CN111024513A - 一种连铸坯中间裂纹萌生临界应变测定的方法 - Google Patents

Abstract

一种连铸坯中间裂纹萌生临界应变测定的方法，属于连铸技术领域。该方法为：取样后，对连铸坯试样进行动态高温热模拟连铸过程，进行高温拉伸实验，得到各温度下拉断试样的应力‑应变曲线，根据拉伸后试样断口形貌及断口液相率确定裂纹萌生的实验温度，该裂纹萌生的实验温度处于实际ZDT～LIT温度区间，然后由应力‑应变曲线确定裂纹萌生的应变范围，最后在裂纹萌生的实验温度下进行不同应变量的拉伸实验，通过检查不同应变量试样有无裂纹产生、进而确定中间裂纹萌生的临界应变。该方法提供了连铸坯中间裂纹萌生临界应变测定的方法，更具普适性，其不受成分的限制，结果更准确。

Description

一种连铸坯中间裂纹萌生临界应变测定的方法

技术领域

本发明涉及一种连铸技术领域，具体涉及一种连铸坯中间裂纹萌生临界应变测定的方法。

背景技术

裂纹是连铸坯主要质量问题之一，在各类缺陷中裂纹约占50％。连铸过程铸坯发生相转变、碳氮化物在晶界的析出行为、不同组织间的性能差异是裂纹形成的根本原因。在高温区存在零塑性温度(ZDT)，ZDT温度附近材料介于固相和液相之间，流动性差、塑性低，在该温度区间裂纹极易产生；在奥氏体相的低温区，由于动态回复和动态再结晶较难发生，亦容易在塑性变形时形成裂纹。大部分中间裂纹是在凝固过程中形成，因此，中间裂纹也通常被称为凝固裂纹。钢液凝固过程中，在凝固前沿糊状区内钢液温度介于固相线和液相线温度之间，由于偏析等原因导致该温度下钢材塑性较低。糊状区内ZDT温度附近钢的塑性较低、易形成裂纹缺陷，很多学者等认为连铸过程大多数裂纹在凝固前沿糊状区内形成。糊状区内元素偏析，导致局部位置理论ZDT温度降低，最终导致ZDT温度低于平衡相变理论ZDT温度。

专利申请CN103920859A“一种连铸板坯内部裂纹在线预测方法”，将铸坯从结晶器弯月面到控制区末端划分为若干个切片，在忽略沿拉坯方向传热的基础上，建立每个切片的二维凝固传热的切片热跟踪模型；通过切片热跟踪模型对铸坯凝固过程进行动态跟踪，将所有切片连在一起动态描述整个铸流的温度场分布；根据温度场分布或铸坯凝固参数，通过鼓肚应变模型在线实时计算铸坯产生的鼓肚应变，同时设定铸坯的临界应变值作为产生内部裂纹的标准，当鼓肚应变超过铸坯临界应变值时，铸坯即发生内部裂纹。此方法可以在线预测连铸板坯内部裂纹，但是连铸板坯具体实际临界应变值测量的关键技术并未涉及。

专利申请201210046904.9“一种铸坯内裂缺陷的在线预报方法”其在现有的L2级计算机中或相同控制等级上，设置一模型计算机，通过实时、在线模拟计算铸坯的冷却凝固过程，获得铸坯内部的受力应变信息，再根据应变的变化趋势实时地对铸坯的内裂缺陷进行预报；然后把生产过程中的铸坯质量信息及时传递到切割L1计算机，可广泛用于板坯连铸生产过程中铸坯之切割过程的优化/控制领域。在外力的作用下，连铸板坯会产生一定的应变，若累积应变超过了临界应变，就会出现内部裂纹。此方法可以把铸坯信息传递给切割机，但是连铸坯应变参数，具体实际临界应变值的测量方法，裂纹检测手段尚未介绍。

