有色金属科学与工程  2015, Vol. 6 Issue (4): 58-61
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唐晶, 赖朝彬, 陈英俊, 孙乐飞, 刘敏. E690海洋平台用钢的高温塑性研究[J]. 有色金属科学与工程, 2015, 6(4): 58-61. DOI:10.13264/j.cnki.ysjskx.2015.04.012.
TANG Jing, LAI Chaobin, CHEN Yingjun, SUN Lefei, LIU Min. High temperature ductility of offshore platform steel E690[J]. Nonferrous Metals Science and Engineering, 2015, 6(4): 58-61.DOI: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2015.04.012.
E690海洋平台用钢的高温塑性研究[PDF全文]
唐晶1, 赖朝彬1 , 陈英俊2, 孙乐飞2, 刘敏1    
1. 江西理工大学冶金与化学工程学院，江西 赣州 341000;
2. 新余钢铁集团，江西 新余 338000
基金项目：“十一五”国家科技支撑计划重点项目（2008bae68b00）；“赣鄱英才555工程”领军人才培养计划资助项目
通信作者：赖朝彬（1964-），男，博士，教授，从事钢的新品种开发研究，E-mail：lcb5115@126.com
作者简介： 唐晶（1985-），男，硕士研究生，从事海洋平台钢方面研究，E-mail：717608464@qq.com
收稿日期：2014-12-10
摘要：在Gleeble-3800热应力-热模拟实验机上对某钢厂生产的E690海洋平台用钢连铸坯进行高温力学性能测试，得到了600~1 350 ℃的高温强度和高温塑形曲线图.实验结果表明：随着拉伸温度的升高，实验用钢的抗拉强度逐渐降低，高温塑性良好，高塑性区较宽，本实验用钢800~950 ℃时有一个塑性低谷，为第3脆性区.金相显微镜和扫描电镜观察得知：本试样钢在1 300 ℃以下范围内以穿晶断裂为主，1 300~1 350 ℃时，试样以熔融断裂为主，表明钢的高塑性区范围较宽，高温塑性良好.
关键词： 连铸板坯    E690钢    高温塑性    断口形貌    
High temperature ductility of offshore platform steel E690
TANG Jing1, LAI Chaobin1 , CHEN Yingjun2, SUN Lefei2, LIU Min1    
1. School of Metallurgical and Chemical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou341000, China;
2. Xinyu Iron and Steel Group Co.Ltd, Xinyu 338000, China
Abstract: The high-temperature mechanical properties of offshore platform continuous casting steel slabs E690 were tested on thermal stress-thermal simulation device (Gleeble-3800) and the high-temperature strength curve and high-temperature ductility curve from 600 ℃ to 1 350 ℃ was obtained. Results show that with the increase of stretching temperature, the tensile strength of the experimental samples decreases; the high -temperature ductility becomes better, and the high ductility region gets wider. A ductility trough is observed between 800 ℃ and 950 ℃ which is the third brittle zone. Metalloscope and scanning electron microscope were used to observe the situation of brittle fracture. The results show that transgranular fracture dominates below 1 300 ℃, while melting fracture dominates with the temperature from 1 300~1350 ℃, which means that the high ductility region is wide and the high-temperature plastic is fine.
Key words: continuous casting billet    E690 steel    high temperature plasticity    appearance of fracture    

E690钢属于低碳微合金化钢，常用于海洋平台的建造，由于海洋平台特殊的工作环境，因此，E690钢在强度、韧性都须达到较高的质量标准.

对钢的高温塑性进行研究，就能对它在连铸时的二冷制度确定及优化提供依据，进而对钢的表面质量进行控制，它是影响钢在连铸过程中是否产生裂纹的重要因素之一.连铸坯的质量优劣会显著影响钢材的质量.目前连铸坯生产中存在的质量问题50 %以上都是由裂纹缺陷造成的[1]，低碳微合金钢在连铸时常见的质量缺陷有横裂纹和角部裂纹[2].要减轻或避免铸坯裂纹产生，在生产时采取合理的连铸工艺尤其是二冷制度是一个关键手段.要设计合理的连铸工艺，就要对钢种的高温力学性能有充分的认识.

