冷却速率对1Cr18Ni9Ti钢高温力学性能的影响

第42卷　第3期　2007年3月
钢铁
Iron and Steel
　Vol.42,No.3
March 2007
冷却速率对1Cr18Ni9Ti 钢高温力学性能的影响
梁建平1,　刘旭峰1,　王立新1,2,　翟启杰1
(1.上海大学材料科学与工程学院,上海200072;　2.太原钢铁(集团)有限公司技术中心,山西太原030003)
摘　要:利用G leeble 23800热模拟实验机研究了1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢从糊状区以不同速率冷却到不同温度时的高温力学性能。

研究表明,零强度温度(Zero Strength Temperature )和零塑性温度(Zero Ductility Tempera 2
ture )的温差小于20℃,大的冷却速率可以改善1Cr18Ni9Ti 不锈钢在1300℃以上时的热塑性。

凝固收缩和金属
液的补缩作用对1Cr18Ni9Ti 钢的高温力学性能有很大影响,随着固相率的升高,材料在拉伸破坏时由沿晶断裂转变为穿晶断裂方式。

关键词:奥氏体不锈钢;冷却速率;高温力学性能;凝固收缩;补缩能力
中图分类号:T G142.7 文献标识码:A 文章编号:04492749X (2007)0320056204
E ffect of Cooling R ate on High T emperature
Mechanical Properties of 1Cr18Ni9Ti Steel
L IAN G Jian 2ping 1,　L IU Xu 2feng 1,　WAN G Li 2xin 1,2,　ZHA I Qi 2jie 1
(1.School of Materials Science and Engineering ,Shanghai University ,Shanghai 200072,China ;2.Technology Center ,Taiyuan Iron &Steel (Group )Company L td.,Taiyuan 030003,Shanxi ,China )Abstract :With G leeble 23800thermal simulation testing machine ,the effect of cooling rate of specimens cooled from the temperature of mushy zone on high temperature mechanical properties of 1Cr18Ni9Ti was investigated.The ex 2perimental results showed that the interval between zero strength temperature (ZST )and zero ductility temperature (ZD T )is less than 20℃,and the hot ductility at 1300℃could be improved by increasing cooling rate.It is deemed that this change can be attributed to the combined effect of solidification shrinkage and feeding of remained melts.With the increase of the solid fraction ,the f racture is changed f rom the intergranular to transgranular.
K ey w ords :austenitic stainless steel ;cooling rate ;high temperature mechanical property ;solidification shrinkage ;feeding capacity
基金项目:上海科学技术委员会重点实验室合作开放资金资助项目(04DZ05621)
作者简介:梁建平(19812),男,硕士生; E 2m ail :jp_liang @ ; 修订日期:2006207229
冷却速率对钢的凝固过程有重要影响。

随着冷却速率的提高,铸坯裂纹倾向增大,因而限制了快速连铸和近终形连铸技术的应用,对于不锈钢等高合金钢而言这种问题更加严重。

为了改善铸坯质量、减少各种裂纹,非常有必要搞清楚材料在高温甚至在凝固过程中的力学性能。

目前对钢铁材料在此方面的研究大多还集中在碳钢等简单钢种,而对不锈钢等高合金钢研究较少,关于冷却速率对奥氏体不锈钢高温力学性能影响的研究更是鲜有报道[1～6]。

笔者利用Gleeble 23800热模拟实验机,通过对比以不同速率冷却到不同温度时1Cr18Ni9Ti 钢的断口形貌、热塑性、抗拉强度,分析了冷却速率对其高温力学性能的影响。

1　实验材料与方法
实验材料选用1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢,成
分如表1所示。

用示差扫描量热仪测得不锈钢的平衡凝固区间为1491.6～1417.0℃。

Dong Jin SE 2OL 等人[2]认为Gleeble 热模拟实验中当试样表面
温度升高到1400℃附近时,心部温度要高出表面65℃。

结合实际情况,本工作主体加热温度设为1370℃,这个温度已经进入了糊状区。

本文中的温
度均表示试样的表面温度。

实验过程如图1所示,先以10℃/s 的速度加热到1300℃附近,再以1℃/s 的速度加热到糊状
区(1370℃
),保温1min ,再以不同速率(215,20,35℃/s )冷却到不同温度(1360,1340,1320,1300,1250,1200℃
),立刻施加固定应变速率(10-3s -1),直至拉表1　实验材料的化学成分(质量分数,%)
T able 1　Chemical composition of steel
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Ti
Cu
0.0590.635 1.0390.02800.000817.5758.9410.4640.268
第3期梁建平等:冷却速率对1Cr18Ni9Ti
钢高温力学性能的影响
图1　试验过程
Fig.1　Schem atic diagram of tensile test
断试样。

实验过程中,热电偶焊在试样中部表面,并
用高温水泥固定以防热电偶脱落。

实验过程始终保持1.333～0.01333Pa 的真空度,以防止不锈钢的氧化。

用电子扫描显微镜对断口的中心部位进行观察。

2　实验结果及讨论
2.1　不锈钢的零强度温度和零塑性温度
零强度温度和零塑性温度是评价金属材料高温
力学性能的重要指标[6,7]。

本工作用加热法得到了不锈钢的零强度温度。

试样先以10℃/s 升温至1300℃,再以1℃/s 的速度继续加热,在此过程中始终给试样施加一个很小的应力(1.3M Pa ),当试
样不能承受这个力而发生断裂时即可得到零强度温度。

