38CrMoAl合金钢连铸坯高温力学性能研究.pdf

前言38CrMoAl钢是一种合金结构钢，经过热处理和精加工的 38CrMoAl 钢产品具备很高的疲劳强度、表面硬度和耐磨性，同时具备优良的耐腐蚀性和耐热性，广泛应用于齿轮、镗杆、磨床主轴、气缸套和高压阀门等机械制造行业。但由于其高Cr、高Al合金元素及中碳的成分体系特点，钢的热塑性较差，钢的裂纹敏感性较强，因此对连铸生产过38CrMoAl合金钢连铸坯高温力学性能研究刘少伟1贺书明1宋志宇1刘 青2（1.安阳钢铁集团有限责任公司第二炼轧厂，河南 安阳 455004；2.北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083）摘要：采用Gleeble1 500热模拟机对38CrMoAl合金结构钢连铸坯在6001 350 温度范围内的高温力学性能进行了测试，借助扫描电镜观察了高温拉伸后的断口形貌，结合断口金相组织形貌观察分析了断口断裂机理，系统分析了不同温度下钢的应力-应变曲线、高温强度及热塑性情况。结果表明，38CrMoAl合金结构钢连铸坯在高温温度区域发生了动态再结晶，增加了软化的作用，钢的塑性迅速提高，未发现第脆性区，第脆性区为6001 089，主要是由于AlN第二相粒子沿晶界析出和奥氏体向铁素体转变优先在晶界处析出了薄膜状铁素体导致。通过对钢的高温力学性能研究，确定了易发生裂纹缺陷的脆性温度范围，为制定连铸二次冷却过程各种工艺参数提供了重要基础依据。关键词：38CrMoAl；连铸坯；高温力学性能；断裂机理中图分类号：TG141文献标志码：A文章编号：1674-0971（2023）-003-05Study on high temperature mechanical properties of38CrMoAl alloy steel continuous casting billetsLiu Shaowei1,He Shuming1,Song Zhiyu1,Liu Qing2（1.No.2 Steel-Making and Rolling Plant,Anyang Iron and Steel Group Co.,Ltd,Anyang 455004,Henan,China;2.State Key Laboratory of Advanced Metallurgy of Beijing Science and Technology University,Beijing 10083,China）Abstract：The high-temperature mechanical properties of 38CrMoAl alloy structural steel continuous casting billetswere tested using a Gleeble1500 thermal simulator in the temperature range of 6001350.The fracture morphology af-ter high-temperature stretching was observed using scanning electron microscopy,and the fracture mechanism was ana-lyzed by observing the metallographic structure morphology.The stress-strain curves,high-temperature strength,andthermoplastic properties of the steel at different temperatures were systematically analyzed.The results showed that dy-namic recrystallization occurred in the continuous casting billet of 38CrMoAl alloy structural steel at high temperature,in-creasing the softening effect,and the plasticity of the steel rapidly improved.The first brittle zone was not found,and thethird brittle zone was between 600 and 1 089.This was mainly due to the precipitation of AlN second phase particlesalong grain boundaries and the preferential transformation of austenite to ferrite,which