柱狀晶區

柱狀晶在工業生產上很多情況是不利的，但是在另外一些場合它的存在對材料性能有好處。在鋼鐵生產方賣弄它普遍存在於現代鋼鐵生產的連鑄坯中，有時候幾乎佔百分之百，對於鋼鐵它具有晶粒形狀的各向異性和晶體學各向異性（一般長軸為<100>方向）以及尺寸粗大的特點，這些特徵將對缺乏固態相變的鐵素體鋼的後續工藝下的組織、織構產生顯著影響，從而影響材料的最終各種性能，甚至惡化板材表面質量，主要表現於表面不平整、瓦楞現象等。這些需要想辦法抑制或調整工藝減少它。柱狀晶的影響及控制問題不僅存在於BCC結構的鐵素體鋼及鉬、鉈等難熔金屬，也普遍存在於FCC結構的奧氏體鋼、鋁、金、銅及其合金等。但是，由於其粗大晶界少，有較好的各向異性性能，如在渦輪葉片生產就是控制形成粗大柱狀晶，甚至希望得到柱狀單晶。有如其在塊體材料中界面少，因此具有抗蠕變、疲勞能力。因為粗大界面少，在微觀上相當於兩個相鄰單晶，裂紋跨越強烈各向異性界面困難。

20CrMnTi 鋼為低碳低合金結構鋼, 用於製造傳動齒輪、齒圈等零件。在20CrMnTi 鋼連鑄過程中, 裂紋缺陷是提高其鑄坯質量的主要障礙之一。

生產工藝及設備條件對凝固坯殼裂紋的產生有重要的影響, 而鑄坯在高温下的力學行為及塑性變形能力則是決定其出現與否的關鍵。鋼種成分、熱履歷及應變速率等因素對連鑄坯高温變形抗力及塑性變形能力的影響, 得到了較為廣泛的研究。但是, 上述研究主要着眼於鑄坯表面裂紋的控制, 對鑄坯皮下、內部裂紋的研究較少, 鑄坯內部不同組織狀態下的高温力學性能數據也較為缺乏。因此,測量20CrMnTi 鋼連鑄坯柱狀晶區內不同部位的應力應變曲線、高温強度、硬化係數及熱塑性等高温力學性能, 研究其與取樣位置、温度和應變的關係 ^[1]  。

測試試樣取自150 mm×150 mm斷面的連鑄方坯, 為了解鑄坯不同區域產生裂紋缺陷傾向的程度, 在鑄坯柱狀晶區不同部位進行取樣, 取樣位置由表面至中心依次編號為1#、2#和3#將以區分。1#號至3# 號試樣中心距表面的距離分別為10 mm、33.6 mm和57.2 mm。依據測試設備要求, 將拉伸試樣加工成f10 mm×120 mm的標準熱拉伸圓棒試樣,並使其軸向垂直於鑄坯柱狀晶生長方向。

在650—1050 ℃ 温度範圍內, 採用Gleeble-1500D 熱/力模擬實驗機進行熱拉伸實驗, 測試20CrMnTi 鋼連鑄坯柱狀晶區內不同部位的力學性能隨温度的變化。在熱拉伸實驗過程中通過大電流將夾具中的試樣以20 ℃/s 的升温速率由室温加熱至1300 ℃, 保温1 min 進行均勻化處理, 然後以100 ℃/min 的冷卻速率將試樣降温至測試温度(T)以模擬連鑄冷卻過程,。在測試温度進行保温, 待試樣温度均勻後進行熱拉伸實驗。為模擬連鑄二次冷卻區域內鑄坯的高温力學行為, 選取拉伸應變率為5×10-3 1/s。在實驗過程中, 為避免試樣在高温下氧化, 將熱/力模擬實驗機工作室的真空度控制在1.33×10-5 MPa, 熱工作區設置為10 mm, 工作區內的温度通過K型熱電偶實時監測。

在熱拉伸實驗過程中, 對鑄坯試樣中應力狀態及軸向尺寸進行實時監測,典型温度下20CrMnTi 鋼連鑄坯柱狀晶區內不同部位的應力應變曲線。

0CrMnTi 鋼連鑄坯柱狀晶區內1#、2#和3#試樣的應力應變曲線在典型温度下呈現相似的特徵。在拉伸變形過程中, 應力應變曲線呈現3 個明顯不同的階段：第一階段, 鑄坯試樣中的位錯在變形過中不斷累積, 鑄坯應力在較小應變範圍內隨應變增加快速升高; 當回覆或再結晶等動態軟化過程平衡部分加工強化效果時, 鑄坯應力變化進入第二階段, 鑄坯應力隨應變增加逐漸增大且其變化速率不斷減小, 直至達到峯值應力; 達到峯值應力後鑄坯試樣開始“頸縮”發生非均勻塑性變形, 應力隨變形程度進一步增加而快速降低直至斷裂, 即為第三階段。

測試温度為650 ℃時, 20CrMnTi 鋼1#、2#和3#鑄坯試樣均出先了明顯的屈服特徵。隨着與鑄坯表面距離的增加(1#—3#), 鑄坯屈服應力及對應的應變分別從140 MPa 和0.035 降低至82 MPa 和0.021左右; 隨着測試温度升高, 1#、2#和3#鑄坯試樣的屈服特徵不再明顯, 但其峯值應力及屈服應力等力學性能參量在測試温度下均呈現出明顯的差異。根據以上分析, 柱狀晶區內不同部位的應力應變曲線、屈服狀態等存在一定差異。

