终轧温度对hp250钢板冲击韧性的影响

终轧温度对hp250钢板冲击韧性的影响

1示波冲击试验冲击坚韧是评估钢板刚性的最简单方法之一。由于材料的冲击功是由材料启裂及裂纹扩展过程所吸收的能量所构成,因此冲击功并不能真实地反映材料的韧性。而示波冲击试验可以动态地记录裂纹从启裂、扩展至失稳的全过程,因此采用示波冲击试验技术就能更准确地评价钢的韧性。HP295焊接气瓶用热轧钢板的生产过程包括冶炼、连铸和热轧工艺,其中热轧工艺对钢板的组织和性能具有显著的影响。笔者对HP295热轧钢板进行了不同终轧温度条件下系列温度的示波冲击试验,并对钢板的示波冲击断口形貌进行了观察,分析了终轧温度与钢的冲击功、裂纹形成功及裂纹扩展功之间的关系,为提高材料的韧性提供了依据。2艺参数相同的参数试验材料为120t转炉冶炼、经连铸机铸成200mm×1150mm×5500mm的连铸坯,连铸坯以不同的终轧温度轧制成3.0mm×1150mm的热轧板卷,热轧其它工艺参数相同。试验材料的化学成分和热轧工艺参数见表1。示波冲击试验在RPSW150—300摆锤式示波冲击试验机上进行,分别制取三个方向的试样:垂直于轧制方向、平行于轧制方向和与轧制方向呈45°方向。对三个方向的同一批试样进行25℃,0℃,-20℃,-40℃,-60℃和-80℃的系列温度示波冲击试验。示波冲击计算机采样记录冲击时载荷—时间、载荷—位移、位移—时间和能量—时间的关系曲线。根据所记录的曲线绘出不同终轧温度下钢板冲击功(Ak)、裂纹形成功(Ei)和裂纹扩展功(Ep)随温度变化的曲线。用扫描电镜对冲击断口形貌进行观察。3试验结果及分析3.1铁素体晶粒度1#和2#试样的显微组织均为铁素体+珠光体,如图1所示。1#和2#试样的铁素体晶粒度分别为12级和11.5级。由图1可知,终轧温度较高的2#试样的显微组织比1#试样的显微组织要粗大一些。3.2冲击韧性和冲击功图2为1#和2#试样在-40℃和-80℃的横向示波冲击应力—位移的曲线。由图2可知:-40℃横向冲击时,1#和2#试样的冲击功均较高,随着位移的推移,应力首先达到最大值,然后随着裂纹的扩展,应力缓慢地下降,裂纹扩展过程中,应力呈阶梯状下降,表明裂纹扩展过程中受到一定的阻力,表明1#和2#试样在-40℃时均具有较好的韧性。在-80℃进行横向示波冲击时,1#试样的冲击韧性仍较高,其示波冲击曲线与-40℃横向冲击时的曲线相似。2#试样在-80℃进行横向示波冲击时,应力达到最大值后即开始急剧下降为零,表明2#试样应力达到最大值后,裂纹扩展很快,裂纹扩展所受阻力很小,发生了脆性断裂。图3为1#和2#试样的冲击功、裂纹形成功和裂纹扩展功随系列温度变化的曲线。从三个方向示波冲击试验的结果可知,终轧温度较低的1#试样的冲击韧性优于终轧温度较高的2#试样,并且温度越低,这种趋势越明显;当示波冲击温度为-80℃时,1#试样的冲击韧性仍较高,没有出现韧脆转变温度,2#试样的韧脆转变温度为-70℃左右。3.3冲击韧性试验示波冲击后的试样,在试样缺口一侧产生了收缩,而在与缺口相对的一侧,则产生了膨胀扩张。对1#和2#试样在各个试验温度下横向冲断后的宏观断口的LME进行测量,LME测量示意图见图4,LME测量结果见表2。由表2可知,冲击断口的LME与钢的冲击韧性具有较好的对应关系。1#和2#试样进行横向冲击时,其LME值均随着温度的降低而减小。