precipitated thin films at grainboundaries caused by ferrite.By studying the high-temperature mechanical properties of steel,the brittle temperaturerange prone to crack defects has been determined,providing an important basis for formulating various process parametersfor the secondary cooling process of continuous casting.Keywords:38CrMoAl,continuous casting billet,high temperature mechanical properties,fracture mechanism收件日期：2023-6-20作者简介：刘少伟（1992年10月），男，硕士，工程师，2018年1月北京科技大学冶金工程专业，现供职于安阳钢铁集团有限责任公司，主要研究方向为连铸，Email：。DOI:10.16683/J.CNKI.ISSN1674-0971.2023.3034产品开发与性能研究特钢技术Special Steel Technology第29卷 总第116期2023年第3期Vol.29（116）2023.No.3程要求较高。连铸坯表面裂纹的形成是一个非常复杂的过程，实际生产中设备和工艺因素只是裂纹产生的条件，钢的自身裂纹敏感性才是导致裂纹产生的内因1。连铸坯表面裂纹主要在铸坯的高温脆性区产生，只有充分了解钢的高温力学性能，了解钢的脆性区温度区间及其影响因素，连铸坯表面裂纹才能得到有效控制。通过对铸坯的高温力学性能的研究，找出具体钢种的易发生裂纹缺陷的脆性温度范围，把其作为连铸生产中确定控制铸坯表面目标温度的依据，为制定连铸二次冷却过程各种工艺参数提供重要基础依据。1试验1.1 试验材料本次试验钢采用38CrMoAl合金钢连铸坯，连铸坯避开温度、拉速等工艺异常炉次，其化学成分如表1所示。高温力学性能试验样品取垂直于拉坯方向的连铸坯试样，取样时避开连铸坯中心偏析和疏松等存在缺陷部位。并将所取试样加工为总长 120mm、两端10 mm部分有螺纹的试样，加工规格如图1所示。1.2 试验方案拉伸试验在Gleeble1 500热模拟机进行，测试温度范围为6001 350。试样安装前，先在试样中间部位焊上热电偶，再在试样上套上长石英管起支撑作用。试样夹持好以后，试样室内通入氩气作为保护气氛。整个试验加热历程如图2所示，先将试样以10/s 的升温速率升温到1 350 并保温1 min,然后以3/s 的降温速率降到预定的测试温度，保温1 min后以=110-3/s的应变速率拉伸试样直至最终断裂。试样被拉断以后，立即对断口喷水冷却，以保持断口原貌，并进行断口形貌分析。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。做出断面收缩率、强度极限随温度的变化曲线，找出脆性温度区间。1.3 研究方法热强度和断面收缩率是表征钢高温力学行为的两个重要指标，而热强度曲线和热塑性曲线是体现这两个指标与温度关系的特征曲线，由特征曲线可以判定钢的高温力学行为的变化规律。（1）抗拉强度（b）抗拉强度是指试样在测试温度拉伸过程中承受的最大应力，它是试样从均匀塑性变形到集中塑性变形的临界应力值。抗拉强度计算公式如式1所示：b=4FmaxD02（1）式中Fmax表示试样拉伸过程中承受的最大拉力，N；D0表示试样的原始直径，mm；b表示试样的抗拉强度，MPa。（2）断面收缩率（R.A）断面收缩率是指试样断裂前后面积的相对变化，它是试样高温塑性的特征参数，其计算公式如式2所示：RA=D02-D12D02（2）式中D1表示试样断裂后的直径，mm。（3）断口形貌观察通过扫描电镜对不同测试温度下的试样断口形貌进行观察，确定其断裂模式。一般高温断口可分为熔融断裂、穿晶断裂、沿晶断裂以及混合断裂模式，结合断口金相组织形貌观察可以分析判断断口断裂机理，为连铸坯裂纹控制提供支撑。2试验结果与分析热模拟试验可以直接获得拉伸应力与位移的刘少伟 李志广 贺书明 宋志宇 刘 青：38CrMoAl合金钢连铸坯高温力学性能研究第29卷第3期表1 38CrMoAl钢连铸坯化学成分（%，质量分数）Table 1 Chemical composition of 38CrMoAl steelcontinuous casting billet(%,mass fraction)成分含量C0.35Si0.18Mn0.41P0.012S0.002Cr1.25Mo0.18Al0.86图1 高温热塑性拉伸试验试样图Fig.1 High temperature thermoplastic tensile test specimen diagram图2 Gleeble试样加热历程Fig.2 Heating history of Gleeble sample 9关系，对试样拉断前后的直径进行测量计算后能间接获得断面收缩率与温度的关系，进而可以对钢的热强度与热塑性行为进行评估。