应变速率对高铝钢连铸坯心部热裂行为的影响

康磊，陈美成，曹东，贾吉祥，康伟，李德军

（1. 海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁 鞍山 114009；2. 鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；3. 上海大学先进凝固技术中心，上海 200444）

热裂是铸坯和铸件中常见的铸造缺陷，其危害极大，一直是铸造领域的研究热点和难点[1-5]。热裂轻则会导致废品率上升，重则导致连铸过程中出现漏钢事故，造成生产停滞。针对铸坯热裂形成原因的研究有很多，目前主流理论有：液膜理论、晶间搭桥理论、凝固收缩补偿理论、强度理论等[6-9]。 随着热裂机理的研究进展，学者们先后提出多种热裂模型与判据，可以大致分为两类：基于力学标准和基于非力学标准[10-11]。其中，力学标准认为热裂与半固态金属承受的应力、应变和应变速率有关；非力学标准认为热裂与半固态金属易裂温度范围、浇注温度等工艺参数有关。 Rappaz 等[12]基于在热裂发生之前糊状区域可以承受的最大应变速率提出了一种热裂判据，即RDG 模型，Suyitno[13]认为该判据在定性预测热裂敏感性方面有很大的潜力。 KOU 模型认为凝固末期枝晶间空间净增长率大于液相对空隙的补缩时就会产生热裂纹[14]。目前RDG 模型和KOU 模型已经开始用于铸坯热裂风险的预测，但在钢铁领域的应用仍存在很大误差。另外，不同金属凝固特性差异很大，热物性参数难以准确获取，因此试验研究热裂临界条件仍非常必要。

高铝钢是鞍钢近几年开发的新型品种，其抗氧化性好、质量轻且耐磨损，广泛应用于汽车、航空航天等领域[15]。但是由于铝含量较高，有可能在晶间富集从而弱化晶界强度，因此需要对凝固过程产生的热裂风险进行评估。 本文针对高铝钢连铸过程中可能出现的热裂问题，研究了应变速率、温度等对其心部热裂行为的影响，重点分析了应力-温度曲线，给出了产生热裂时的临界应变速率与临界应力，为实际生产与理论研究提供依据。

1 实验过程

1.1 实验材料

实验材料采用Fe-0.4C-3.5Al-1.8Mn 高铝钢铸锭坯料，Φ10 mm×200 mm 的试棒如图1 所示，左端设计为可夹持的形状，右端为螺纹形状。 高铝钢试棒化学成分见表1。

图1 试棒实物Fig. 1 Material Object of Test Sample

表1 高铝钢试棒化学成分（质量分数）Table 1 Chemical Compositions in High Aluminum Steel Test Sample（Mass Fraction）%

1.2 实验设备与原理

采用水平式高温拉伸方法开展实验，具体过程如下：

（1）试棒套在99.9%氧化铝刚玉管中，并装夹在应力传感器和加载机构之间；

（2）利用感应和辐射加热系统熔化试棒中段（约78 mm），形成均匀熔区；

（3）控温冷却，实现冷速可控的凝固过程；

（4）在特定温度下，令加载装置按照设定的加载速率或拉力值进行加载，并记录位移量及拉力传感器测得的试验力。

由于本次实验研究应变速率对铸坯心部热裂行为的影响，所以试样中心温度的准确性很重要，而试样中心（熔融区）温度无法在试棒加载时同步测量，因此采用下述方式进行温度校正：

（1）采用一次测温试验分别在试棒中心位置（熔融区）与石墨套管中心布置热电偶，以获取试棒的中心温度与保温套温度，得到二者温度对应关系；

（2）进行拉伸实验时只保留石墨套管中心的热电偶，从而获取不同拉伸速度下试验力-保温套温度曲线；

（3）通过数据处理（试棒中心温度=保温套温度+温差），获得不同拉伸速度下试验力-试棒中心温度曲线。

1.3 实验方法

实验开始前，使用商业软件JMatPro 进行了平衡相图计算，得到此钢种固相率-温度曲线、各相质量分数-温度曲线如图2 所示。 热裂问题主要关注高温相，因此隐去了低温析出相，重点关注高温析出相。

图2 固相率-温度曲线和各相质量分数-温度曲线Fig. 2 Solid Phase Ratio-temperature Curves and Mass Fraction-temperature Curves of Each Phrase

由图2（a）看出，此钢种平衡凝固的液相线温度为1 494 ℃，固相线温度为1 411 ℃。 从图2（b）可以看出，该钢种随着温度的降低，在1 494 ℃开始从液相中析出铁素体，在1 473 ℃生成AlN 夹杂物，1 423 ℃开始生成奥氏体（由于JMatPro 缺少高铝钢数据库，所以计算的数值与实际有偏差，但可以作为实验参考）。

据此设计了实验参数，如表2 所示。实验开始，将试样加热到1 540 ℃，随后以1 ℃/s 的速度进行冷却，在1 540 ℃时开始记录数据，当温度降至1 425 ℃（固相80%）时，程序控制拉伸机构对试样拉伸，从而获得试验力-温度的实验数据。后续进行温度校正、试验力换算应力（应力=试验力/断口面积）就可以获得应力-校正温度的关系曲线。借助应力-校正温度曲线可以对不同拉伸速度（应变速率）下的试样热裂行为进行实验研究。

