460C钢高温塑性变形行为研究

高福彬 张守伟 李建文 靖振权 丁 剑 周 丹

(河钢集团邯钢公司)

460C钢高温塑性变形行为研究

高福彬 张守伟 李建文 靖振权 丁 剑 周 丹

(河钢集团邯钢公司)

通过Gleeble-3500高温模拟试验机对Q460C钢种高温塑性区间进行了测定，深入分析了Q460C钢的高温断裂机理，确定了最佳的铸坯矫直区间。研究表明：600 ℃～800 ℃为Q460C钢的低温脆性区，在该区间断裂形式以混合断裂为主；900 ℃～1 050 ℃塑性最好，断面收缩率在85%以上，此时的断裂形式为韧性断裂；在1 050 ℃～1 250 ℃拉伸时断面收缩率有所降低，但仍在75%以上，通过对其断口分析发现其主要原因是Nb(CN)的沉淀析出造成。

Q460C 高温拉伸 塑性变形 拉伸断口

AbstractHigh temperature fracture mechanism of Q460C steel is determined by Gleeble - 3500 high temperature simulation test machine, the high temperature fracture mechanism of Q460C steel is analyzed, the optimum straightening interval is determined. Research shows that, the fracture mode is given priory to mixed fracture between 600 ℃～ 800 ℃which is low temperature brittleness zone of Q460C steel; The fracture mode is ductile fracture between 900 ℃～1 050 ℃ in which the plastic is best and reduction area is above 85%; The reduction area is reduced between 1 050 ℃ ～ 1 250 ℃during stretching, but still above 75%, it is found that the main cause of this phenomenon for the precipitate out of Nb (CN) based on the fracture analysis.

KEYWORDSQ460C high temperature tensile plastic deformation tensile fracture

0 前言

Q460C钢是通过向钢中添加Nb、V、Ti等微合金元素，并配合控轧控冷工艺生产的新一代微合金钢高强钢。由于其具有高强度、高塑性、低温韧性优良、加工性能和焊接性能好、耐磨、耐腐蚀等特点，被广泛应用于工程机械、煤矿机械、造船和钢结构等领域[1-2]。

由于Q460C钢添加了Nb、Ti类微合金元素，这使得该钢种在连铸过程中经常出现角部裂纹，为进一步研究Q460C钢的高温塑性区间，采用Gleeble-3500热模拟试验机对Q460C钢的高温塑性性能进行了研究，以期为Q460C的生产提供可靠数据。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料的制备

选取某浇次稳定生产的第6炉为研究对象，其化学成分见表1，浇铸过程中拉坯速度为0.76 m/min，浇铸断面1 700 mm×260 mm，中间包过热度为15 ℃，二冷配水量为0.51 L/t。在该炉第5块铸坯沿拉坯方向截取250 mm长的铸坯试样，进行空冷冷却，冷却后，将拉坯方向两端各切去25 mm，宽度方向两端各切去450 mm，得到200 mm×260 mm×800 mm试样，沿中心线切开，得到200 mm×130 mm×400 mm的坯样，如图1所示。在距铸坯中心线65 mm的上、下表面附近取毛坯样，其尺寸为20 mm×20 mm×200 mm，毛坯样的长度方向为拉坯方向。将取好的毛坯料采用车床加工成Φ10 mm×120 mm的高温拉伸试样，如图2所示。

表1 Q460C钢成分表 / %

图2 拉伸测试样尺寸

1.2 高温拉伸试验方案的制定

高温拉伸试验在Gleeble-3500型热模拟试验机上进行，选24个测温点：600 ℃、650 ℃、700 ℃、750 ℃、800 ℃、850 ℃、880 ℃、900 ℃、920 ℃、940 ℃、960 ℃、980 ℃、1 000 ℃、1 050 ℃、1 100 ℃、1 150 ℃、1 200 ℃、1 250 ℃、1 275 ℃、1 300 ℃、1 320 ℃、1 340 ℃、1 360 ℃、1 380 ℃。每个温度点测定2次，求平均值。试验温度在1 050 ℃及其以下时，工艺过程按图3控制，即：在真空条件下将试样按15 ℃/s的加热速度加热到测试温度，保温3 min，以1×10-3/s的应变速率进行拉伸，记录应力-应变曲线；当试验温度在1 050 ℃以上时，工艺过程按图4控制，将试样按15 ℃/s的加热速度加热到1 050 ℃，保温1 min，将试样按2 ℃/s的加热速度加热到测试温度，保温2 min；以1×10-3/s的应变速率进行拉伸，记录应力-应变曲线。试样拉断后，其中一半试样用QUANTA400型扫描电镜(SEM)观察断口形貌。