2.1 高温延塑性及抗拉强度曲线根据 38CrMoAl 连铸坯拉伸试样不同温度断前、断后直径的数据及相关计算结果，作出38CrMoAl试样在不同温度下断面收缩率和抗拉强度随温度变化曲线，如图3所示。由图3可以看出，38CrMoAl钢的抗拉强度总体趋 势 是 随 着 温 度 的 升 高 而 逐 渐 降 低。在 1350 650 之间，随着温度的降低，试样抗拉强度随温度的降低而增加的速率比较缓慢；当温度降低到850 以下，试样的抗拉强度随温度的降低迅速增加；当温度降低到650 时，试样的抗拉强度高达318.17 MPa。根据断面收缩率随温度的变化曲线可以得出，本次试验测试温度范围内，该钢种高温塑性较好，未能检测出高温脆性温度区，即第脆性温度区。第脆性温度区只在102/s时才出现，在本次试验中该钢种没有产生第脆性区2。试样的断面收缩率，在1 350 1 100 温度范围内随温度的降低变化不大，保持在70%以上，在1 250 附近达到87.78%，该钢种在这段温度区间内表现出很好的塑性。以R.A=60作为脆性判断依据，38CrMoAl钢第脆性温度区间为6081 089，温度区间较宽，且断面收缩率均低于30.0%，塑性较差。2.2高温应力位移曲线试样在拉伸过程中会发生加工硬化、回复、再结晶等力学现象，不同拉伸温度下的应力应变曲线类型不同。图4是38CrMoAl钢试样高温应力位移曲线。由图4可知，600 时试样的应力值随位移的增加迅速增加，当应力值达到峰值后下降缓慢，然后又迅速下降，说明600 时钢的裂纹扩展较慢，塑性较好。650700 时，随着位移的增加，应力值迅速增加，当应力值达到峰值后又急速下降。在这个温度区间钢的塑性变形能力很差，裂纹形成后迅速扩展。温度在750950 之间时，随着位移的增加，试样的应力值增长减缓。在此温度区间内，位错有了回复的能力，降低了位错在晶界处的畸变能，使应力值的增长变缓；当应力值达到峰值后，随着位移的增加应力依然快速下降，说明裂纹仍是迅速扩展，钢的塑性仍然较差3。当温度大于 1 000 时，曲线出现振荡的特征，表明试样在拉伸变形过程中发生动态再结晶。位移的增加使晶界具有临界的位错密度，能提供动态再结晶形核的驱动力，动态再结晶的发生，增加了软化的作用，钢的塑性迅速提高4。2.3试样拉伸断口形貌将38CrMoAl钢拉断试样断口保存，随后对断口进行扫描电镜（SEM）试验。通过观察断口形貌，分析其在不同温度下的断裂机理。（1）1 350 1 100 试样断口形貌分析特钢技术第29卷第3期图3 38CrMoAl试样断面收缩率和抗拉强度随温度变化曲线Fig.3 Temperature dependent curves of cross-sectionalshrinkage and tensile strength of 38CrMoAl specimens图4 38CrMoAl钢试样应力位移曲线Fig.4 Stress displacement curve of 38CrMoAl steel sample图5 1350 1100 试样断口形貌分析Fig.5 Analysis of fracture morphology of samples from 1350 to 1100 10在此温度范围内试样断面收缩率较高，都在70%以上。由图 5 可以看出，除 1 100 以外，1350 1 150 的断口均由于过熔失去了形貌特征，在1 100 时断口部分过熔，同时存在一些深浅不一的凹坑，表明发生一定程度的塑性变形。1 350、1 300 和1 200 时，断口形貌整体比较光滑，出现比较明显的树枝晶。在此温度范围内，由于温度高，加上在晶界处易存在磷、硫等低熔点杂质元素，晶界处析出低熔点化合物，在枝晶间形成液膜，降低了枝晶间的结合强度，因此在拉应力的作用下，沿晶界开裂直至拉断，断裂方式为穿晶塑性断裂5。试样的断裂沿晶界发生，有部分晶界发生迁移。（2）1 050 650 试样断口形貌分析由图6可以看出，1 050 650 温度范围处于此钢种的第脆性区，试样断面收缩率较低，均低于30%。在650 850 范围内对应试样断口脆性断裂特征比较明显，试样断口呈冰糖状。在875 1050 范围内，断口存在数个孔洞，且在孔洞附近存在一定程度的塑性变形，表现为冰糖状和韧窝状混合形貌。（3）600 试样断口形貌分析在600 时，试样断面收缩率较高为64.76%，断口表面出现许多深浅不同的凹坑，是典型的韧窝。表明试样在变形时，晶粒内部形成孔洞，随着变形量增大，孔洞长大并连接成颈缩直至断裂，此断裂方式为穿晶塑性断裂。