ISIJ International“Estimation of critical strain for internal crackformation in continuously cast slabs”论文为了准确地预测连铸板坯内部裂纹的形成情况，提出了基于钢种、应变速率、坯壳厚度、表面温度等因素的连铸板坯内部裂纹临界应变的计算公式。这个方程特点是ZDT在固-液界面附近，没有定量研究，没有对应变量、具体ZDT温度临界值进行进一步定量研究。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种连铸坯中间裂纹萌生临界应变测定的方法，该方法对连铸坯中间裂纹萌生进行相关实验，能够准确预测连铸坯中间裂纹萌生临界应变，对生产提出减少中间裂纹萌生的实施对策，进而控制裂纹缺陷，提高铸坯质量。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明的一种连铸坯中间裂纹萌生临界应变测定的方法，包括以下步骤：

(1)取样

在连铸坯宽度、厚度1/4线和距离表面10mm线之间取样，取样方向平行于拉坯方向，得到连铸坯试样；

(2)拉伸实验

根据钢种确定理论ZDT温度与理论LIT温度，根据确定好的理论ZDT温度确定拉伸温度，在不同拉伸温度下对连铸坯试样进行动态高温热模拟试验，得到不同拉伸温度下拉断试样的应力-应变曲线，将拉伸实验后的拉断试样进行气冷；

(3)确定ZDT温度和临界应变范围

根据不同拉伸温度下拉断试样的断口形貌及断口液相率，确定裂纹萌生的实验温度，该裂纹萌生的实验温度处于实际ZDT～LIT温度区间；

根据裂纹萌生的实验温度下进行拉断试样的应力-应变曲线，确定中间裂纹萌生的临界应变范围，在此临界应变范围内进行不同应变量的拉伸实验，得到不同应变量对应的试样；

(4)确定临界应变

对不同应变量对应的试样进行显微观察，根据是否有裂纹产生确定临界应变，将刚产生裂纹的应变量作为中间裂纹萌生的临界应变；

所述的一种连铸坯中间裂纹萌生临界应变测定的方法中，根据步骤(3)确定的实际ZDT～LIT温度区间以及步骤(4)确定的中间裂纹萌生的临界应变，进一步确定低于实际ZDT～LIT温度区间5℃下，中间裂纹形成的风险性，从而验证中间裂纹在实际ZDT～LIT温度区间较易形成，在低于该温度区间时中间裂纹较难形成。

所述的步骤(1)中，取样应该避开中心偏析、疏松较为严重的中心区域。

所述的步骤(2)中，动态高温热模拟试验中，其连铸过程的加热制度为：从室温以10℃/s的升温速率加热至1200～1300℃、该温度需根据钢种进行调整，在该温度保温20～25s达到均匀成分和温度的目的，再以10℃/s的升温速率加热至拉伸温度以下10℃，再调整升温速率为0.4～0.6℃/s加热至拉伸温度，保温8～15s，再以6×10^-3s^-1应变速率进行拉伸实验。

所述的步骤(2)中，拉伸温度根据理论ZDT～LIT温度区间确定，其为低于理论ZDT温度20℃～40℃的温度。

所述的步骤(2)中，连铸坯的理论ZDT温度通过连铸坯成分确定。

所述的步骤(3)中，实际裂纹萌生的实验温度需要根据拉伸试样的断口形貌与断口液相率确定，其断口形貌无颈缩现象，且断口液相率<1％。

所述的步骤(3)中，不同应变量的拉伸实验采用步骤(2)中确定的动态高温热模拟试验，通过程序设定，应变速率一定，改变拉伸时间，得到不同应变量对应的试样。

所述的步骤(4)中，所述的显微观察采用金相显微镜或扫描电子显微镜作为观察设备，对是否有裂纹情况进行显微组织观察。

本发明提供一种连铸坯中间裂纹萌生临界应变测定的方法，其有益效果为：

本发明通过高温拉伸实验测定连铸坯中间裂纹萌生的临界应变，确定相应钢种中间裂纹萌生的临界准则，为裂纹风险分析提供依据。

相比于现有的采用成分确定临界应变的方法，本发明的方法更具普适性，其不受成分的限制，结果更准确。

附图说明

图1为中间裂纹萌生实验拉伸试样取样图；

图2为中间裂纹萌生实验加热制度；

图3为裂纹形成的理论温度区间示意图；图中，ZDT为零塑性温度，LIT为零补缩温度，ZST为零强度温度，T_l为液相线温度；

图4为轴承钢不同温度下拉伸试样及其断口；

图5为不同拉伸温度下试样断口SEM全貌：(a)1310℃，(b)1315℃，(c)1320℃；

图6为不同拉伸温度下试样断口SEM局部放大图：(a)1310℃，(b)1315℃，(c)1320℃；

图7轴承钢1315℃不同应变量下拉伸试样金相图片；

图8为轴承钢1315℃裂纹SEM图片；

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及优点更加清楚下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

