430、444不锈钢连铸坯的高温力学性能研究

周士凯，杨剑洪，黄 军，王 蓉，刘 驰，4

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710018；2.广西柳钢中金不锈钢有限公司，广西 玉林 537600；3.内蒙古科技大学，内蒙古 包头 014010；4.济南热电集团有限公司，山东 济南 250002)

0 前言

430、444铁素体不锈钢有着优良的耐腐蚀性[1]和在高温下的抗氧化性[2]，分别被广泛应用于制造无缝管、器具装饰[3]和贮水槽、太阳能热水器、热交换器[4]等方面。目前国内外对于这两种铁素体不锈钢的高温力学性能研究较少[5-11]。本文主要通过Gleeble-1500D热/力模拟试验机来测试两个钢种的高温力学性能，研究两种不锈钢在高温下的力学性能变化。研究结果对分析两种不锈钢在连铸生产时不同温度下产生裂纹的机理、确定冷却制度和矫直温度具有重要的意义。

1 实验内容和方法

1.1 实验试样

选用某钢厂生产的430、444不锈钢连铸坯进行高温拉伸试验。将连铸坯加工成尺寸为120 mm×Φ10 mm的试样，两端15 mm加工螺纹便于夹持。图1为试样加工尺寸图，表1为两钢种的主要化学成分。

表1 430、444不锈钢连铸坯的主要化学元素的质量分数

图1 430、444不锈钢连铸坯试样示意图

1.2 实验方案

采用Gleeble-1500D热/力模拟试验机进行不锈钢试样的高温拉伸实验。测试温度范围及温度点为：600～1 350 ℃区间每50 ℃一个温度点，1 350～1 400 ℃区间每25 ℃一个温度点，1 400～1 440 ℃区间每20 ℃一个温度点。试样在<1 200℃时先以10 ℃/s的升温速度升温到1 200 ℃，并保温5 min，后以1 ℃/s的降温速度降到拉伸温度，并保温3 min，进行拉伸。在≥1 200 ℃时试样以10 ℃/s的升温速度直接升温到测试温度，并保温5 min，以5×10-3/s的应变速率进行拉伸，试样拉断后程序自动结束，试样加热制度如图2所示。

图2 430、444试样在不同温度下的加热制度

其中断后横截面积的测量方法按照GB/T228.1—2010规定，将试样断裂部分仔细地配接在一起，使其轴线处于同一直线上。对于圆形横截面积试样，在缩颈最小处互相垂直的方向测量直径，取其算数平均值计算最小横截面积。原始面积的测量方法为拉伸前在试样中间两边引伸计标距处。两铜夹块厚度为 30 mm，结合试样螺纹内长度为90 mm，可知试样两夹持部分之间平行部分的长度即平行长度Lc=30 mm，通过分析加热时试样的平行长度内的温度分布，得知在20 mm内温差较小，即本实验选取引伸计标距Le=20 mm，如图3所示。互相垂直的方向测量直径取其算数平均值计算原始横截面积。

图3 夹持试样示意图

2 实验结果与分析

2.1 430、444不锈钢的高温强度性能

抗拉强度和屈服强度是表征不锈钢高温强度性能的两个重要的参数。在力-应变曲线上找到试验过程中的最大力值Fm，将其除以试样原始截面面积S0即得到抗拉强度[12]。即

σb=Fm/S0

图4(a)为430不锈钢在不同温度下的应力应变曲线，图4(b)为444不锈钢应力应变曲线。可以看出不同温度下的应力应变曲线都是典型的塑性拉伸曲线，在温度超过1 000 ℃后，抗拉强度显著减小。