2.4断口金相组织研究表明6，矫直点温度处于低温脆性区是引起连铸坯表面裂纹的重要原因，第脆性区的脆性产生主要有两种机理：奥氏体单相区脆化（900 800）和奥氏体向铁素体转变区（900 600）脆化。奥氏体单相区的脆化是由钢中AlN、TiN、Nb（C，N）等第二相粒子沿晶界析出引起，第二相粒子钉扎奥氏体晶界，阻碍晶界迁移从而推迟再结晶的发生7。奥氏体向铁素体转变区脆化为两相区脆化，在转变时优先在奥氏体晶界处析出薄膜状的铁素体。铁素体较软，其强度仅为奥氏体的1/4，因此在外力作用下，变形主要集中在沿奥氏体晶界分布的铁素体中，使相中存在的微小孔洞和裂纹聚合、长大，最后导致沿晶界断裂。为分析断裂机理，针对第脆性区不同温度拉伸试样，截取断口热影响区，经镶样、磨光和抛光后，用4%的硝酸酒精进行侵蚀，得到断口金相组织。不同温度下38CrMoAl钢断口金相组织如图8所示。在拉伸试验过程中，1 200 和 1 000 下38CrMoAl钢的组织为奥氏体，其经过水淬后转变为马氏体，如图8所示。1 000时钢处于奥氏体单刘少伟 李志广 贺书明 宋志宇 刘 青：38CrMoAl合金钢连铸坯高温力学性能研究第29卷第3期图6 1 050650试样断口形貌分析Fig.6 Analysis of fracture morphology of samples from 1 050 to 650 图7 600试样断口形貌分析Fig.7 Fracture morphology analysis of 600 sample 11特钢技术第29卷第3期相区，其脆化主要是受到钢中AlN等第二相粒子沿晶界析出影响。700 时，铁素体沿奥氏体晶界析出，由于铁素体屈服强度比奥氏体低，变形容易集中在铁素体，在铁素体中形成孔洞，孔洞聚合长大，在奥氏体晶界发生断裂，导致试样塑性下降，网状铁素体的沿晶析出严重破坏钢的高温塑性8。600 时其组织为无碳贝氏体，无碳贝氏体产生于亚共析钢，特别是在硅钢和铝钢中，由于Si和Al抑制渗碳体形成，因而这类钢发生上贝氏体转变时，铁素体条间的奥氏体一直保留至室温，而不析出渗碳体，导致600 下塑性回升9。3结论（1）采用经典热模拟方法对38CrMoAl合金钢进行了高温力学性能测试，以断面收缩率大于60%为判断依据，目标钢种高温塑性较好，未产生第脆性区，第脆性区温度范围为6081 089。（2）38CrMoAl第脆性区断裂机理分为两方面，奥氏体单相区AlN第二相粒子沿晶界析以及在转变时优先在奥氏体晶界处析出了薄膜状铁素体。而在高温温度区间，此钢种发生了动态再结晶，增加了软化的作用，钢的塑性迅速提高，未产生第一脆性区。（3）在连铸过程中为避免表面裂纹的产生，需调节二冷配水制度采取高温矫直，尽可能避免在6081 089 铸坯低塑性温度范围矫直。参考文献1 秦军,向华,张建新,等.风电钢Q345D高温力学性能研究J.新疆钢铁,2017(2):4.2 黄振华,迟云广,王晨,等.二冷模式对82A帘线钢小方坯质量的影响J.金属材料与冶金工程,2021,49(6):7.3 窦坤.钒微合金化钢连铸方坯凝固特性与组织性能研究D.北京科技大学,2017.4 樊雷,肖娟,李显,等.应变速率对Q460连铸坯高温力学性能的影响J.钢铁研究学报,2022,34(8):9.5 孙立根,刘阳,朱立光,等.SS400和65Mn钢高温热力学性能分析J.炼钢,2015,31(3):6.6 张玉旗，张银辉,杨健.Mg处理对厚板中第二相粒子、HAZ组织及韧性的影响J.炼钢,2023,39(02):1-17+35.7 王兴宇,韩延申,张江山,等.弹簧钢55SiCrA连铸坯高温力学性能研究J.金属材料与冶金工程,2019(6):7-14.8 李海生.38CrMoAl连铸坯锻材生产及探伤缺陷成因的分析J.特钢技术,2010,16(1):28-33.9 朱晓雷,王爽,孔令种,等.高锰高铝钢凝固组织的实验研究J.鞍钢技术,2018(1):4.图8 不同温度下38CrMoAl断口金相组织Fig.8 Metallographic structure of 38CrMoAl fracture atdifferent temperatures冶金知识18Ni马氏体时效钢的传统制造方法18Ni马氏体时效钢，作为具有高强度、高韧性和高断裂强度的钢，被用于固体燃料火箭发动机壳体等火箭机体结构、着陆装置等航空器结构、原子工业用铀浓缩离心机转筒、海洋开发用潜艇耐压装置等。这类18Ni马氏体时效钢的制造方法，如下所述：即采用真空感应熔炼加真空自耗电弧熔炼的双联工艺，减少杂质和夹杂物，调整18Ni马氏体时效钢的成分组成，最后熔炼成钢锭。然后，对钢锭进行热锻、热压，使之成为热加工产品。而且，对热加工产品进行适当的热处理，或在不必要时不进行热处理即进行冷加工使之成为冷加工产品。在这种工艺中，要采用适时的切削加工，比如表面研磨等。这些热加工、冷加工产品，要进行作为最终热处理的固溶处理和时效处理以及直接时效处理，以达到高强度化。12