抗拉強度是指鑄坯抵抗均勻塑性變形的最大應力, 是鑄坯是否產生裂紋的判據; 屈服強度是鑄坯開始產生塑性變形的抗力, 是鑄坯產生塑性變形難易的指標。

隨着温度降低1#、2#和3#鑄坯試樣的抗拉強度均逐漸升高且其變化速率不斷增大。當測試温度由1050 ℃降低至650 ℃時1#試樣的抗拉強度從45 MPa快速升高至220 MPa左右, 鑄坯在高温狀態下抵抗非均勻塑性變形的能力明顯增強。在柱狀晶區域內鑄坯抗拉強度隨距鑄坯表面距離的增加而降低, 且其降低的幅度與取樣位置及測試温度密切相關。測試温度為1050 ℃時1#及3#試樣抗拉強度均為45MPa 左右, 而當測試温度為650 ℃時1#—3#鑄坯試樣的抗拉強度分別約為220、212 和207 MPa。

相似地, 鑄坯屈服強度隨温度降低而不斷升高。當温度從1050 ℃變化至650 ℃時1#試樣的屈服強度由31 MPa左右升高至140 MPa, 且其變化速率在750 ℃出現明顯轉變, 主要與鋼中應變誘導鐵素體析出、鋼中二相粒子沉澱及奧氏體-鐵素體相變程度有關[14, 15]。隨着距鑄坯表面距離的增加, 1#、2#和3#鑄坯試樣屈服強度曲線多處相交, 且隨着温度的降低在各測試温度下測得的屈服強度差越來越明顯。測試温度為650 ℃時1#、2#和3#鑄坯的屈服強度分別為140 MPa、110 MPa和82 MPa, 不同部位間的強度差距較抗拉強度的大。

獲得典型温度不20CrMnTi 鋼連鑄坯柱狀晶區內不同部位的硬化係數隨應變的變化規律。20CrMnTi 鋼柱狀晶區內的硬化係數隨應變具有相似的變化規律。在塑性變形階段, 鑄坯的硬化係數隨應變的增加不斷降低, 且其變化速率逐漸減小。這種現象在高温階段尤為突出,測試温度為950 ℃時硬化係數的變化速率在應變為0.045 左右出現了明顯的轉變。測試温度為650 ℃時, 隨着試樣中心與鑄坯表面距離由10 mm增加至57.2 mm(1#—3#)20CrMnTi 鋼連鑄坯的硬化係數逐漸增加, 且其增加的幅度在塑性變形過程中變化不明顯, 3 條硬化係數曲線基本保持平行。應變為0.08 時, 1#至2#試樣及2#至3#試樣的硬化係數增幅分別為109MPa和90MPa。測試温度為950 ℃時3#試樣在塑性變形過程中具有較高的硬化係數,而2#試樣的硬化係數較低。但在總體上, 3 條硬化係數曲線差別不大, 應變為0.03 時2#至3#試樣的硬化係數增幅為36 MPa。

結合20CrMnTi 鋼高温強度的分析, 據鑄坯表面57.2 mm的3#試樣具有較低的高温強度及較高的硬化係數, 特別是在低温階段(650 ℃)尤為突出,導致3#試樣(鑄坯內部)在低温段的塑性變形能力較差, 易產生中間裂紋。

20CrMnTi 鋼鑄坯具有一定的塑性變形能力, 在測試温度範圍內其斷面收縮率均大於60%, 且1#、2#和3#試樣的熱塑性曲線具有相似的特徵。隨着測試温度升高鑄坯試樣的斷面收縮率逐漸降低, 測試温度為750 ℃時1#、2#和3#試樣的斷面收縮率分別降低至60%、64%和61%左右, 為測試温度範圍內的最低值; 隨着温度進一步升高, 鑄坯塑性變形能力得到改善, 1#、2#和3#試樣的斷面收縮率不斷增大, 但其增長速率逐漸降低。測試温度為1050 ℃時1#和3#試樣的斷面收縮率達90%左右, 而2#試樣在950 ℃時, 斷面收縮率也已接近90%。

在連鑄彎曲、矯直過程中, 為避免鑄坯產生橫裂紋、網狀裂紋等裂紋缺陷, 鑄坯試樣的斷面收縮率應大於75%。 1#、2#和3#試樣分別在675—824 ℃、667—813 ℃和650—807 ℃温度範圍內, 塑性變形能相對較低, 其斷面收縮率均小於75%。在柱狀晶區內, 隨着距鑄坯表面距離由10 mm增加至57.2 mm(1#—3#)鑄坯塑性變形能力較低區域的寬度無較大變化, 基本保持在150 ℃左右, 但整個温度區間明顯向低温區域移動。取樣位置由1#變化至3#, 20CrMnTi 鋼鑄坯塑性較低區域向低温區移動約17 ℃, 3#試樣在低温段的塑性變形能力較差。

這表明, 在連鑄過程中為確保鑄坯質量, 精確控制鑄坯表面温度是一個關鍵因素。以1#試樣為參考,20CrMnTi 鋼連鑄過程中的矯直温度應控制在825 ℃以上; 以3#樣為參考, 低温階段的冷卻或變形參數優化則應注重避免中間裂紋等缺陷的產生 ^[2]  。

1. 20CrMnTi 鋼1#、2#及3#鑄坯試樣的柱狀晶區在高温狀態下具有相似的應力應變關係, 隨着試樣中心至鑄坯表面的距離增加, 鑄坯抗拉強度降低,低温下的硬化係數明顯增大。

2. 1#、2#和3#鑄坯試樣的斷面收縮率在750 ℃時均達到最低(約為60%)。隨着距鑄坯表面距離的增大(1#—3#), 20CrMnTi 鋼脆性區間向低温區移動約17 ℃, 寬度基本保持在150 ℃左右。為確保鑄坯質量, 在矯直過程中鑄坯表面温度應高於825 ℃, 在低温階段冷卻、變形過程中應避免產生內部裂紋 ^[3]  。