22MnB5热成形钢连铸坯高温力学性能研究_王欢龙

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第30卷第2期塑性工程学报Vol.30No.22023年2月JOURNALOFPLASTICITYENGINEERINGFeb.2023引文格式:王欢龙,岳重祥,张志建,等.22MnB5热成形钢连铸坯高温力学性能研究[J].塑性工程学报,2023,30(2):170-176.WANGHuanlong,YUEChongxiang,ZHANGZhijian,etal.Researchonmechanicalpropertiesof22MnB5continuouslycastedslabathightemperature[J].Jour-nalofPlasticityEngineering,2023,30(2):170-176.22MnB5热成形钢连铸坯高温力学性能研究王欢龙,岳重祥,张志建,陈刚(江苏省(沙钢)钢铁研究院,江苏张家港215625)摘要:采用Gleeble-3800热模拟试验机对22MnB5热成形钢连铸坯在600~1300℃温度范围内的高温力学性能进行了测试,借助扫描电镜观察了高温拉伸后的断口形貌。系统分析了形变温度对应力-应变曲线、高温强度及热塑性的影响。结果表明,22MnB5热成形钢连铸坯的高温拉伸过程是形变强化和动态软化共同作用的结果,高温强度随形变温度的升高而下降。22MnB5热成形钢连铸坯的第1脆性区在1250℃至熔点范围内,为S和P元素在枝晶间偏析导致晶界熔融所致。第3脆性区在650~750℃范围内,为奥氏体晶界BN析出和奥氏体铁素体相变所致,加入Ti可使第3脆性区变窄且趋向较低温度区。在800~1200℃温度范围内22MnB5热成形钢连铸坯塑性良好,可为此类钢的连铸工艺制定提供参考,以减少铸坯裂纹缺陷的产生。关键词:22MnB5;连铸坯;热成形钢;高温强度;热塑性中图分类号:TG142.1文献标识码:A文章编号:1007-2012(2023)02-0170-07doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.02.020Researchonmechanicalpropertiesof22MnB5continuouslycastedslabathightemperatureWANGHuan-long,YUEChong-xiang,ZHANGZhi-jian,CHENGang(InstituteofResearchofIronandSteel,Shagang,JiangsuProvince,Zhangjiagang215625,China)Abstract:Hightemperaturemechanicalpropertiesof22MnB5continuouslycastedslabweretestedinthetemperaturerangeof600-1300℃byGleeble-3800thermalsimulator.Thefracturemorphologiesafterhightemperauretensionwereobservedbyscanningelectronmicroscope(SEM).Theinfluenceofdeformationtemperatureonstress-straincurves,hightemperaturestrengthandhotplasticitywasan-alyzed.Theresultsshowthatthehightemperaturetensileprocessof22MnB5continuouslycastedslabistheresultsoftheinteractionofdeformationstrengtheninganddynamicsoftening,andthehightemperaturestrengthdecreaseswiththeincreaseofdeformationtempera-ture.Thefirstbrittlezoneof22MnB5continuouslycastedslabisbetween1250℃andmeltingpoint,whichiscausedbythemeltingofgrainboundaryduetothesegregationofSandPelementsintheinterdendritic.Thethirdbrittlezoneisintherangeof650-750℃,whichiscausedbytheBNprecipitationinaustenitegrainboundaryandthephasetransitionofausteniteferrite,andtheadditionofTicanmakethethirdbrittlezonenarrowandmoveittothezonewithlowertemperature.Theplasticityof22MnB5continuouslycastedslabisgoodintherangeof800-1200℃,whichprovidesareferenceforthecontinuouslycastingprocessforthiskindofsteeltoreducetheoc-currenceofcracksincastedslab.Keywords:22MnB5;continuouslycastedslab;hotformingsteel;hightemperaturestrength;hotplasticity重要的发展趋势。随着交通运输业的发展,为提高引言车辆承载能力及满足安全节能环保的需求,高强减薄轻量化及节能降耗是汽车结构用钢产品的发展方当前,世界能源、资源和环境保护问题日趋严向。文献[1]和文献[2]表明,乘用车质量每降峻,汽车制造业用钢铁实现环保、安全和节能成为低10%,可节省燃油消耗6%~8%。采用热成形汽通信作者:张志建,男,1979年生,博士,高级工程师,主要从事冷轧钢板产品开发及应用研究,E-mail:zhangzj-iris@shasteel.cn第一作者:王欢龙,男,1983年生,硕士,工程师,主要从事汽车钢产品开发及应用研究,E-mail:250391022@qq.com收稿日期:2022-03-21;修订日期:2022-12-09

1第2期王欢龙等:22MnB5热成形钢连铸坯高温力学性能研究171车结构钢,车辆制造企业应用先成形后强化的加工淀,引起晶界脆化,大大降低钢的热塑性,使钢的[3][7-12]工艺,可以完美地解决强度与成形性间的矛盾,裂纹敏感性增加。本文以22MnB5含Ti热成形超高强热成形零件是目前实现车辆车身减薄轻量化钢连铸坯为研究对象,应用Gleeble-3800热模拟试验[4]最有效、最经济的手段之一。机测试高温力学性能,对其应力-应变曲线、高温强热冲压成形技术是一种先进的汽车零部件高强度、高温热塑性、断口形貌及裂纹成因等进行了研化制造技术,其首先将钢板加热至奥氏体化温度,究,为此类钢连铸生产工艺的制订和完善提供参考。然后在高温下进行汽车零部件的冲压成形,并在模具内将零件快速冷却淬火,从而获得具有马氏体组1试验[5-6]织的高强度零件。目前市场上广泛应用的热成形钢大多通过加入微量B元素来提高钢的淬透性、1.1试验材料强度和韧性,但B元素在改善钢性能的同时,在较试验用钢取自某钢厂生产的22MnB5热成形钢高温度下也极易与钢中的N结合并在奥氏体晶界沉连铸坯,其化学成分如表1所示。表122MnB5热成形钢连铸坯化学成分(%,质量分数)Tab.1Chemicalcompositionsof22MnB5constinuouslycastedslab(%,massfraction)成分CSiMnPSCrNbBTiN含量0.210.2~0.41.2~1.40.0110.0040.190.01~0.040.002~0.0040.02~0.040.002为测试热成形钢的高温力学性能,沿垂直铸坯纵向切取尺寸为14mm×14mm×140mm的长条试样,切取方式如图1所示,将长条试样加工成尺寸为Φ10.0mm×116.9mm的标准高温拉伸试样,并在试样两端加工M10的标准螺纹用于试验时试样的固定,如图2所示。图3高温拉伸试验方案示意图Fig.3Schematicdiagramofhightemperaturetensiletestscheme图1铸坯取样示意图Fig.1Schematicdiagramofcastedslabsampling5min,然后以3℃·s-1的降温速率将试样冷却至测试温度(600、700、750、800、850、900、950、1000、1050、1100、1150和1200℃),保温3min,-3-1然后以2×10s的应变速率拉伸试样至断裂,试样拉断后立即以50℃·s-1的冷却速率将试样冷却到室温,以保留高温下断口的形貌特征。图2高温拉伸试样尺寸Fig.2Dimensionsofhightemperaturetensilesample(2)试验温度高于1200℃时,将试样以10℃·s-1的升温速率直接加热到测试温度(12501.2试验方案和1300℃),保温5min后以2×10-3s-1的应变速率高温力学性能测试设备为Gleeble-3800热模拟拉伸试样至断裂,试样拉断后立即以50℃·s-1的-5试验机,真空室真空度为1.33×10MPa,测试温冷却速率将试样冷却到室温,以保留高温下断口的度范围为600~1300℃,拉伸试验方案如图3所示。形貌特征。(1)试验温度不高于1200℃时,首先以断口形貌观察设备为EVO18型蔡司扫描电子显10℃·s-1的升温速率将试样加热到1250℃并保温微镜,试样放入SEM样品仓前用75%酒精进行清洗

