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為了有效提高連鑄坯的質(zhì)量，減少裂紋的產(chǎn)生，需要對(duì)45鋼連鑄坯的高溫力學(xué)性能進(jìn)行模擬研究，對(duì)連鑄工藝的控制有著重要的指導(dǎo)意義。

某鋼廠45鋼連鑄坯常出現(xiàn)表面裂紋和內(nèi)部裂紋，用熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)45鋼進(jìn)行了高溫拉伸試驗(yàn)，分析了45鋼連鑄坯的高溫脆性溫度區(qū)，結(jié)果可為45鋼連鑄坯拉坯及矯直工藝的制訂和優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以防止連鑄坯裂紋的產(chǎn)生。

1、試驗(yàn)方法

在45鋼連鑄坯的縱向取樣，試驗(yàn)時(shí)將鑄坯加工成規(guī)格為10mm×120mm(直徑×高度)的圓棒試樣，試樣加工尺寸如圖1所示，圓棒長(zhǎng)度方向?yàn)槔鞣较颉?/span>

高溫拉伸試驗(yàn)溫度為600~1350℃，每次試驗(yàn)的溫度間隔為50℃，試驗(yàn)過(guò)程中采用氬氣保護(hù)，可以防止氧化。在拉伸過(guò)程中，試樣的應(yīng)變速率參照實(shí)際45鋼連鑄坯的應(yīng)變速率進(jìn)行設(shè)定，選用的應(yīng)變速率1×10-3s-1。為了保證試樣溫度的均勻性，先以10℃/s的升溫速率將溫度升高到1200℃，再以5℃/s的升溫速率將溫度升高到1350℃，保溫1min，然后以3℃/s的降溫速率將溫度降到預(yù)定的測(cè)試溫度，保溫1min，以1×10-3s-1的應(yīng)變速率拉伸試樣，直至試樣斷裂。試樣的加熱工藝試驗(yàn)過(guò)程如圖2所示，試驗(yàn)后計(jì)算其高溫抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率，并借助光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡及能譜儀對(duì)斷后試樣的微觀形貌進(jìn)行分析。

2、試驗(yàn)結(jié)果

2.1 45鋼連鑄坯的高溫抗拉強(qiáng)度極限及斷面收縮率

根據(jù)不同試驗(yàn)溫度下獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的高溫抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)，整理得到45鋼的高溫抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率與溫度的關(guān)系(見(jiàn)圖3)。從圖3可以看出：高溫抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高而逐漸降低，這是因?yàn)殡S著溫度的升高，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，位錯(cuò)減少，原子移動(dòng)較為容易，從而抗拉強(qiáng)度降低。從變化趨勢(shì)上看，溫度小于900℃時(shí)，隨著溫度的升高，其抗拉強(qiáng)度下降得相對(duì)較快，而在溫度大于900℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度下降得相對(duì)緩慢一些。

一般認(rèn)為，斷面收縮率小于60%時(shí)為脆性區(qū)。從圖3可以看出：45鋼有兩類(lèi)脆性溫度區(qū)，1200~1350℃為第一類(lèi)脆性區(qū)，600~900℃為第二類(lèi)脆性區(qū)。在溫度為950~1200℃時(shí)，45鋼有良好的塑性，斷面收縮率均大于60%。

2.2 拉伸試驗(yàn)后試樣的微觀形貌

用光學(xué)顯微鏡對(duì)拉斷的7根45鋼連鑄坯試樣進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)試樣中均明顯分布著 MnS夾雜。將試樣用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕后，發(fā)現(xiàn)鐵素體沿原奧氏體晶界析出，形成鐵素體網(wǎng)，MnS夾雜集中分布在鐵素體相中，同時(shí)伴隨出現(xiàn)了橙色的多邊形碳氮化物，沿夾雜相可見(jiàn)明顯拉伸開(kāi)裂。650℃和850℃時(shí)拉伸試樣的顯微組織形貌如圖4所示。由圖4可知：45鋼連鑄坯的原始晶界上明顯有MnS夾雜偏聚和碳氮化物析出，降低了鋼的塑性。在拉伸過(guò)程中，試樣在較低的變形程度下發(fā)生了斷裂，因此在溫度為600~900℃下試驗(yàn)所得試樣的整體斷面收縮率較小。

