60Mn钢高温力学性能研究

理化检验 - 物理分册 试验与研究
P TCA ( PA R T :A P H YS. TES T. )
2006 年 第 42 卷 3
60Mn 钢高温力学性能研究
吴宗双 , 包燕平
(北京科技大学 , 北京 100083)
摘 要 : 在 Gleeble22000 动态热/ 力模拟实验机上 ,采用凝固法对 60Mn 钢的高温力学性能进行 了研究 。测定了零塑性温度和零强度温度 ,在 4 ×10 - 4 / s 应变速率下 ,所测钢种在熔点至 750 ℃之 间存在两个脆性温度区域 ,即熔点至 1 250 ℃的第 Ⅰ脆性温度区域和 925～750 ℃的第 Ⅲ脆性温度 区域 。在第 Ⅲ脆性温度区域 γ, 单相区的铝 、钛 、铌以 AlN 和 NbN 等氮化物及γ+α两相区先共析 α相呈网膜状在γ晶界的析出是造成钢脆化的主要原因 。通过控制钢中氮 、铝含量 ,采用合理的二 冷方式 ,提高钢种的内在质量 。
WU Zong2shuang , BAO Yan2ping
(U niversity of Science and Technology , Beijing 100083 , China)
Abstract : This paper st udies high temperat ure mechanical performance of 60Mn steel by met hods of solidifying on Gleeble22000 experimental machine. ZD T ( zero ductility temperat ure ) and ZST ( zero st rengt h temperat ure) have been determined. U nder t he st rain rate of 4 ×10 - 4 / s , t here exist two low ductility temperat ure regio ns fo r t he tested wit hin t he temperature range f ro m steel melting point s to 750 ℃, i. e. Region Ⅰf rom t he melting point s to 1 300 ℃and Region Ⅲf ro m 925 ℃ to 750 ℃. In Region Ⅲ, t he ductility lo ss is mainly resulted f rom t he p recipitations of nit rides of Al , Nb , etc. at t he austenite boundaries in single γ p hase temperat ure range and t he fo rmation of t he film2like p roeutectoid ferrites along t he γ grain bo undaries inγ+α two2p hase temperat ure
P 0. 016
S 0. 005
Cr 0. 18
1. 2 测试方法 1. 2. 1 零强度温度和零塑性温度测试
零强度温度 ( TS ) 和零塑性温度 ( TD ) 是钢的基 本物性参数 。这两个参数是衡量钢的裂纹敏感性的 重要判据 。 TD 和 TS 越低 ,裂纹敏感性越高 。零塑 性温度的测定工艺见图 2 。将试样在恒定拉伸速率 (15mm/ s ,即变形速率为 4 ×10 - 4 / s) 下 ,分别加热 到 1 350 ℃,1 380 ℃,1 400 ℃,1 420 ℃和 1 440 ℃(加 热时 ,在 1 300 ℃以下时控制升温速率为 10 ℃/ s ,到 1 300 ℃以上时控制升温速率为 1 ℃/ s) ,将其拉断 , 试样断面收缩率为零的温度就是零塑性温度 。零强 度温度的测定工艺见图 3 。将试样在一个很微小的 拉力作用下升温 (升温速率同上) ,试样被拉断时的 温度就是零强度温度 。
吴宗双等 :60Mn 钢高温力学性能研究
图 1 试样尺寸 (mm) Fig. 1 The size of specimen
表 1 60Mn 钢试样的化学成分
Tab. 1 Chemical co mpo sitions of 60Mn steel %
பைடு நூலகம்
C 0. 61
Si 0. 32
Mn 0. 74
图 6 1 300 ℃拉伸试样断口的显微组织 Fig. 6 Micro st ruct ure of f ract ure surface
fo r t he tensile specimen (1 300 ℃)
γ晶界析出 ,在这一温度区间 α, 相强度只是γ相的 1/ 4 ,在外力作用下 ,变形主要集中在沿γ 晶界析出 的α相中 ,使α相中存在的微小孔洞和裂纹聚合 、长 大 ,最后导致晶界断裂[3 ,4] 。该区域钢的脆化与γ 晶界析出的α相的形态尺寸有关 ,α相呈细薄网膜 状时脆化最为严重 ,图 7 为试样断口的扫描电镜照 片 ,从图中看到 ,断口中存在大量直径为数微米凹凸 不平的浅窝 。证明在这一钢的低塑性 Z 温度区域 , 试样是沿晶界断裂的 。
图 2 零塑性热模拟试验工艺 Fig. 2 The p rocess of t hermal simulative test
of zero ductility
1. 2. 2 力学性能测试 测试高温应力应变时 ,试样采用水平放置方式 ,
中部套上 < 10. 2mm ×30mm 的石英管 。试样夹持 好后 ,试样室通入 1L/ min 的氩气流防止氧化 。根 据试验钢的液相线温度约 1 490 ℃为标准 ,将试样以 10 ℃/ s 的速度加热至 1 500 ℃。当温度接近液相线
图 3 零强度热模拟试验工艺 Fig. 3 The p rocess of t hermal simulative test
of zero st rengt h
