Nb对船板钢连铸坯高温力学性能的影响
钱国余， 侯自兵， 成国光
（北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083）
摘 要：通过用Gleeble-1500热模拟试验机在1×10-3/s应变速率下,对含Nb的J55钢和不含Nb的345R钢
进行了高温拉伸试验。结果表明:由于Nb元素的添加使两钢种的塑性产生了变化，在高温奥氏体区温度高于1200℃时J55钢的塑性较高,当温度低于1200℃时的各温度点处345R钢的塑性较高。造成这种差异的原因是由Nb的析出形式影响的,根据计算在1200℃时Nb的析出还没有发生,此时主要是由钢中的TiN析出以及晶界处存在的低熔点硫化物等来影响,温度低于1200℃后Nb的析出发生，其应变诱导析出的Nb(CN)是导致J55钢塑性降低的主要原因。
关键词：Nb，TiN，船板钢，析出物，热塑性
High temperature properties of continuous casting of
ship plate steels
Guoyu QIAN, Zibing HOU， Guoguang CHENG
(Metallurgical and Ecological Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,)
Abstract:The high temperature properties of J55 steel with Nb and 345R steel without Nb were determined by
tensile tests with a Gleeble-1500,the rate of deformation is 1×10-3/s. The test results indicate that the ductility of the both steels is rather different because of the addition of Nb，in the high temperature region above 1200℃ the ductility of J55 is better than 345R, however ,when the temperature drops to 1200℃ and lower the contrary is the case .The reason for this is that the precipitation of Nb has an effect on the ductility, according to the results of calculation the precipitation of Nb does not happened when the temperature is higher than 1200℃, therefore, the differences of the ductility of both steels are mainly determined by the precipitation of TiN and the sulfides with Low melting point in the grain boundaries. When temperature is lower than 1200℃ and the precipitation of Nb has happened ,and the strain inducing precipitation of Nb(CN) in the tensile test process results in a weak ductility of J55 steel.
Key words:Nb，TiN，ship plate steels，precipitation，ductility
前 言
提高连铸坯质量一直都是冶金工作者非常重视的目标，但是一直以来对于连铸坯表面裂纹的等缺陷研究较多，目前表面裂纹已经能够较好的控制。对于铸坯表面一下的柱状晶区的研究较少，所以本文中所用的试样是取自于连铸坯表面以下的柱状晶区。
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20世纪70年代以来，很多学者对钢的高温力学性能进行了很系统的研究[12]，Nb是强的碳化物，氮化物生成元素，其静态析出和动态析出的模式对钢的塑性会产生很大的影响。一些学者针对Nb的添加对钢塑性产生的影响进行了一些研究[3][9]，而本文中所用的两个钢种分别是含Nb和不含Nb的，所以本文主要是对铸坯表面以下的柱状晶区进行高温拉伸实验，以观察Nb对塑性的影响。
1 试验材料与方法
1.1 试验材料
研究所用的试样是由某钢厂所提供的已加工好的J55和345R两个钢种,沿连铸坯的纵向进行取样（即沿板坯行进方向取样）。取样区域应避开中心疏松区和表面细小等轴晶区。取样示意图如图1所示。每根试样的尺寸为?10mm?120mm,且每个钢种数量各为50根。
高温拉伸实验取样位置 (纵向） 图1 连铸坯高温拉伸实验取样位置示意图 每个钢种的成分及含量如下表所示：
表1钢种的成分及其含量
钢种 J55 345R C 0.12～0.2 0.12～0.2 Si 0.15～0.35 0.15～0.35 Mn 0.9～1.2 1.0～1.6 P S Al(t) 0.05 Ti 0.01～0.02 0.02～0.04 Nb 0.015～0.04 0 N ?0.02 ?0.02 ?0.02 0.01～?0.05 0.01～0.05 ?0.006 ?0.004 1.2 试验设备与方法 本实验的高温应力应变测试是在Gleeble-1500试验机上进行的，试样采用水平放置方式。试样夹持好后,试样室通入流量为1L?min-1的氩气流,并以10℃/s速度加热至1350℃并保温5min,然后以3℃/s的速度升温或降到测试温度，保温1min后以?=1×10-3s-1的形变速率对试样进行拉伸直至断裂。温度即形变制度如图2所示。
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图2 高温热拉伸工艺曲线
试样被拉断后，立即对断口附近区域大量喷水冷却，以使断口保持原貌。测量拉断部位的截面积，以计算断面收缩率，并记录试样断裂时的强度极限用于计算抗拉强度。
断面收缩率(R.A)和抗拉强度()的计算公式如下：
?R.A?DDD020221?100%
式中: R.A—断面收缩率,%；D0 —试样原始直径,mm；D1 —试样拉断后直径,mm。
?b?4F?D02
式中: —抗拉强度,N/mm2；F—拉伸过程中拉力的最大值，N；D0 —试样原始直径，mm。
测试的温度点：在1400℃～1300℃之间，每隔50℃测定一个点；1300℃～1000℃之间，每隔100℃测定一个点；在1000℃～750℃之间，每隔50℃测定一个点；在750℃～650℃之间，每隔100℃测定一个点，一共12个温度点。为了确保每个温度的准确性，这里将每个温度点测试两个试样，所以每个钢中各需要24个试样。
2 试验结果
2.1 高温热塑性测试结果
图3是两钢种的断面收缩率随温度变化曲线图，图中的两条曲线是将每个测试温度点的两个测量值取平均值所得到的。从图中可以看出345R钢在1400℃的断面收缩率为0，查看断口形貌发现此时已经处于半熔化状态，无法显示钢的塑性。随着温度的降低其塑性逐渐升高，直到1000℃时钢的塑性达到最高，其断面收缩率为92.59%。随着温度的进一步降低，其断面收缩率迅速减小，到850℃时达到最低点31.13%。当温度低于850℃时，其断面收缩率又呈现上升趋势，温度降到650℃时塑性基本得到恢复，其断面收缩率值高达76.66%。
J55钢在1400℃时的塑性相对于345R钢来说较好，其值为44.68%。随温度降低塑性值逐渐升高，到1300℃时断面收缩率达到最大86.71%。进一步降低温度后断面收缩率值变化不大，直到1000℃以后其值才迅速降低。温度降到800℃时断面收缩率达到最低21.27%。当温度低于800℃时塑性同样恢复，但其恢复的程度不如345R钢大。
通过对两钢种的热塑性曲线图可以看出，在1200℃以上时J55钢的断面收缩率较高，且345R钢在1400℃的断面收缩率为0，基本处于熔化状态。当温度低于1200℃后，J55钢的断面收缩率值开始低于345R钢，且345R钢的塑性凹槽相对于J55钢向低温转移，其凹槽的宽度和深度都比J55钢的小，表现出较好的塑性。
Mintz.B[1]指出断面收缩率低于40%时，发生铸坯表面裂纹的几率大大增加。而Suzuki H G[2]等指出断面收缩率小于60%时，铸坯表面基本不会出现表面裂纹。本文选择RA=50%为判断依据，所以J55钢的第一脆性区为熔点～1400℃，第三脆性区为950℃～650℃；345R钢的第一脆性区为熔点～1400℃，第三脆性区为900℃～750℃。
图3 J55钢和345R钢断面收缩率随温度的变化