用掃描電鏡及能譜儀對(duì)不同脆性溫度區(qū)的拉伸試樣斷口進(jìn)行分析。第一類(lèi)脆性溫度區(qū)為高溫區(qū)，也稱(chēng)為熔點(diǎn)脆化區(qū)。在溫度大于1200℃時(shí)，45鋼連鑄坯的塑性急劇下降。在高溫區(qū)，斷口較平滑，呈液相凝固自由收縮特征，晶粒細(xì)小，沿晶界液膜處斷裂。溫度為1300℃時(shí)的試樣斷口SEM 形貌及能譜分析結(jié)果如圖5所示，高溫下斷口局部熔化，能譜分析可見(jiàn)斷口處分布著細(xì)小的MnS夾雜，高溫下微小的硫化物質(zhì)點(diǎn)在奧氏體晶界析出，在高溫拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，這些質(zhì)點(diǎn)成為了拉伸開(kāi)裂的起裂源。

在中溫區(qū)(900~1200℃)，斷口為韌性斷口，呈明顯的韌窩形貌。溫度為1050℃時(shí)試樣斷口的SEM形貌如圖6所示，由圖6可知：斷口由大量的等軸韌窩組成，呈塑性斷裂特征,等軸韌窩小而密，宏觀表現(xiàn)為塑性較好。

第二類(lèi)為脆性溫度區(qū)，即低溫區(qū) (600~900℃)，通過(guò)觀察，低溫?cái)嗫诔省氨恰睜睿恃鼐Т嘈詳嗔烟卣?，晶粒間有開(kāi)裂和微小的孔洞。造成這種斷口的主要原因是低溫奧氏體發(fā)生相變析出薄膜網(wǎng)狀鐵素體,鐵素體強(qiáng)度小于奧氏體，在變形過(guò)程中出現(xiàn)不均勻變形，易在鐵素體上形成裂紋;在奧氏體晶界上析出的鐵素體中分布著長(zhǎng)條狀MnS夾雜，拉伸過(guò)程中試樣易沿著夾雜物發(fā)生開(kāi)裂;在低溫區(qū)，晶界上有釩、鈦、鈮的碳氮化物析出，低溫析出物尺寸較小，彌散分布在晶界上，在變形過(guò)程中，釘扎晶界發(fā)生滑移，當(dāng)外力增加時(shí)，位錯(cuò)會(huì)繞過(guò)析出物，在周?chē)纬晌诲e(cuò)環(huán)，在析出物分布處形成應(yīng)力集中并產(chǎn)生微小孔洞，最終導(dǎo)致試樣拉伸開(kāi)裂。因此，為了避免鑄坯在矯直過(guò)程中產(chǎn)生裂紋，45鋼的矯直溫度應(yīng)避開(kāi)第二類(lèi)脆性溫度區(qū)，并保證在溫度大于900℃時(shí)對(duì)其進(jìn)行矯直。650℃時(shí)試樣斷口的SEM形貌及能譜分析結(jié)果如圖7所示。

3、結(jié)論

(1)在溫度為600~1350℃時(shí)，45鋼連鑄坯的高溫抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高而逐漸降低。

(2)45鋼連鑄坯有兩個(gè)脆性溫度區(qū)，1200~1350℃為第一類(lèi)脆性溫度區(qū)，600~900℃為第二類(lèi)脆性溫度區(qū)。

(3)在應(yīng)變速率為1.0×10-3s-1的變形條件下，溫度小于900℃時(shí)，45鋼連鑄坯的斷面收縮率低于60%，塑性較差,在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，45鋼連鑄坯的矯直區(qū)溫度應(yīng)大于900℃，以防止出現(xiàn)矯直裂紋。