时 ,应采用较缓慢的升温速度 (1. 5 ℃/ s) ,并施加很 小的压缩应力 (或 1 %～2 %的压缩应变) 以防止孔 洞出现 。在 1 500 ℃保持 1min ,然后以 1. 5 ℃/ s 的 速度降温 ,接近测试点上 50 ℃时 ,以 0. 2 ℃/ s 的速 度降温到测试温度 ,保持 1min 后以确定的形变速 率对试样进行拉伸直至断裂 。温度及形变制度示于 图 4 。试样拉断后 ,立即对拉断部位喷水冷却 ,以保 持试样的断口原貌 。测量拉断部位的截面积 ,以计 算断面收缩率值 ,并记录试样断裂时的强度极限 。
图 4 拉伸试验的温度制度与形变制度 Fig. 4 The system of temperat ure and defo rmations
of tensile test
试验的温度步长主要依据碳含量来确定 。但为 稳妥起见 ,温度步长应适当减小 。具体确定的温度 步长为 : 1 400 ～ 1 050 ℃, 温度差为 50 ℃; 1 050 ～ 750 ℃,温度差为 25 ℃;750～600 ℃,温度差为 50 ℃。 根据试验钢表面形变速率和固/ 液相形变速率的范 围来确定试样的形变速率 ,取 4 ×10 - 4 / s 。
2 试验结果及分析
2. 1 零强度温度和零塑性温度 零强度温度和零塑性温度是衡量材料高温行为
的重要参数 。前者表征固液界面刚凝固的金属开始 具有抵抗外力作用的温度 ,后者表征已凝固的金属 开始具有抵抗变形 能力 的温 度 。试验 测定 TS = 1 400 ℃,而 TD = 1 380 ℃。在 TS 至 TD 钢具有一定 的强度 ,但无抵抗塑性变形能力 ,是裂纹敏感区 。只
关键词 : 断面收缩率 ; 60Mn 钢 ; 高温性能 塑性区
中图分类号 : T G113. 25 文献标识码 : A 文章编号 : 100124012 (2006) 0320116203
S TUD Y ON H I GH T EM P ERA TU R E M EC HAN ICAL P ER FO RMANCE O F 60Mn S T EEL
收稿日期 :2005205220 作者简介 :吴宗双 (1972 - ) ,男 ,工程师 。
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1 试验方法
试验是在 GL EEBL E22000 热/ 力模拟试验机上 进行 60Mn 钢高温性能的测试 ,同时借助光学显微 镜和扫描电镜对组织和断口形貌进行观察和分析 。 因凝固法测定钢的高温力学性能比加热法更接近生 产实际状况[1] ,试验采用凝固法 。 1. 1 试验试样
range. By taking measures of p recisely co nt rolling steel N , Al concent ratio ns and adopting reasonable secondary cooling pattern interio r quality of steel will be advanced.
Key words : Shrinkage o n cro ss section ; 60Mn steel ; High temperat ure perfo rmance ; Ductility regio n
马钢圆坯连铸机能生产国内直径最大的圆坯 ( < 450mm) ,主要用于生产 60Mn 钢 。为提高钢的 质量 ,笔者利用 GL EEBL E22000 热/ 力模拟试验机 对高碳钢的高温性能进行了一系列试验 ,其结果除 了直接确定钢的高温强度和断面收缩率之外 ,还可 为铸坯应力应变数值模拟提供基本物性参数 (零强 度温度 、零塑性温度) 。为改进 60Mn 钢的质量提供 了可靠的数据 。
高温 性 能 测 试 用 试 样 取 自 马 钢 连 铸 圆 坯 ( < 450mm) ,在铸坯距表面 1/ 4 处取样 ,试样的长度 方向沿铸坯径向 ,与柱状晶成长方向平行 。试样尺
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寸为 < 10mm ×120mm (见图 1) 。试验钢种为 60Mn 钢 ,化学成分见表 1 。
图 5 试样断面收缩率及强度随温度的变化 Fig. 5 Hot ductility and st rengt h curves for t he specimen
在试验温度范围内试样出现了两个脆性温度 区 : ①高温下的脆性温度区为 1 300 ℃至熔点 Tm , 在此范围内钢的延性和塑性很低 ,其脆性的表现主 要是沿枝晶界面的延伸 ,钢中杂质增多时 ,枝晶之间 存在的液膜使钢的凝固点降低 ,使脆性向低温区延 伸 。在 1 300 ℃温度下将试样急冷得到马氏体 + 细 珠光体 + 少量铁素体组织 ,见图 6 。
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吴宗双等 :60Mn 钢高温力学性能研究
有降至 TD 温度 ,钢的塑性才开始急剧增加 ,抵抗变 形能力增强 。 2. 2 高温力学性能的特征曲线
不同温度下的强度极限 (σb ) 及断面收缩率 ( Z) 是表明钢的高温力学性能优劣的两个重要指标 ,热 塑性曲线 ( Z～ T) 及强度曲线 (σb ～ T) 是钢的高温力 学性 能 的 特 征 曲 线 。按 前 述 方 法 和 要 求 , 在 Gleeble22000 试验机上进行拉伸试验 ,测得试验钢 在应变速率为 4 ×10 - 4 / s 条件下的高温特征曲线见 图 5 。图 5 为试样拉断时断面收缩率 ( Z) 和强度随 温度的变化情况 。可以看到 ,试样的抗拉强度随温 度的降低而逐渐升高 。试样拉断时的断面收缩率 ( Z) ,在 1 350 ℃附近 , Z 值很低 ,随温度的降低 , Z 上 升很快 ,在 1 250～925 ℃之间 ,试样具有良好的塑 性 , Z 值在 66 %以上 ,温度降到 925 ℃以下后 , Z 值 再次降低 ,进入了通常所称钢的第 Ⅲ脆性温度区 ,在 825 ℃时 , Z 值降到最低点 (26. 0 %) ,其后随温度的 进一步降低 Z 值又回升 。