实施例1

本实施例中，采用的钢种为轴承钢。

一种连铸坯中间裂纹萌生的临界应变测定的方法，包括以下步骤：

(1)取样

中间裂纹萌生实验拉伸试样取样位置如图1所示，得到的连铸坯试样为拉伸实验做准备；

(2)拉伸实验

制定实验方案，采用如图2所示的中间裂纹萌生实验加热制度，从室温以10℃/s的升温速率加热到1200℃；在1200℃保温20s以均匀成分和温度；再以10℃/s的升温速率加热到拉伸温度以下10℃；接着以0.5℃/s加热到拉伸温度，保温10s以6×10^-3s^-1的应变速率进行拉伸实验，得到拉断试样和拉伸温度下拉断试样的应力-应变曲线，最后将拉断试样喷气体冷却；

连铸坯中间裂纹形成机理为：中间裂纹产生在脆性凝固区，零补缩温度(LIT)到零塑性温度(ZDT)区间，其产生主要取决于凝固面前沿所能承受的应力应变，在该温度区间内当凝固前沿承受的应变超过临界应变时，则产生裂纹，通过该机理可知，如图3所示本实验应首先确定拉伸温度，拉伸温度为低于理论ZDT温度的20～40℃，本实施例中，其理论ZDT温度为1347℃。

因此，本实施例确定的拉伸温度分别为：(a)1310℃，(b)1315℃，(c)1320℃；平行做三组实验；

在各拉伸温度下将试样拉断，得到各个拉伸温度下拉断试样的应力-应变曲线，其拉断实验的断口如图4所示；

(3)确定裂纹萌神的实验温度

观察断口形貌，对断口形貌进行了扫描电子显微镜(SEM)表征，表征结果如图5、图6所示；通过各个拉伸温度下拉断试样的断口形貌的颈缩现象和断口液相率进行观察，1310℃温度下拉伸时，试样无明显颈缩现象，表明该温度已在固相线附近；1315℃时，试样亦无明显颈缩现象，且断口处无大面积熔化区域，此时应处于ZDT温度左右；1320℃拉伸时，试样断口处熔化现象明显，从而根据拉伸试样及其断口形貌和断口液相率确定裂纹萌生的实验温度为1315℃。

取连铸坯试样，在裂纹萌生的实验温度下，通过控制拉伸时间，进行不同应变量的拉伸实验，其应变量分别为：(a)ε＝0.02，(b)ε＝0.03，(c)ε＝0.04，(c)ε＝0.05，(c)ε＝0.06；平行做5组实验；

对得到不同应变量对应的拉伸试样，使用线切割在拉伸试样的中间实验区域切开，使用金相显微镜与SEM观察其是否有裂纹情况，其金相照片如图7所示；

首先通过金相显微镜观察不同应变量条件下的试样，随着应变量的增加，试样先形成了细小空洞；进而形成了一些不连续的细小裂纹。然后通过SEM进一步表征裂纹的形成，确定临界应变为ε＝0.05，其SEM图如图8所示。

实施例2

一种连铸坯中间裂纹萌生的临界应变测定的方法，同实施例1，其不同之处在于：

(1)在确定了裂纹萌生的实验温度和临界应变后，在低于实际ZDT-LIT温度区间的温度(1310℃)下，取连铸坯试样，采用从室温以10℃/s的升温速率加热到1200℃；在1200℃保温20s以均匀成分和温度；再以10℃/s的升温速率加热到1300℃；接着以0.5℃/s加热到1310℃，保温10s以6×10^-3s^-1的应变速率进行拉伸实验，分别进行不同的拉伸时间，得到不同应变量的拉伸实验，其应变量分别为：(a)ε＝0.02，(b)ε＝0.03，(c)ε＝0.04，(d)ε＝0.05，(e)ε＝0.06；平行做5组实验；

