含铌、钒、钛E Q4 7海洋平台用钢的高温塑性研究

袁慎铁， 赖朝彬， 陈英俊， 熊文名

（1.江西理工大学冶金与化学工程学院，江西 赣州 341000；2.新余钢铁集团技术中心，江西 新余338000）

0 前 言

在生产连铸坯的过程中，裂纹是铸坯的主要缺陷之一.在坯壳凝固的过程中，有可能产生表面裂纹或内部裂纹，产生裂纹的原因可能有设备、凝固条件、工艺操作等多方面的因素，但最本质的影响因素是连铸生产过程中钢的高温力学行为，即温度对钢的强度和塑性的影响[1].所以对钢的高温力学性能有充分的认识，才能在工艺方面采取正确的操作，对防止连铸坯生产过程中裂纹的产生有重要意义.

1 研究方法

本研究的对象属于海洋平台用钢，海洋平台支撑的各种设备总质量超过数百吨[2]，由于石油资源短缺和油价的上涨，海洋石油开采越来越占有重要地位，使得海洋工程用钢的需求量不断提高[3]，同时对海洋平台用钢的质量要求也越来越高.建造海洋平台用的钢板主要为360 MPa级，少量的为400 MPa级和极少量的超高强度船板[4].460 MPa级海洋平台钢的级别可达到460 MPa.

针对含铌、钒、钛EQ47海洋平台用钢进行研究，钢种成分如表1所示，采用热模拟实验方法对其高温力学性能进行研究，为优化连铸生产工艺参数奠定实验基础.

表1 EQ47钢的主要化学成分

1.1 试样制备

在含铌、钒、钛EQ47海洋平台用钢的钢板上取制试样，试样的长度方向与拉坯方向垂直，试样加工规格为φ10 mm×110 mm且两头为M10 mm×1.5 mm的螺纹的标准圆柱形试样.

1.2 试验装置

制备好的试样放在Gleeble-1500D热模拟机上进行试验.试验在真空的状态下进行，试样水平放置.在安装试样之前，在试样中间用高压电弧焊机焊上一对镍硅镍铝热电偶.焊接好了放置于热模拟试验机中按操作规程进行热模拟试验.

1.3 测试步骤

（1）试样放置好后，抽真空，以10℃/s的速度加温至1 350℃并保温3 min，再以3℃/s的速度降至试验温度，保温1 min后，以1×10-3/s的形变速率进行拉伸变形，直至试样拉断.（试验温度点：600℃，650℃，700℃，750℃，800℃，850℃，900℃，950℃，1 000℃，1 050℃，1 100℃，1 150℃，1 200℃，1 250℃，1 300℃和1 350℃）

（2）测量拉断部位的横截面直径，计算断面收缩率.

（3）统计试样的强度变化，作出高温塑性曲线，分析脆性区间.

1.4 断口形貌分析

在扫描电镜下观察断裂试样的断口形貌，分析断口形貌类型及断裂机理，判断是否存在第二相粒子.结合EQ47海洋平台用钢合金元素Nb、V、Ti的含量，分析其对试样高温塑性的影响.

2 试验结果

由热模拟试验所得数据绘制高温塑性曲线，如图1所示.

由图1的断面收缩率曲线可知，含铌、钒、钛EQ47海洋平台用钢零塑性温度为1 350℃，在1 350～1 150℃，随着温度的下降，断面收缩率急剧上升；在1 150～950℃，断面收缩率比较平稳，在950℃以下，断面收缩率急剧下降，至750℃时断面收缩率（RA）降至最低点，达到29.44%；温度继续下降，RA又有所上升，至600℃时RA升至69.75%.

以RA=60%作为临界点来判断钢的高温塑性[5]，那么含铌、钒、钛EQ47海洋平台用钢的第Ⅰ脆性温度区间为1 270～1 350℃，600～900℃为钢的第Ⅲ脆性区间，900～1270℃为钢的高温塑性区.

3 钢的断裂机理分析

3.1 1 270～1 350℃的断裂机理分析

在此温度区间内，断裂主要是受液相影响.由在1 350℃试验的代表试样断口形貌图2（d）可知，在晶界处有由熔化而导致的小洞与裂缝，这说明了试样在升温时产生液相，在凝固收缩的过程中形成小洞与裂缝.再者，此区间的温度高，晶界处有磷、硫等低熔点杂质，晶界处容易形成液膜，所以此温度区间的断裂是沿晶断裂.