终轧温度较低的1#试样,其LME值随着温度的降低呈均匀下降的趋势,至-80℃进行示波冲击时,没有出现明显的陡降现象;而终轧温度较高的2#试样的LME值,则由-60℃的4.0mm陡降至-80℃的3.6mm,表明2#试样在-70℃左右进行冲击试验时,试样产生了较小的塑性变形。3.4试验试件层裂断口形貌在扫描电镜下对1#和2#试样在系列温度下冲击的断口形貌进行观察,1#试样在-40℃下横向冲击的断口形貌如图5所示。1#试样在25～-80℃温度范围内进行冲击试验时,在其冲击断口处均可观察到紧靠缺口处局部的塑坑区,在试样的两侧边及与缺口相对的边上,是由塑坑构成的剪切唇,试样中部为拉长了的塑坑区和少量放射花样的解理区交替的窄带,冲击温度越高,解理区所占比例越小。2#试样进行系列温度示波冲击时,在紧靠缺口处也可观察到局部的塑坑区。在25～-60℃温度范围内进行冲击试验时,其断口形貌与1#试样相似。但与1#试样相比较,在相同的冲击温度下,2#试样的中部窄带区要宽一些,且窄带区中放射花样所占比例也要多一些。2#试样在-80℃温度下进行冲击时,其宏观断口平齐,断口附近的收缩很小,外观上也没有明显的宏观变形特征。其断口形貌为典型的解理断口,显微断口呈解理小平台,其脆性断口被周围很窄的剪切唇包围,其断裂为脆性断裂,对应的冲击功很小。4材料的扩展功由于示波冲击能够动态地记录材料在冲击过程中裂纹形成和裂纹扩展的全过程,因此裂纹形成和裂纹扩展的大小能够真实地反映材料的抗断能力。如果两种材料的冲击功相同,但二者的裂纹形成功和裂纹扩展功不同,则二种材料的抗断能力也不相同。在冲击载荷作用下,试样缺口根部首先发生塑性变形,当载荷达到最大值时,裂纹已在缺口上出现。以后随着载荷的逐渐下降,裂纹开始稳定扩展,此时裂纹扩展功的大小反映了材料的抗断能力。如果材料的扩展功大,则表明裂纹在扩展过程中,要克服较大的阻力,表明材料具有较高的抗断能力。裂纹扩展功与材料的晶粒大小有关。当终轧温度较高时(如2#试样),其铁素体晶粒较粗大,则单位裂纹长度上晶粒的平均数减少,裂纹传播所需要的能量也随之降低,裂纹扩展功降低,从而使韧性下降。粗大的晶粒,其晶界总面积减少,杂质浓度增加,表面能减小而易于脆断,并且粗大的晶粒在变形过程中,在三个晶粒接触点造成硬性应力状态,从而降低了AK值。因此终轧温度较高的2#试样的韧性比1#试样低。材料的韧脆转变行为与晶粒度、屈服强度、应变状态(用不同深度的缺口来影响应力状态)等因素有关。根据Hall—Petch关系可知,晶粒细化可使材料强度提高,同时晶粒细化又能使转变温度降低。因此在其它因素保持不变的情况下,晶粒尺寸越小,韧脆转变温度越低。晶粒较细的1#试样在25℃～-80℃温度下进行冲击试验时,未出现韧脆转变温度,晶粒较粗大的2#试样的韧脆转变温度为-70℃左右。Thompson和Asbby指出:材料韧性的好坏与断口表面的粗糙度(断口韧窝的深度与直径之比)有关。断口表面粗糙度越大,材料的韧性越好。对断口进行分析发现,1#和2#试样在相同冲击温度下,其断口的粗糙度明显不同,终轧温度较低的1#试样的冲击断口粗糙度比终轧温度较高的2#试样要大一些,表明终轧温度降低,材料的冲击韧性提高。5冲击韧性与晶粒冲击强度的关系(1)终轧温度提高,钢的晶粒变粗大,钢的裂纹扩展功降低,其韧脆转变温度提高,示波冲击韧性降低。终轧温度较低的1#试样在-80℃进行示波冲击时,未出现韧脆转变。终轧温度较高的2#试样的韧脆转变温度为-70℃左右。(2)示波冲击温度越低,晶粒大小