高磷耐候薄帶低溫沖擊試驗(yàn)方法研究

磷酸是廢鋼中最重要的雜質(zhì)元素，易形成中心偏析和脆弱性。另一方面，向鋼中添加適量的磷有助于提高耐候性。因此,廢鋼回收的關(guān)鍵在于如何去除磷的中心偏析造成的不利影響。然而常規(guī)工藝中抑制磷的中心偏析相當(dāng)困難。雙輥薄帶鑄軋是一種直接把鋼水澆鑄成1～5mm薄帶的前沿技術(shù),利用薄帶鑄軋生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)的高磷鋼中,和常規(guī)板坯中的中心偏析相反,磷往往偏析于薄帶表面。利用這一冶金特點(diǎn)使磷偏析于薄帶表面,提高薄帶耐候性能的同時降低基體磷含量,可能獲得薄帶的耐候性能、強(qiáng)度、塑性和韌性最優(yōu)組合。筆者前期工作證實(shí)了高磷含量的鑄軋薄帶強(qiáng)塑性能和耐候性能優(yōu)于常規(guī)耐候鋼,而作為一種結(jié)構(gòu)鋼,鑄軋薄帶的低溫韌性有必要給予評價,但由于鑄帶厚度尺寸小無法加工成標(biāo)準(zhǔn)夏比沖擊試樣,基于此種情況,文章研究了一種非標(biāo)準(zhǔn)試樣的低溫沖擊試驗(yàn)方法,并采用此方法評價了高磷耐候鋼鑄軋薄帶的低溫韌性。1試驗(yàn)樣品和方法試驗(yàn)中采用30kg感應(yīng)爐在氬氣保護(hù)下進(jìn)行鋼水熔煉,熔煉后將鋼水從中間包澆注到兩個反向旋轉(zhuǎn)水冷輥(?450×254)mm和側(cè)封板組成的熔池內(nèi)制備鑄軋薄帶,澆注溫度為1560℃,以20m/min的鑄軋速度,1mm的預(yù)設(shè)輥縫鑄軋出厚度為1.7mm的薄帶。采用二輥可逆軋機(jī)將酸洗后的鑄軋薄帶以53%的總壓下量冷軋至0.8mm。為了便于比較,采用真空感應(yīng)熔煉爐制備了化學(xué)成分相同的120mm厚鑄錠,鑄錠經(jīng)開坯、熱軋至3mm、酸洗后被冷軋至0.8mm作為對比樣品。鑄軋、冷軋帶和對比樣品均以100℃/min的升溫速度從室溫升至750℃,保溫30min后隨爐緩慢冷卻至室溫,并分別以TCA和HCA表示,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)見表1。在擺錘沖擊機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)測量TCA薄帶的沖擊功,與對比樣品HCA薄帶沖擊功進(jìn)行橫向比較。在低溫沖擊實(shí)驗(yàn)中,沖擊試樣見圖1,其尺寸除厚度為0.8mm外其余尺寸都按照國標(biāo)金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法GB/T229-1994取值。由于薄帶厚度方向的尺寸(0.8mm)為非標(biāo)尺寸,為避免樣品沖擊時發(fā)生扭曲設(shè)計并采用了圖1所示的卡具,其中圖2(a)為卡具實(shí)物圖,圖2(b)為截面圖和主要尺寸。沖擊試驗(yàn)結(jié)束后,在掃面電子顯微鏡上進(jìn)行斷口形貌觀察。采用型號為JXA-8500F的場發(fā)射電子探針顯微分析儀(FE-EPMA)對薄帶縱截面進(jìn)行磷元素的定量分析。2試樣升溫過程液氮和異戊烷以不同的比例在低溫容器中混合以獲得不同的低溫環(huán)境。將樣品浸入低溫容器2min使之溫度均勻,然后將其轉(zhuǎn)移到卡具中,薄帶沖擊試驗(yàn)見圖3。試樣從低溫容器中取出到試驗(yàn)機(jī)擺錘落下的時間內(nèi),試樣與空氣、卡具的接觸傳熱等因素會造成試樣溫度的激烈上升。