高温塑性产生积极影响.同时，Ti元素会促进铁素体在晶界、晶内同时析出，促进了实验钢在750 ℃以下温度的高温塑性回复.
但随着温度的降低，钛的析出物会逐渐增多，对钢的高温塑性产生不利影响.钛析出物的尺寸越小，对钢的高温塑性破坏就越大，因为细小的晶界析出物对钢奥氏体的晶界迁移起到钉扎作用，而使钢的塑性降低[15]；细小的析出物会占据奥氏体在结晶过程中的形核点，达到抑制动态再结晶的目的[16].
一般认为，钢中TiN的析出温度低于钢的固相线温度[17]，固相线温度计算公式[18]：
Ts=1 536-（267.761（C）+14.929（Si）+9.048（Mn）+581.437（P）+1 014.005（S））
由此可计算Ts=1 481 ℃.说明在试验温度范围内都有可能有TiN的析出，但TiN析出物颗粒大且在钢中零星分布，对钢的高温塑性一般无不良影响.而且TiN的还可以作为Nb、V的C、N化物的析出核心，从而减少微细Nb、V析出物的数量，对钢的塑性产生积极作用.但如果TiN的析出时间较长，也会产生沉淀强化作用，阻碍奥氏体晶界滑移，降低材料的高温塑性.所以1 150~1 100 ℃的断面收缩率会降低.
4.3 Nb、Ti综合作用对高温塑性的影响由于钢中的氮会优先与钛反应而后与铌反应，所以钢中的钛会抑制Nb （CN）的析出.这样就可以将对钢的高温塑性不良影响降到最低.
为了提高含铌、钒、钛EQ47海洋平台用钢钢种的高温塑性，针对Nb及其化合物的不良影响，在实际生产中有两条技术措施可以运用[12]：第一，控制好合适的拉坯速度和连铸坯冷却速度，通过矫直机是避开钢的低塑性温度区间；第二，加入少量的钛合金，改变含铌钢的析出物形态.而本实验含铌、钒、钛EQ47海洋平台用钢中含有0.015 %的钛.
4.4 V及其化合物对高温塑性的影响有学者研究表明[14]，V的氮化物析出温度在925 ℃以下，由于V的氮化物析出，会在晶界处聚集，产生应力集中而导致晶界破坏，这是900 ℃的高温塑性比1 000 ℃的高温塑性要低的原因，也是导致900 ℃的端口形貌有小而浅的韧窝的原因之一.在第Ⅲ脆性区间，会有V的碳氮化物的析出，由于低温析出物的尺寸较少，会对晶界滑移起着钉扎作用，而成为断口形貌（750 ℃）产生微小空洞的因素之一，从而最终会导致穿晶断裂.
但由于Ti元素的存在，由于Ti会优于V与氮结合，所以会对V的氮化物的析出产生一定抑制作用，这是对高温塑性有利的.
5 结论（1）在应变速率为1×10-3/s的拉伸试验中，钢存在2个脆性区间，即第Ⅰ脆性温度区间为1 270~1 350 ℃，第Ⅲ脆性区间为600~900 ℃.
（2）从含铌、钒、钛EQ47海洋平台用钢的断口形貌上看，钢的断裂形式有穿晶断裂和沿晶断裂两种形式，在1350 ℃的断口形貌中有小洞和裂纹，这说明钢的高温塑性受到晶界的杂质和析出物的影响.
（3）对钢中所含铌、钒、钛的分析，它们都对钢的高温塑性在不同的温度段产生不同的影响.铌及其C、N化合物（NbC、Nb （CN））会导致钢的高温塑性在1 000~750 ℃之间的降低；V的氮化物析出是900 ℃的高温塑性比1 000 ℃的高温塑性要低的原因之一，也是900 ℃的端口形貌有小而浅的韧窝的因素之一，在第Ⅲ脆性区间，V的氮化物析出是导致断口形貌（750 ℃）产生微小空洞的因素之一，从而使其最终导致穿晶断裂；Ti会较Nb、V、A1优先与N结合，从而使Nb、V、A1的C、N化物的析出受到抑制，从而对钢的塑性产生积极作用，促进了实验钢在750 ℃以下高温塑性回复，但TiN的析出导致1 150~1 100 ℃的断面收缩率会降低.
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