表2 实验参数Table 2 Experimental Parameters ℃

2 实验结果与分析

2.1 试样宏观形貌

试验采用四种拉伸速度，分别为0.25、0.50、0.75、1.00 mm/min。 因为拉伸试样加热冷却条件一致，所以熔区长度差异很小，为（78±0.3）mm。取平均值78 mm 作为熔区长度，从而计算出不同拉伸速度对应的熔区平均应变速率（拉伸速率/熔区长度）分别为5.34×10-5/s、1.07×10-4/s、1.60×10-4/s、2.14×10-4/s。不同拉伸速度下试样断口处宏观形貌见图3。

图3 不同拉伸速度下试样断口处宏观形貌Fig. 3 Macroscopic Fracture Morphology of Samples at Different Tensile Speeds

由图3 看出，当拉伸速度为0.25 mm/min 时，试棒出现宏观裂纹；当拉伸速度在0.50 mm/min 以上时，试棒均观察到明显的热裂纹。

2.2 应力-温度曲线及分析

试样在不同拉伸速度下应力和温度随时间变化曲线见图4（a），应力与温度的关系曲线见图4（b）。

图4 不同拉伸速度下的拉伸曲线Fig. 4 Tensile Curves at Different Tensile Speeds

由图4（a）可以看出，随着时间的推移，所有曲线越过相干点（固相开始相互搭接，应力开始明显上升的温度点）后应力开始增大，不过因为熔炼过程试样熔区塌陷程度不同，所以开拉时应力大小有所差别。试棒拉伸速度为0.25 mm/min 时，应力值在温度到达相干点后缓慢升高，开拉后以一个较大的速度增加，在拉伸后期（1 375～1 200 ℃）增长速度变慢，到1 200 ℃达到极值，试棒产生固相裂纹。 推测在1 375～1 200 ℃温度区间里试棒产生了热裂，但此时液相能够及时补缩裂缝，所以曲线只是增长速率变慢却没有下落。 拉伸速度为0.50 mm/min 的试棒，应力值在过了相干点后开始缓慢增加，开拉后应力迅速增加到某一极值，然后应力开始回落，形成断裂峰，断裂温度为1 395 ℃，试棒产生热裂纹。

由图4（b）可以看出，拉伸速度为0.75 mm/min、1.00 mm/min 的试棒在相干点后应力开始明显上升，在开拉后应力快速增大，在越过极值点后应力快速下降，断裂温度分别为1 396 ℃和1 405 ℃，1 405 ℃时临界应力降至1 MPa，判定热裂纹产生。综上所述，试棒拉伸速度在0.25 mm/min（应变速率5.34×10-5/s）以下时，试棒不易产生热裂；拉伸速度在0.25 mm/min 以上时易产生热裂。

2.3 断裂临界点分析

不同拉伸速度下的断裂应力-断裂温度临界点如图5 所示。

图5 不同拉伸速度下的断裂应力-断裂温度临界点Fig. 5 Fracture Stress-fracture Temperature Critical Point at Different Tensile Speeds

由图5 可以看出，该钢种拉伸速度较小时断裂温度较低，拉伸速度较大时断裂温度较高，热裂都发生在凝固末期。 拉伸速度为0.50 mm/min、0.75 mm/min 和1.00 mm/min 的临界断裂温度值分别是1 395 ℃、1 396 ℃和1 405 ℃，临界断裂应力值分别是1.9 MPa、2.2 MPa 和1.0 MPa，考虑拉伸速度为1.00 mm/min 的应力曲线在1 418 ℃时应力增长速率由慢变快，因此，实际生产中希望避开该温度区域，综合确定该钢种的易裂温度范围为1 395～1 418 ℃。 从图5 中还可看出，随着拉速的提高，试棒心部应力随时间增加得越来越快，心部应力达到极值点的时间会提前，试棒断裂临界温度会升高。

在实际生产中，Fe-0.4C-3.5Al-1.8Mn 高铝钢连铸坯凝固前沿除承受鼓肚应变、矫直应变、不对中应变外，还会有二冷区喷水不均匀导致的热应变。铸坯凝固过程中凝固前沿的应变积累，尤其是低延性1 395～1 418 ℃温度区间的总应变对产生内部裂纹有重要作用。 为避免糊状区出现较高的应变速率，或尽量避免1 395～1 418 ℃脆性区间出现高于5.34×10-5/s 对应的应力值而产生铸坯内部裂纹，生产中建议如下：

（1）支承辊严格对中，连铸机从上到下实行收缩辊缝；

（2）控制铸坯鼓肚敏感区即零段、 弯曲区和矫直区的辊子开口度误差为0.2～0.4 mm、 同一扇形段上下辊开口度和支承辊的弯曲度小于1 mm；

（3）优化二冷冷却工艺，得到合适的铸坯表面温度，避免出现较大的热应力。

3 结论

采用水平式高温拉伸方法可以定量地分析Fe-0.4C-3.5Al-1.8Mn 高铝钢铸坯凝固前沿的高温材料力学性能，得到的结论如下：

（1）Fe-0.4C-3.5Al-1.8Mn 高 铝 钢 铸 坯 热 裂温度区间为1 395～1 418 ℃；

（2）应变速率为5.34×10-5/s 时，高铝钢试棒在1 375 ℃产生热裂，随后愈合，应力曲线继续上升，完全凝固后再次发生断裂，且断裂应力较大。 应变速率为1.07×10-4/s 和1.60×10-4/s 时，试样裂纹发生于1 395 ℃和1 396 ℃，临界应力分别为1.9 MPa 和2.2 MPa，二者几乎具有相同的断裂温度和应力。 应变速率增加至2.14×10-4/s 时，断裂发生在较早期，断裂温度为1 405 ℃，且临界应力降至1 MPa。 因此，高铝钢铸坯临界平均应变速率不大于5.34×10-5/s。