本文对某钢厂生产的E690钢的高温塑性进行测试，对E690铸坯裂纹的形成机理进行分析，从而对E690钢连铸生产的二冷制度的确定及对避免铸坯裂纹产生提供理论上的指导.

1 研究内容和研究方法 1.1 连铸坯试样相关参数

本试验采用美国DSI公司的Gleeble-3800热模拟机进行高温拉伸试验.为保证试验结果的可靠性，在连铸坯窄面1/4处取样、并避开距离表面20 cm和距离中心50 cm处，沿拉坯方向取样，取样位置如图 1所示.

图 1 取样位置图 Fig. 1 Schematic diagram of sampling position

从板坯上取下试样后，放到车床上加工成标准样.最终的尺寸为10 mm×10 mm，试样两端的螺纹为M10 mm×10 mm.试验尺寸如图 2，试验用E690钢的化学成分见表 1.

图 2 试样尺寸图 Fig. 2 Schematic of tensile specimen

表1 试验钢E690的化学成分/wt% Table 1 Chemical composition of the tested /wt%
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1.2 研究方法

试验在600~1 350 ℃范围内，每隔50 ℃选取一个温度点进行高温拉伸试验.试验时，在Gleeble试验机内用20 ℃/s的加热速度将试样加热到1 350 ℃，并保温1 min促进其均相溶解，然后以3 ℃/s速度降至试验温度，保温1 min，然后以1×10-3/s应变速率拉至断裂.试样拉断后空冷至室温，并测量试样的断面收缩率.实验方案如图 3所示.

图 3 拉伸试验方案图 Fig. 3 High temperature mechanical property test process

2 试验结果及分析 2.1 塑性和强度曲线

钢的高温塑性主要依靠钢的断面收缩率来衡量，断面收缩率低，铸坯对裂纹就越敏感，断面收缩率高，铸坯对裂纹不敏感，在连铸生产中就不容易产生裂纹.

将试验时、试验后统计并记录的断面收缩率、抗拉强度等数据绘制成曲线，如图 4所示.E690钢的断面收缩率在600~900 ℃范围内从77.71 %缓慢降至64 %，变化不大；从950 ℃开始，试样的断面收缩率从68.86 %快速升高至1 100 ℃的90.01 %，达到最高；1 150~1 200 ℃，断面收缩率稳定在76 %水平；1 250 ℃以后，断面收缩率开始显著下降至1 350 ℃的26.04 %，直至1 400 ℃时，试样的塑性接近于零.断面收缩率是衡量金属高温塑性的重要参数，一般认为断面收缩率高于60 %时，铸坯的高温塑性良好，不易产生裂纹；断面收缩小于60 %时塑性较差.本试样第3脆性区塑性较好的原因是由于钢中C、N含量低，在晶界析出的碳氮化物的量少，有效抑制了晶粒的粗大化，从而提高了钢的高温塑性.

图 4 E690钢的高温塑性和抗拉强度曲线 Fig. 4 Thermoplasticity and strength curves of E690 steel

抗拉强度是钢在高温下不产生裂纹的最大允许应力值，是抵抗裂纹产生和扩展能力的体现，钢在连铸过程中，如果某点的应力值超过该点对应的抗拉强度，就会产生裂纹.由图 4可知，钢的抗拉强度随温度的升高而降低，600~900 ℃范围内，抗拉强度从393.11 MPa迅速降至104.73 MPa.900~1 100 ℃，抗拉强度从104.73 MPa降至33.18 MPa，降幅较大.1 100 ℃以后，试样抗拉强度降低的速度减小，1 400 ℃时，抗拉强度降至接近于零.

2.2 断口形貌

在高温塑性的研究分析中，一般是以断面收缩率60 %为标准来区分高塑性区跟低塑性区，但本试样的高温塑性整体较好，若选取60 %作为区分高塑性区与低塑性区的标准，将找不到第3脆性区.若将68 %作为区分高塑性区与低塑性区的指标，能找出一个类似于第3脆性区的塑性低谷，故本实验选取68 %作为标准来区分高塑性区与低塑性区.