為了解試樣溫度變化情況,估算試樣在沖擊時刻的溫度,對物理參數(shù)的實(shí)際測量起到指導(dǎo)作用,需要用軟件對整個試樣的升溫過程進(jìn)行模擬計算。文章根據(jù)傳熱原理通過有限元法(集成商用軟件ANSYS)計算樣品的溫升。模擬過程分兩大部分,時間共7s。第一個部分是試樣從低溫容器中取出后暴露在空氣中,這個過程試樣和環(huán)境間存在輻射和對流兩種換熱方式,用時5s。第二個部分是試樣放到卡具上到擺錘擊打試樣時刻,試樣和卡具之間以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行換熱,這是試樣升溫的主要過程,用時2s。為了避免重復(fù)說明,文章以試樣的初始溫度為-90℃為例。2.1網(wǎng)格劃分和溫度場根據(jù)沖擊試樣的實(shí)際尺寸,建立模型。所建立模型的類型及材料特性:單元類型為Brick8node70,耐候鋼密度、比熱和導(dǎo)熱系數(shù)分別為7800kg/m3、425J/(kg·K)和52W/(m·K)。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分見圖4(a),網(wǎng)格劃分后節(jié)點(diǎn)數(shù)為990,特殊節(jié)點(diǎn)標(biāo)號見圖4(b)。加載時間為5s,試樣初始溫度為-90℃,環(huán)境溫度為20℃。試樣從低溫容器中取出后暴露在空氣中,試樣和外界環(huán)境經(jīng)過5s的輻射、對流復(fù)合換熱后其溫度場見圖5(a),由于輻射和對流的強(qiáng)度都很小,5s后試樣溫度只上升了約6℃,而且由于試樣的厚度很薄,在空氣中的獲得熱量較少,試樣整體的溫度是均勻變化的。圖4(b)中特殊節(jié)點(diǎn)溫度隨時間變化情況見圖5(b),特殊點(diǎn)的溫度曲線基本重合且各點(diǎn)的溫度是直線上升的,5s后試樣的溫度為-84℃。2.2試樣與卡具的接觸模型根據(jù)試樣與卡具的實(shí)際接觸情況,建立如圖6(a)所示的模型,試樣與卡具接觸的幾何模型中重要的尺寸關(guān)系已經(jīng)標(biāo)出,其他尺寸對計算影響不大。設(shè)定卡具的單元類型與材料的特性和試樣相同。對試樣與卡具的接觸模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分見圖6(b)。換熱方式為熱傳導(dǎo),加載時間和試樣初始溫度分別為2s和-84℃,由于試樣的體積較小,與整個卡具比較可忽略,吸收熱量較少,因此認(rèn)為試樣對卡具的溫度場不會產(chǎn)生影響,設(shè)定卡具的溫度恒定為環(huán)境溫度20℃。2s后試樣的溫度場見圖7(a)。可以看出,和卡具接觸的試樣兩端,在接觸后溫度十分快速地上升到和卡具相同的溫度,即室溫20℃。隨后熱量由試樣兩端向中間傳遞,試樣中間部分的溫度逐漸升高。特殊節(jié)點(diǎn)的溫度曲線見圖7(b),中心點(diǎn)溫度由-84℃升高到-32℃,升高了52℃。3結(jié)果和討論3.1s時,7s后響應(yīng)面為5、5、10、10、3.5、10.3、5.10、5.2不同沖擊溫度時的試驗(yàn)結(jié)果當(dāng)試樣初始溫度為-90℃時,經(jīng)ANSYS軟件模擬計算7s后沖擊開始時刻的沖擊溫度為-32℃,而當(dāng)系列沖擊溫度為2、-15、-35、-55、-75、-90、-110、-130、-150、-165、-180℃時,7s后均對應(yīng)著一個沖擊溫度。