实验得到的零强度温度为1389.9℃。

图2(a )显示了此时的断口形貌,从中可以看到高温时的液态金属附着在枝晶表面凝固下来,从而显示了大量的枝晶立体形貌,这和文献[3]报道的断口形貌极其相似。

随后采用凝固法测量不锈钢的零塑性温度。

将试样加热到1370℃,保温1min ,以2.5℃/s 分别冷却到1340、1360℃,然后以10-3s -1的应变速率拉断,测量其断面收缩率。

实验发现1340、1360℃拉断时的断面收缩率分别为42.24%、21.70%,此值较大。

当在1370℃恒温拉断时,断面收缩率仍然有9.75%,但和1360℃拉断时的断面收缩率相比有大幅度的下降,因此推断其零塑性温度高于1370℃。

这样零强度温度和零塑性温度的温差小于20℃,小于文献[3,5]报道的碳钢两者的温差。

图2(b )为在1370℃直接拉断时的断口形貌,和图2(a )零强度温度的断口形貌相同,仍然为大量的枝晶
立体形貌,不同的是产生了少量的凝固收缩孔洞,这也从侧面证明了零塑性温度应该高于1370℃。

2.2　冷却速率对不同温度下的抗拉强度和断面收
缩率的影响图3为以不同速率冷却到不同温度时的抗拉强度和断面收缩率。

可以看出,无论冷速大小,抗拉强度均随拉伸温度的升高而降低。

但在1305℃以下,以小冷速冷却的抗拉强度大于以大冷却速率冷却的抗拉强度,而在1305℃以上的规律基本相反。

以小冷速冷却时,断面收缩率随拉伸温度的升高而下降;而以大冷速冷却时,断面收缩率没有显著变化,基本在0.55左右徘徊,甚至在1360℃拉伸时断面收缩率较低温时有较大的增长,达70%。

在1302℃以下,以小冷速冷却时的断面收缩率高于以大冷速冷却时的断面收缩率,在1302℃以上的规律相反。

因此,1Cr18Ni9Ti 钢冷却到1302℃以上时,大冷速冷却时的力学性能要好于小冷速冷却时的力学性能,而冷却到1302℃以下时,大冷速冷却时的力学性能要比小冷速冷却时要差。

图4是以35℃/s
冷却到不同温度时的断口形
(a )零强度温度(1380℃);　(b )零塑性温度附近(1370℃)
图2　断口形貌
Fig.2　Fracture occurred at ZST,near Z DT,SEM
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钢　铁第42
卷
图3　以不同冷却速率冷却到不同温度时的断面收缩率(a)和抗拉强度(b)
Fig.3　Comp arison of reduction of area and strength of specimens cooled at different rate as a function of
temperature
(a )1360℃;　(b )1300℃;　(c )1200℃
图4　以35℃/s 冷却到不同温度时的断口形貌
Fig.4　F ractures of specimens cooled to various temperature at a cooling rate of 35℃/s ,SEM
貌,可以看到,随着温度的降低,断裂方式从沿晶断
裂向穿晶断裂转变。

如图4(a ),在高温时固相率较低,溶质在枝晶间富集形成低熔点液膜,当液膜不能承受更大的凝固收缩应力时,便发生了高温沿晶界断裂。

这和文献[8,9]的研究结果一致。

当温度降低后枝晶纠缠在一起,承受拉应力时枝晶被拉断,图
4(b )、
(c )中都出现了枝晶被拉断的断面。

图5为以不同冷速冷却到1360℃时的抗拉强度和热塑性。

可以发现,在2.5～35℃/s 的冷速范围内,不锈钢的塑性呈逐渐升高的趋势,这是大冷速时固相率较低,致使液相较容易补缩,凝固收缩应力得到缓解所致。

研究中还发现,以20℃/s 冷却时的抗拉强度最高,继续增大冷却速率,抗拉强度又有所下降,但均比以2.5℃/s 冷却到1360℃时要高。

冷速大于20℃/s 后的强度下降和液相率的大量增加有关。

因此,大的冷却速率有利于改善材料的高温热塑性,但这种改善是以延后凝固过程为代价的,
也就是说当冷速增大时固相率会下降,这样又会降低抗拉强度。

冷却速率会对不锈钢的高温力学性能产生显著影响。

在连铸生产中,若铸坯各处的冷却速率不均,则容易诱发裂纹。

图6及图4(a )为以3
种不同冷
图5　以不同冷却速率冷却到1360℃时的断面收缩率
和抗拉强度
Fig.5　Comparison of reduction of area and strength of
specimens cooled at different rate to 1360℃
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第3期梁建平等:冷却速率对1Cr18Ni9Ti
钢高温力学性能的影响
(a )2.5℃/s ;　(b )21℃/s
图6　以不同冷却速率冷却到1360℃拉断时的断口形貌
Fig.6　Fractures of specimens cooled at different rate to 1360℃
速冷却到1360℃拉断时的断口形貌。

图6(a )中的
断口虽然被最后断开时的打火现象产生的熔融金属所覆盖,但仍然可以看出明显的凝固晶界,因此判断此时固相率最高。

图6(b )中有大量枝晶,在枝晶的端部出现了被拉断的断面,因此判断此时枝晶搭桥已经完成。

图4(a )中没有出现枝晶被拉断的痕迹,说明此时枝晶还没有完成搭桥,固相率最小。

因此,随着冷速的增加,冷却到同一温度时的固相率减小,这和文献[6]的结果一致。

3　结论
(1)奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti 在零强度温度
和零塑性温度附近的断裂与其凝固收缩有密切关
系,实验测得的零强度温度和零塑性温度之差小于20℃。

(2)大的冷却速率可使1Cr18Ni9Ti 钢的凝固温度降低,使同一温度下的液相率升高,提高液态金属的补缩能力,从而改善1300℃以上的力学性能,大大增加其塑性。

(3)凝固收缩和金属液的补缩作用对1Cr18Ni9Ti 钢的高温力学性能有很大影响,随着固
相率的升高,材料的破坏形式由沿晶断裂转变为穿晶断裂。

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