1）第3脆性区.通过分析试样的塑性曲线，可知800~950 ℃温度区间内试样的断面收缩率在68 %以下.选取900 ℃拉断试样断口进行分析，从图 5（a）中可看出：900 ℃时，试样的部分区域呈冰糖状，表明此处的塑性较差，此处为沿晶断裂.另外，试样中小部分区域呈韧窝状，表明此处为穿晶断裂，但韧窝较浅.在此温度区间内，试样的断裂机理既有沿晶断裂，也有穿晶断裂，所以试样的断面收缩率在68 %以下，但收缩率的最低处较高.第3脆性区形成原因如下：一方面是AlN在钢中析出.另一方面是由于α铁素体在γ→α相转变时，在晶界析出.由于α铁素体强度只有奥氏体的1/4，所以当外力超过α相的临界应力时，裂纹就会长大，最终导致试样沿晶界断裂[3-6].

图 5 E690钢的断口形貌图 Fig. 5 Fracture morphologies of E690 steel sample drawn at different temperatures

2）塑性良好区.950~1 290 ℃温度区间为试样的塑性良好区.从塑性曲线上分析，此温度区间的断面收缩率一直位于68 %上方，塑性良好.选取此温度区间的1 100 ℃试样断口进行观察，如图 5（b）所示，可观察到断口处分布了大量大小不一，但都较深的韧窝，此时试样为穿晶断裂.在塑性良好区内，试样的塑性良好区内，试样的塑性良好是由于在此温度区间内发生了动态再结晶.在高温下试样形变时晶界迁移，微裂纹的长大被阻止.再结晶新晶粒形成时，晶界在高温应变下发生迁移.在此温度区间内晶界迁移的速度超过晶界滑移，将晶界上的裂纹包含在晶体内[7-8].从而晶界上的裂纹减少，提高了高温塑性.

3）第1脆性区.1 290 ℃~熔点为试样的第1脆性区，在此温度区间内，温度升高，试样的塑性迅速降低.选取此温度区间内的1 300 ℃试样断口观察，可观察到试样断口处较平滑，且能观察到细小的裂纹，表明此时试样发生了熔化.图 5（c）中断口形貌表明此温度区间内试样为沿晶断裂.此温度区间内，O、P、S等元素在晶界富集，在晶界处形成液膜.从而在晶界处形成裂纹，由于裂纹在应变过程中长大，降低了试样的塑性[9].枝晶间的液膜是造成铸坯裂纹的根源.因此，降低钢中O、P、S等元素的含量、并保证坯壳的传热均匀，就能在根源处减少铸坯裂纹、提高铸坯质量[8].

本试样的高温塑性较好的原因是由于钢中的C、N含量低及在钢中加入了微量的Ti.根据倪有金等的研究，奥氏体晶界铁素体大量析出AlN，在晶粒间形成空洞，造成钢的高温塑性降低[10].钢中含少量的Ti、Nb能抑制MnS和AlN在奥氏体晶界析出，从而改善钢的高温塑性.Ti的微合金化能明显改善钢的高温塑性.根据Suzuki等的研究，Ti在微合金状态下，能使析出位置有原奥氏体晶界变为奥氏体晶粒内部，对钢的高温无不良影响[11-18].综上所述，本试样由于在高温时析出了TiN，减少了AlN析出，对钢的高温塑性有所改善，使得本试样的高温塑性较好.图 6所示为析出物的形态及EDAX能谱分析.

图 6 析出物的形态及EDAX能谱分析 Fig. 6 Form of a precipitate and EDAX energy spectrum analysis

铸坯裂纹是在通过结晶器时，产生于枝晶晶界的液膜，温度处于第1脆性区.在冶炼时降低O、P、S的含量，就能阻止裂纹的生成.在钢坯矫直时避开第3脆性区，裂纹产生概率降低，铸坯质量提高.

3 结论

1）E690海洋平台用钢的高温塑性较好，800~950 ℃时，试样有一个塑性低谷，为第3脆性区.

2）950~1 100 ℃温度范围内，由于发生了动态再结晶，试样的塑性明显升高.

3）1 290 ℃后，由于晶界处形成液膜及晶界处有硫、磷等低熔点杂质，试样沿晶界开裂，试样的塑性显著下降.

4）为保证E690海洋平台用钢的高温塑性，生产中，矫直温度应在950~1 000 ℃.

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