图4 430、444不锈钢在不同温度下的应力-应变曲线

图5为不同温度下的材料抗拉强度对比图。从图5可以看出，430、444两种连铸坯的抗拉强度都随着温度的升高而降低，说明随着温度的升高，两种连铸坯的强度变差。430不锈钢连铸坯的抗拉强度在600～900 ℃范围内下降幅度很大，从600 ℃时的472.7 MPa迅速下降到900 ℃时的64 MPa；在1 200 ℃之后430不锈钢连铸坯的抗拉强度趋近于平缓；当温度超过1 200 ℃时，430不锈钢抗拉强度小于20 MPa，表明在此温度后，铸坯所受到的应力易超过强度极限而使铸坯产生非均匀性塑性变形，进而产生裂纹。444不锈钢连铸坯的抗拉强度在600～950 ℃范围内下降幅度很大，从600 ℃时的407.6 MPa迅速下降到950 ℃时的60 MPa；在1 150 ℃之后444不锈钢连铸坯的抗拉强度趋近于平缓；当温度超过1 250 ℃时，444不锈钢连铸坯抗拉强度小于20 MPa。

图5 430、444不锈钢的抗拉强度与温度的关系

430、444两种不锈钢无明显的屈服现象，按要求(一般为0.2%)测定规定塑性延伸强度或规定残余延伸强度[13]。从图6中可以看出两钢种的屈服强度都随温度的升高而降低，说明随温度的升高两钢种抵抗外力的能力将会变差。430不锈钢连铸坯的屈服强度在600～900 ℃范围内下降幅度很大，900 ℃时达到第一个最低值，约为61 MPa，在1 200 ℃以后曲线趋于平缓；当温度超过1 200 ℃以后，屈服强度小于20 MPa。444不锈钢连铸坯的屈服强度在600～950 ℃范围内下降幅度很大，950 ℃达到第一个最低值，约为52 MPa，在1 200 ℃后曲线趋于平缓；当温度超过1 200 ℃以后，屈服强度小于20 MPa，说明1 200 ℃以后444连铸坯极易产生均匀性塑性变形。

图6 430、444不锈钢连铸坯的屈服强度与温度的关系

在1 250～1 440 ℃范围内，两种钢的屈服强度与抗拉强度的差距很小，屈强比为80%～95%，说明试样在此温度区间的塑性很差，在断裂前塑性“储备”太少，应力集中敏感，安全性下降，材料强度的有效利用率低。

2.2 430、444不锈钢连铸坯的高温热塑性

在钢的熔点Tm～600 ℃温度区间，存在三个明显的脆性温度区[14]。Tm～1 200 ℃为第Ⅰ脆性温度区[15]，是高温韧脆性转变区；1 200～900 ℃为第Ⅱ脆性温度区[16]；900～600 ℃为第Ⅲ脆性温度区，为低温脆性温度区。其中第Ⅲ脆性温度区主要在应变速率比较低的情况下出现[17]，实际生产时连铸过程中产生裂纹现象与第Ⅲ脆性温度区有着密切的关系。

本实验选用断面收缩率来衡量连铸坯塑性的优劣。断面收缩率>60%定义为高塑性，收缩率<60%定义为低塑性。从图7中可以看出，430不锈钢连铸坯在800～900 ℃出现一个低温区的塑性凹槽，在850 ℃左右的断面收缩率约为55%，说明430连铸坯的第Ⅲ脆性温度为800～900 ℃；随温度的升高，断面收缩率开始上升；当温度超过1 350 ℃时，断面收缩率再一次降低，在1 338 ℃时约为59.81%，说明430不锈钢的第Ⅰ脆性温度为Tm～1 338 ℃，在此温度区域铸坯的塑性和强度都非常低，虽有一定的强度，但没有抵抗塑性变形的能力，所以产生裂纹的几率比较高；在1 050～1 300 ℃断面收缩率较高，为80%～90%，通过宏观观察试样断口，其有着明显的颈缩，说明此温度区间铸坯的塑性较好，为高温塑性区域。

图7 430、444不锈钢的断面收缩率与温度的关系

444不锈钢连铸坯的第Ⅲ脆性温度在本次实验的测试温度范围内没有表现，但从图7中可以看出在600 ℃以下的低温区，断面收缩率曲线可能有着进一步下降的趋势，因此推断该钢种的第Ⅲ脆性温度在600 ℃以下；当温度超过1 350 ℃时，断面收缩率开始降低到60%以下，在1 327 ℃时约为57.18%，这表明444不锈钢的第Ⅰ脆性温度为Tm～1 327 ℃；除此之外该钢种在其他温度区间均保持着较高的断面收缩率，说明其塑性较好。