圖8示出了試樣初始溫度TS(℃)和沖擊溫度TI(℃)之間的關(guān)系,根據(jù)圖8的數(shù)據(jù)擬合出沖擊溫度TI與初始溫度的關(guān)系如式(1):TI=0.475TS+10.73(1)3.2試驗(yàn)結(jié)果及分析圖9示出了TCA和HCA薄帶的單位沖擊功和沖擊溫度之間的關(guān)系,可以看出,含0.08%磷的常規(guī)薄帶HCA的DBTT值約為-60℃,這和文獻(xiàn)中晶粒度和磷含量大致相當(dāng)?shù)匿摬耐ㄟ^標(biāo)準(zhǔn)夏比沖擊試驗(yàn)得出的結(jié)果一致,表明采用本文的非標(biāo)準(zhǔn)試樣低溫沖擊方法是可行的。由圖中還可看出,含0.08%磷和0.15%磷的TCA薄帶的DBTT值分別約為-75℃和-45℃,均比相同磷含量的HCA薄帶低大約10℃。圖10示出了具有代表性的-68℃下的0.08%磷、-42℃下的0.15%磷HCA和TCA沖擊斷口形貌,從中可以看出0.08%磷HCA薄帶在-68℃沖擊后的斷口完全由解離刻面組成,表明它在這一溫度下沖擊發(fā)生脆性斷裂,而0.08%磷TCA薄帶的沖擊斷口則由大量拉長韌窩組成,表明它在這一溫度下仍然具有良好的韌性;對于0.15%磷HCA薄帶,在-42℃沖擊后的斷口上能觀察到大塊的解離刻面,而0.15%磷TCA薄帶,斷口形貌主要由大量韌窩組成,這和DBTT測量結(jié)果完全一致。使用場發(fā)射EPMA能夠準(zhǔn)確地獲得沿薄帶厚度方向的磷濃度分布。圖11示出了0.15%磷TCA和HCA薄帶沿薄帶厚度方向的磷濃度分布圖。對于TCA薄帶,在約75μm的表面層的平均磷濃度接近0.26%,而HCA薄帶表面的平均磷濃度低于0.14%,差值為0.12%。在TCA薄帶基體中平均磷濃度約為0.135%,而HCA薄帶基體中平均磷濃度約為0.152%,增加了約0.017%,相對增加量為15%。鋼中的磷含量越高,沿晶界偏析的磷越多,而偏析于晶界的磷使晶界弱化造成解離斷裂。在常規(guī)工藝生產(chǎn)的HCA薄帶中磷偏析于中心,在表面貧化;而在TCA薄帶中,磷偏析于薄帶表面,在基體貧化。在沖擊試驗(yàn)中,沖擊載荷主要作用在基體上。如果基體中的晶界被偏析的磷弱化,則抵抗斷裂的能力降低。本文中磷的晶界濃度可以根據(jù)Seah關(guān)于沿晶界的磷濃度Cgb按照方程式(1)進(jìn)行估算。Cgb1?Cgb=C0?exp(ΔGRT)Cgb1-Cgb=C0?exp(ΔGRΤ)(2)式中:C0為晶界附近基體的濃度;△G為Fe-P合金中磷的偏析自由能,R和T分別為氣體常數(shù)和開氏溫度。對于半定量的估算,可以合理地假定薄帶的△G為常數(shù)。根據(jù)方程(1)可以估算出,如果磷的體積濃度相對減少15%,那么磷的晶界濃度能夠減少10%,因此0.15%磷TCA薄帶基體中磷的晶界濃度能夠比0.15%磷HCA薄帶減少10%。根據(jù)Song等關(guān)于DBTT值與晶界磷濃度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式DBTT(℃)=3.38Cgb-91.95可以估算出,如果沿晶界的平均磷濃度降低10%,DBTT值能夠降低10℃。本文中含0.15%磷的TCA薄帶的DBTT值比HCA薄帶低大約10℃主要是因?yàn)?.15%磷TCA薄帶體積濃度的減少降低了沿晶界的磷偏析,從而減弱了磷對晶界的弱化。4試驗(yàn)結(jié)果及分析1)文章給出了一種針對鑄軋薄帶鋼的非標(biāo)準(zhǔn)系列低溫沖擊方法,采用有限