图3 1 050 ℃以下试验钢热拉伸工艺示意图

图4 1 050℃以上时试验钢热拉伸工艺示意图

2 试验结果及分析

2.1 屈服强度和抗拉强度随温度的变化曲线

Q460C屈服强度和抗拉强度随温度的变化趋势如图5所示。

图5 Q460C屈服强度随温度变化曲线

从图5可以看出，屈服强度与抗拉强度的差值随着温度的升高逐渐减小。在650 ℃时差值为150 MPa，当温度升至1 360 ℃时，差值降至5 MPa，这主要是因为随着温度的升高，微合金元素原子运动加剧，微合金元素对位错的钉扎作用减弱所致[3-5]。在600 ℃～850 ℃范围内，屈服强度和抗拉强度均随温度升高而急剧下降，说明在该范围内，微合金元素的强化作用受温度变化影响最为明显。在850 ℃～950 ℃的区间内屈服和抗拉强度降低速度有所减缓，这可能与该区间内的奥氏体转变有关，随后随着温度的增加，屈服强度和抗拉强度降低的速度又有所增加，当温度超过1 150 ℃，二者的下降趋势减缓。当温度在1 200 ℃时，屈服强度和抗拉强度分别为17 MPa和28 MPa。可以看出在高温下该钢种的强度大大减弱。

2.2 断面收缩率随温度的变化情况分析

试样拉断后形貌如图6所示。试样拉断后，采用游标卡尺测量拉伸断口直径Φb，进而根据试样原始直径Φ0，计算断口收缩率ψ，即公式(1)：

(1)

图6 Q460C钢高温拉伸断口形貌

Q460C钢在不同温度下断面收缩率的变化曲线如图7所示。

图7 Q460C钢的断面收缩率

从图7可以看出，在600 ℃～800 ℃范围内，存在明显的低温脆性区，在该温度区间内，Q460C钢塑性较差，断面收缩率在650 ℃时仅37.42%，按着文献[6]的研究结果，微合金钢断面收缩率必须>60%才能避免铸坯角部横裂纹，显然在该温度下不能满足铸坯矫直要求。随着温度升高，断面收缩率不断增大，在900 ℃～1 050 ℃时该钢的塑性最好，断面收缩率均在85%以上。断面收缩率最大时达91.70%，随后随着温度的升高，在1 050 ℃～1 250 ℃断面收缩率有所降低，但最低收缩率仍在75%以上，在温度高于1 250 ℃之后，断面收缩率急剧下降，当升至1 360 ℃时，断面收缩率降至34.71%。

2.3 断口形貌及断裂机理分析

采用扫描电镜对Q460C钢的高温拉伸断口典型形貌进行了扫描分析，如图8所示。

(a) 650 ℃

(b) 800 ℃

(c) 960 ℃

(d) 1 200 ℃

图8不同温度下实验钢的伸断口形貌

从图8可以看出，在650 ℃时，Q460C钢的断裂形式主要为混合型断裂，在沿晶断裂的基础上分布着少量韧窝，韧窝较小，且不均匀；850 ℃时的断口仍为混合断口，但这时韧窝明显增多，深度增加，大小变的均匀。1 000 ℃时韧窝数量最多，且大而且比较均匀，其周围发生较大塑性变形,表明试样变形时晶粒内部先形成孔洞,继而孔洞长大连接形成颈缩直至断裂,为明显的塑性穿晶断裂；1 200 ℃时钢的韧窝仍然存在，韧窝直径较大，在韧窝中心可以看到析出物的存在。而且析出相越多时，断口处韧窝的尺寸越小、越浅，反之，则越大、越深。由此可知，析出物是使钢的塑性降低根源。

2.4 析出物及其能谱分析

为了分析Q460C钢析出物的类型和成分，对1 200 ℃的试样断口进行扫描观察并利用其自带的能谱分析仪对析出物的成分进行分析，析出物形貌如图9所示。通过对其进行成分分析后发现该析出物主要为Nb(CN)，结合Nb(CN)的析出热力学可知，Nb(CN)的最初析出温度为1 050 ℃，但这时析出物较小为3 nm ～5 nm，不足以影响钢的塑性，随着温度的升高，析出物逐渐增大，到1 200 ℃时，析出物长大至15 nm ～30 nm，在拉伸过程中会在韧窝底部形成微裂纹，进而影响基体的塑性。这与文献[7]发现的情况基本相同。

图9 析出物形貌分析

3 结论

(1) 在600 ℃～800 ℃范围内，Q460C钢存在低温脆性区，在连铸坯进行顶弯或者矫直时，必须保证铸坯角部温度高于800 ℃，否则会产生角部裂纹。

(2) 在900 ℃ ～1 050 ℃塑性最好，断面收缩率在85%以上；在1 050 ℃～1 250 ℃的温度区间内，Nb(CN)的析出会使钢的塑性降低，但断面收缩率仍在75%以上。

(3) 随着温度的升高，Q460C钢的屈服强度和抗拉强度的差值逐渐减少，当温度由600 ℃升至1 360 ℃时，二者的差值由150 MPa降至5 MPa。

[1] 韩孝永．铌、钒、钛在微合金钢中的作用[J]．宽厚板，2006，12(1)：39-41．

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RESEARCHONPLASTICDEFORMATIONBEHAVIOROFQ460CATHIGHTEMPERATURE

Gao Fubin1Zhang Shouwei Li Jianwen Jing Zhenquan Ding Jian Zhou Dan

(Handan Steel Company of Hebei Steel group)

2017—5—10