(2)对得到不同应变量对应的拉伸试样，使用线切割在拉伸试样的中间实验区域切开，使用金相显微镜与SEM观察其是否有裂纹情况，从而预测低于实际ZDT～LIT温度区间5℃的温度下，中间裂纹形成的风险性，证明中间裂纹在ZDT温度以上较易形成，当温度低于实际ZDT～LIT温度区间时，裂纹较难形成。

实施例3

一种连铸坯中间裂纹萌生的临界应变测定的方法，同实施例1，其不同之处在于：

(1)选取连铸坯钢种不同，为微合金钢连铸坯；

(2)在步骤2中，微合金钢连铸坯加热制度为从室温以10℃/s的升温速率加热到1300℃；在1300℃保温20s以均匀成分和温度；再以10℃/s的升温速率加热到拉伸温度以下10℃；接着以0.5℃/s加热到拉伸温度，保温10s以6×10^-3s^-1的应变速率进行拉伸实验。

(3)在步骤3中，本实施例确定的裂纹萌生的实验温度为1430℃；

(4)在步骤3中，根据确定的裂纹萌生的实验温度对应的拉断试样的应力-应变曲线，得到中间裂纹萌生的临界应变范围：(a)ε＝0.01，(b)ε＝0.02，(c)ε＝0.03，(d)ε＝0.04，根据不同应变量的拉伸试验，得到中间裂纹萌生的临界应变为0.04。

Claims (6)

1.一种连铸坯中间裂纹萌生临界应变测定的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)取样

在连铸坯宽度、厚度1/4线和距离表面10～15mm线之间取样，取样方向平行于拉坯方向，得到连铸坯试样；

(2)拉伸实验

根据钢种确定理论ZDT温度与理论LIT温度，根据确定好的理论ZDT温度确定拉伸温度，在不同拉伸温度下对连铸坯试样进行动态高温热模拟试验，得到不同拉伸温度下拉断试样的应力-应变曲线，将拉伸实验后的拉断试样进行气冷；

(3)确定裂纹萌生的实验温度和临界应变范围

根据不同拉伸温度下拉断试样的断口形貌及断口液相率，确定裂纹萌生的实验温度，该裂纹萌生的实验温度处于实际ZDT-LIT温度区间；

根据确定的裂纹萌生的实验温度对应的拉断试样的应力-应变曲线，确定中间裂纹萌生的临界应变范围，在此临界应变范围内进行不同应变量的拉伸实验，得到不同应变量对应的试样；

(4)确定临界应变

对不同应变量对应的试样进行显微观察，根据是否有裂纹产生确定临界应变，将刚产生裂纹的应变量作为中间裂纹萌生的临界应变。

2.根据权利要求1所述的连铸坯中间裂纹萌生临界应变测定的方法，其特征在于，所述的连铸坯中间裂纹萌生临界应变测定的方法中，根据步骤(3)确定的实际ZDT-LIT温度区间以及步骤(4)确定的中间裂纹萌生的临界应变，进一步确定低于实际ZDT-LIT温度区间5℃下，中间裂纹形成的风险性，从而验证中间裂纹在实际ZDT-LIT温度区间较易形成，在低于该温度区间时中间裂纹较难形成。

3.根据权利要求1所述的连铸坯中间裂纹萌生临界应变测定的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，拉伸温度根据理论ZDT温度确定，其为低于理论ZDT温度20℃～40℃的温度。

4.根据权利要求1所述的连铸坯中间裂纹萌生临界应变测定的方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，裂纹萌生的实验温度可通过观察拉伸试样的断口形貌及断口液相率确定，其断口形貌无颈缩现象，且断口液相率<1％。

5.根据权利要求1所述的连铸坯中间裂纹萌生临界应变测定的方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，不同应变量的拉伸实验采用步骤(2)中确定的动态高温热模拟试验，通过程序设定，应变速率一定，改变拉伸时间，得到不同应变量对应的试样。

6.根据权利要求1所述的连铸坯中间裂纹萌生临界应变测定的方法，其特征在于，所述的步骤(4)中，所述的临界应变确定采用金相显微镜或扫描电子显微镜观察各应变量拉伸后试样是否有裂纹形成，进而确定裂纹萌生的临界应变。

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