2.3 不同应变速率下的拉伸比较

本研究在应变速率为5×10-3/s的基础上，为了得到应变速率与连铸坯强度和塑性的关系[18]，分别采用5×10-2/s、5×10-4/s的应变速率来进行比较实验。实验方法与加热制度和5×10-3/s拉伸实验相同，测试温度点为600～1 200 ℃每100 ℃一温度点，如图8～图9所示。

图8 430不锈钢在5×10-4/s、5×10-2 /s应变速率下的应力-应变曲线

图9 444不锈钢在5×10-4/s、5×10-2 /s应变速率下的应力-应变曲线

图10为两种不锈钢不同应变速率下的抗拉强度随温度变化图。从图10可以看出，拉伸应变速率不同时对应的同温度下的强度会有所差异，总体上两种不锈钢随着拉伸应变速率的增大，抗拉强度也呈现增大的趋势。两种不锈钢在600～900 ℃时强度的差异性较大，在1 000～1 200 ℃时强度的差异性较小。

图10 不同应变速率下抗拉强度比较

图11为两种不锈钢在不同应变速率下的断面收缩率随温度变化图。从图11可以看出，三种应变速率下的断面收缩率变化趋势大致相同，个别点差异较大，原因为在5×10-4/s的应变速率下拉伸过程进行慢，导致热电偶丝偏离试样中心，进而导致试样中间受热不均匀，测温不准。430不锈钢在700～1 200 ℃时断面收缩率随着应变速率的增大而增大，在800～900 ℃区间，当应变速率为5×10-2/s时，不锈钢断面收缩率保持在73%以上，塑性较好，没有出现塑性凹陷，当应变速率为5×10-4/s时，出现塑性凹陷，也就是第Ⅲ脆性温度区间，这说明不锈钢的三个脆性温度区间与应变速率有着很大的关系。444不锈钢在实验测试温度范围内保持着较高的塑性性能。

图11 不同应变速率下断面收缩率比较

图12为两种不锈钢不同应变速率下断裂时的最大应变比较。从图12可以看出，在各个温度点下不锈钢断裂时的最大应变量[19](伸长量)随应变速率的增加而增大，这从侧面反映两种不锈钢在应变速率较大时塑性性能比较好。其中430不锈钢在800～900 ℃区间曲线出现凹槽，对应图的第Ⅲ脆性温度区间。另外两钢种在1 100 ℃左右应变量达到最高值，说明在1 100 ℃左右不锈钢的塑性较好，在此温度后最大应变值开始降低，表明在此温度后塑性逐渐变差。

图12 不同应变速率下不锈钢断裂时最大应变比较

3 结论

(1)430、444不锈钢的抗拉强度和屈服强度在超过1 200 ℃时均小于20 MPa，表明两不锈钢在此温度后的强度较差；并且屈强比较大，约为80%～95%，表明此温度后的材料受到微小力时易产生非均匀性塑性变形，出现颈缩现象，增加裂纹的发生几率。

(2) 430不锈钢连铸坯的第Ⅰ脆性温度为Tm～1 338 ℃，第Ⅲ脆性温度为800～900 ℃，在1 050～1 300 ℃时的断面收缩率均大于60%，塑性较好；在二次冷和矫直区域时，建议连铸坯的表面温度应该保持在1 050 ℃以上；444不锈钢的第Ⅰ脆性温度为Tm～1 327 ℃，本实验测试温度范围没有表现出该钢种的第Ⅲ脆性温度，根据断面收缩率曲线推测应该在600 ℃以下；该钢种在600～1 050 ℃均保持较好的塑性。

(3)通过另外两种应变速率的比较实验得出两不锈钢的强度随应变速率的增加而增大，断裂时的最大应变(伸长量)也会增加，断面收缩率有增大的趋势但不明显。