图1 EQ47钢的高温塑性曲线

3.2 1 270～900℃的断裂机理分析

在这一温度区间内，试样的断面收缩率都在60%以上，试样的塑性较好.由950℃、1 250℃代表试样的断口形貌图2（b）和图2（c）可知，断口处都有韧窝存在.这可能受两方面的影响，第一个方面是试样在拉伸试验的过程中，由于发生晶界滑移而阻止裂纹的聚合长大，这样提高了钢的高温塑性；第二方面的原因是在此温度区间内，有液相存在，又发生动态再结晶，会提高钢的高温力学性能[6]，所以提高了钢的高温塑性.综上所述，此温度区间的断裂存在穿晶断裂.

图2 钢分别在750℃、900℃、1 150℃、1 350℃拉伸时的断口形貌

3.3 900～600℃的断裂机理分析

此温度区间属于钢的第Ⅲ脆性区间，在塑性低谷极低值750℃时的断面收缩率仅为29.44%，在750℃周围，塑性普遍都比较差.由图2（a）给出的750℃时断口形貌可知，断口形貌为冰糖状，断裂周围基本没发生塑性变形，表现出极差的塑性.

在这一温度区间，存在奥氏体单项、铁素体单项、奥氏体铁素体两相区的三相区.随着温度降低，奥氏体晶界开始有微细铁素体析出，并且在奥氏体晶界形成向奥氏体内部发展的铁素膜，由参考文献可知，在拉伸的过程中，铁素体的强度只是奥氏体相的1/4，所以在拉伸变形应力的作用下，铁素体会出现空洞[7].在晶界发生滑移的情况下，当晶内的形变与晶界处的形变不能协调时，就会在晶界处形成裂纹，特别是当晶界处存在硫化物夹杂和微合金析出物时，会导致应力更加集中在晶界粒子上，会产生沿晶断裂.再者，在温度升高的过程中，晶界滑移也增多，发生裂纹的趋势也增加.所以发生了沿晶断裂.

4 铌、钒、钛对钢的高温塑性的影响理论分析

4.1 Nb及其化合物对高温塑性的影响

含铌、钒、钛EQ47海洋平台用钢是含Nb钢种（Nb%=0.025）.Nb在实际生产中可以影响连铸坯的质量，因为Nb可以与钢中C、N结合成高熔点化合物，那么当连铸生产的温度降到奥氏体相区低温域时，钢中Nb的C、N化物会由γ晶析出，使钢的高温塑性降低，可能会导致实际生产中连铸坯的裂纹频繁出现[8-10].同时，还有研究[11]指出，在含镍钢的连铸过程，0.01%的铌都会诱发裂纹的产生.

Nb在钢中的析出温度可由欧文公式计算[12]：

log（Nb%）（C%+（12/14）N%）=-6 670/T+2.26

可得：Nb在钢中固溶析出（奥氏体中析出）的温度为1 398℃.说明在整个试验过程中，都有可能有Nb在奥氏体中析出.由于Nb可与钢中C、N结合成强的化合物，所以Nb在奥氏体中可以以C、N化合物的形式析出.Mintz[13]在研究Nb钢的高温力学性能时发现Nb（CN）在1 150℃以上的温度是固溶的，所以在1 150℃以上对钢的塑性无影响.有学者研究表明[14]，铌的C、N化合物在1 000℃以下时才会析出而对钢的高温塑性产生影响.

在试验过程中，当试验温度大于1 150℃时，Nb是固溶的，对钢塑性影响较小.在1 000～750℃之间，试验的断面收缩率表现出随温度下降而降低的趋势.在这个温度区间，由于铌的C、N化合物（NbC、 Nb（CN））的沿晶界析出而抑制钢的动态再结晶，随着温度降低，大量Nb的化合物沿晶界生长，且部分生长成粗大的晶界析出物.这会造成晶界的应力集中，析出物粒子会阻碍滑界面滑移，造成晶界破坏而降低钢的高温塑性，所以导致钢的高温塑性在1 000～750℃之间的降低.

4.2 Ti及其化合物对高温塑性的影响

含铌、钒、钛EQ47海洋平台用钢中Ti含量为0.015%，Ti及其化合物对钢的高温塑性会产生重大影响.在钢中加入微合金Ti会减少A1N在晶界的析出量，从而减少A1N对高温塑性的不利影响，使钢的高温塑性得到改善.Ti较Nb、V、A1会优先与N结合，从而使Nb、V、A1的C、N化物的析出受到抑制，从而对改善钢的塑性产生积极作用.

钢中的钛会与氮反应生成TiN、Ti（CN），某些析出物会细化奥氏体晶粒，对高温塑性产生积极影响.同时，Ti元素会促进铁素体在晶界、晶内同时析出，促进了实验钢在750℃以下温度的高温塑性回复.

但随着温度的降低，钛的析出物会逐渐增多，对钢的高温塑性产生不利影响.钛析出物的尺寸越小，对钢的高温塑性破坏就越大，因为细小的晶界析出物对钢奥氏体的晶界迁移起到钉扎作用，而使钢的塑性降低[15]；细小的析出物会占据奥氏体在结晶过程中的形核点，达到抑制动态再结晶的目的[16].

一般认为，钢中TiN的析出温度低于钢的固相线温度[17]，固相线温度计算公式[18]：

由此可计算Ts=1 481℃.说明在试验温度范围内都有可能有TiN的析出，但TiN析出物颗粒大且在钢中零星分布，对钢的高温塑性一般无不良影响.而且TiN的还可以作为Nb、V的C、N化物的析出核心，从而减少微细Nb、V析出物的数量，对钢的塑性产生积极作用.但如果TiN的析出时间较长，也会产生沉淀强化作用，阻碍奥氏体晶界滑移，降低材料的高温塑性.所以1 150～1 100℃的断面收缩率会降低.

4.3 Nb、Ti综合作用对高温塑性的影响

由于钢中的氮会优先与钛反应而后与铌反应，所以钢中的钛会抑制Nb（CN）的析出.这样就可以将对钢的高温塑性不良影响降到最低.

为了提高含铌、钒、钛EQ47海洋平台用钢钢种的高温塑性，针对Nb及其化合物的不良影响，在实际生产中有2条技术措施可以运用[12]：第1，控制好合适的拉坯速度和连铸坯冷却速度，通过矫直机避开钢的低塑性温度区间；第2，加入少量的钛合金，改变含铌钢的析出物形态.而本实验含铌、钒、钛EQ47海洋平台用钢中含有0.015%的钛.

4.4 V及其化合物对高温塑性的影响

有学者研究表明[14]，V的氮化物析出温度在925℃以下，由于V的氮化物析出，会在晶界处聚集，产生应力集中而导致晶界破坏，这是900℃的高温塑性比1 000℃的高温塑性要低的原因，也是导致900℃的端口形貌有小而浅的韧窝的原因之一.在第Ⅲ脆性区间，会有V的碳氮化物的析出，由于低温析出物的尺寸较少，会对晶界滑移起着钉扎作用，而成为断口形貌（750℃）产生微小空洞的因素之一，从而最终会导致穿晶断裂.

但由于Ti元素的存在，由于Ti会优于V与氮结合，所以会对V的氮化物的析出产生一定抑制作用，这是对高温塑性有利的.

5 结 论

（1）在应变速率为1×10-3/s的拉伸试验中，钢存在2个脆性区间，即第Ⅰ脆性温度区间为1 270～1 350℃，第Ⅲ脆性区间为600～900℃.

（2）从含铌、钒、钛EQ47海洋平台用钢的断口形貌上看，钢的断裂形式有穿晶断裂和沿晶断裂2种形式，在1350℃的断口形貌中有小洞和裂纹，这说明钢的高温塑性受到晶界的杂质和析出物的影响.

（3）对钢中所含铌、钒、钛的分析，它们都对钢的高温塑性在不同的温度段产生不同的影响.铌及其C、N化合物（NbC、Nb（CN））会导致钢的高温塑性在1 000～750℃之间的降低；V的氮化物析出是900℃的高温塑性比1 000℃的高温塑性要低的原因之一，也是900℃的端口形貌有小而浅的韧窝的因素之一，在第Ⅲ脆性区间，V的氮化物析出是导致断口形貌（750℃）产生微小空洞的因素之一，从而使其最终导致穿晶断裂；Ti会较Nb、V、A1优先与N结合，从而使Nb、V、A1的C、N化物的析出受到抑制，从而对改善钢的塑性产生积极作用，促进了实验钢在750℃以下高温塑性回复，但TiN的析出导致1 150～1 100℃的断面收缩率会降低.

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