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高强度低合金钢连铸坯模向裂纹趋势预报

杨雄飞

连铸板坯表面出现的横向裂纹经常导致中厚板出现缺陷。这些裂纹通常出现在连铸坯振痕处，而且在板坯矫直过程中，在承受拉应变的板坯上表面出现裂纹的倾向更为严重。在过去几十年，对横向裂纹进行了大量研究。由于横向裂纹通常同奥氏体晶界一起，针对横向裂纹的机理，有一种看法认为与应变集中有关。高强度低合金(HSLA)钢通常采用Nb、V和／或Ti微合金化，比普碳钢具有更好的力学性能。这是由于通过对微合金碳氮化物，如Nb(C，N)、TiN、V(C，N)的析出反应的精心控制，实现细晶强化和析出强化。不过，这类钢在连铸中易出现横向裂纹。HSLA钢的热塑性研究已经证实，这些与横向裂纹相关的氮化物和／或碳化物的析出会对在连铸中的断裂行为起重要作用。一般而言，碳化物或氮化物形成元素的量越少，矫直温度越高，越有利于抑制横向裂纹的形成。不过实际上，这些参数的组合对钢铁生产商开发或改善新产品而言更为重要。本文将关注HSLA板坯中析出物的数量、钢的热塑性和裂纹倾向性之间的关系，从而找出它们的临界值。

1材料与方法

1．1热塑性研究

本研究选择一种Nb和V复合微合金化HSLA钢，其化学成分见表1。热塑性研究用试样从板坯中截取，试样尺寸如图1所示。采用Gleeble 1500热模拟试验机进行拉伸试验，评价钢的热塑性。

如图2所示，试样采用电阻加热，从室温以20℃／s加热速率加热至1350℃，保温2min，使析出物溶解。随后，试样以10℃／s冷却至700—1300℃的温度，保温2min。然后以恒速0．02mm／s进行拉伸试验，应变速率约为1×10﹣3s﹣1。通过测量断裂试样的横截面的面缩率来评价热塑性。

1．2热力学计算

利用Themo Calc软件绘制相分析图，以更好地理解微合金化元素对析出物量和温度之间关系的影响。对每一个热塑性试验试样和板坯进行裂纹倾向分析，分析其析出物数量与温度之间的关系。

1．3生产过程中裂纹倾向分析

对生产的板坯和钢板进行表面质量检查，通过肉眼检查钢板，而采用渗透试验检查板坯，确定横向裂纹指数。从而给出裂纹倾向性与析出物量之间关系。根据每一炉次的成分和矫直温度，通过该软件计算各种析出物的数量。本研究共研究了33个炉次，共195块板坯。

2结果与讨论

检查现场板坯的表面质量发现，大多数横向裂纹出现在板坯未受约束侧。这表明出现横向裂纹的最有可能机理为，当板坯表面温度落在由于Nb、V和Al析出和在奥氏体晶界形成铁素体薄层共同作用而导致的塑性低谷区时，板坯经受反弯矫直而出现裂纹。

解决横向裂纹的两个措施是：当板坯在连铸中矫直时，提高矫直温度，降低含Nb、Al和V析出物的量。图3给出一种研究钢在不同温度下的热塑性。可以看出，随着温度由1000℃下降，热塑性降低，在850℃达到最低值，随后随着温度进一步降低而逐渐上升，直至700℃。图4给出由Thermo Calc软件计算的相分析，相分析表明当温度低于1100℃时，在冷却过程中析出物快速形成。在830℃铁素体开始形核并长大，此温度接近图3中的塑性低谷。对所有研究试样将这两个图结合起来，就得到图5。它给出热塑性与Nb、Al和V析出物数量的关系。可以看出，当析出物原子百分比低于0．04％，热塑性保持在高的水平。然而，当析出物原子百分比超过0．04％，塑性快速下降。根据950℃下横向裂纹指数与析出物量的关系，表明Nb、Al和V析出物的总量为0．04％是一个临界值。当析出物总原子分数超过0．04％时，连铸坯的裂纹倾向性易上升。

通常采用钢中的Al和N的溶度积评价烈镇静钢的横向裂纹倾向性。一般而言，溶度积越大，钢的裂纹倾向性越高。不过，发现裂纹倾向性与析出物形成元素的溶度积之间的关系不是很密切。这部分是由于裂纹倾向性不仅受AlN析出物的影响，也受Nb(C，N)和／或V(C，N)的影响。此外，如图6所示，一些数据位于图中右下角，即表现出低的裂纹倾向性。分析结果发现，这些数据点为相当多量的一种元素与相对少量的另一种元素的组合。由上述组合产生的析出物量比析出物形成元素之间处在化学当量比的组合要低。这说明析出物形成元素的溶度积可能不是一种较好地表示析出物量的指数，从而不能全面地评价裂纹倾向性。

3结语

采用Gleeble 1500热模拟试验机进行钢的热塑性试验，利用Thermo Calc软件计算试样和连铸板坯中的析出物量。获得HSLA钢板坯中的析出物量、热塑性和裂纹倾向性之间关系的结论：

1)研究钢的热塑性低谷区在700—950℃，在该温度区间发生Nb、Al和V析出物的析出。2)Nb、Al和V析出物的原子含量为0．04％是一个临界值。当该值超过0．04％时，塑性快速降低，连铸坯的裂纹倾向性相应增加。

3)AlN、Nb(C，N)和V(C，N)的析出总量比钢中析出物形成元素量的溶度积更能表示钢的横向裂纹倾向性。