2172塑性工程学报第30卷并用吹风机吹干。上述现象主要是形变强化和动态软化过程共同[13-14]作用的结果,具体表现在以下几个方面:2结果及分析(1)随着塑性变形过程的进行,位错密度不断增加,使应力及组织的畸变能逐步增加,形变强化2.1工程应力-工程应变曲线效果占主导地位,应力随应变的增大而增加。随着通过Gleeble-3800热模拟试验机测定22MnB5变形过程的进一步进行,以畸变能为驱动力的动态热成形钢连铸坯试样在600~1300℃温度范围的工回复和再结晶的软化效果占主导地位,应力随应变程应力-工程应变曲线,如图4所示。由图可知,的增大而降低。初始阶段工程应力随工程应变的增加呈线性关系增(2)当测试温度升高到一定程度(不低于950℃),位错运动的驱动力增大,动态再结晶的软加,在试样所受外力撤销后,变形可以恢复原来的形状。当工程应力超过屈服极限后,试样发生均匀化作用抵消部分形变强化,对应应力-应变曲线中塑性变形且出现形变强化现象。在工程应力超过材就会出现应力随形变程度增加而缓慢下降并趋于水料的强度极限后,试样发生不均匀塑性变形并出现平的情况。(3)随着高温拉伸试验测试温度的升高,动态缩颈现象,工程应力随工程应变程度的增加呈逐渐再结晶时位错的滑移、攀移等运动使其密度减小,下降趋势,最后当应力达到颈缩处的极限抗力时试降低了畸变能,且温度越高,软化速率越快,动态样断裂。从图4中还可以看出,随着测试温度的升软化效果抵消部分形变强化,具体表现为应力及应高,工程应力-工程应变曲线整体向左下方移动,力峰值随测试温度的升高而逐渐下降。应力及对应峰值随试验温度的升高而下降,试样的2.2高温强度形变强化效果逐渐减小。作为铸坯高温力学性能的重要参数,铸坯试样在不同温度下的抗拉强度是表示铸坯抵抗裂纹萌生[15]和扩展能力的一个指标,在实际生产中,当应力大于铸坯抗拉强度时,铸坯产生裂纹的倾向性将增加,所以连铸板坯的高温强度可作为连铸生产工艺制定的依据之一。在热模拟试验机上对22MnB5热成形钢连铸坯试样在高温下进行拉伸,通过式(1)计算不同温度下试样的高温强度极限,即抗拉强度R。m4FR=(1)m2D0式中:D为试样原始直径(mm);F为拉伸过程中0的最大拉力(N)。图5为22MnB5热成形钢连铸坯高温抗拉强度随温度的变化曲线。从图中可以看出,22MnB5热成形钢的高温抗拉强度随测试温度升高而呈下降趋势。在600~950℃温度范围,随着温度的升高,抗拉强度下降最为明显,由380.3MPa减小到38.7MPa;当温度高于950℃时,高温抗拉强度很小,随温度的上升由38.7MPa减小到8.9MPa。说明在温度高于950℃时,22MnB5热成形钢连铸坯对受力比较图4不同温度下22MnB5热成形钢连铸坯试样的工程应力-工程应变曲线敏感,在受力较小的情况下容易发生非均匀塑性变(a)600~900℃(b)950~1300℃形而使得铸坯产生裂纹,所以22MnB5热成形钢在Fig.4Engineeringstress-engineeringstraincurvesof22MnB5温度高于950℃时应尽量避免受到大的应力,防止continuouslycastedslabatdifferenttemperatures铸坯裂纹的产生。

3第2期王欢龙等:22MnB5热成形钢连铸坯高温力学性能研究173图6为22MnB5热成形钢连铸坯高温拉伸断面收缩率随温度的变化曲线。从图中可以看出,22MnB5热成形钢的第1脆性温度区间在1250℃至熔点范围内,1250和1300℃时试样的断面收缩率分别为26.5%和8.9%,远低于40%。低拉速连铸生-3-3-1产的应变速率一般为1×10~5×10s,本测试采-3-1用的应变速率为2×10s。试验结果显示,在该应变速率下,第2脆性区温度范围内(800~1200℃),钢的断面收缩率有小幅下降,但是下降并不显著。这说明应变速率较低时,22MnB5热成形钢的第2图522MnB5热成形钢连铸坯抗拉强度随温度的变化Fig.5Variationoftensilestrengthof22MnB5constinuouslycasted脆性区已经弱化。第3脆性区在650~750℃温度范slabwithtemperature围,断面收缩率低于40%,在此温度区间连铸坯脆性大,裂纹倾向性增加。此区的形成主要是由于2.3高温热塑性γα相变脆化和γ晶界脆化,特别是22MnB5热连铸板坯在高温下的断面收缩率(Reductionof成形钢中加入的B与N结合形成BN颗粒沿γ晶界Area,RA)是衡量铸坯热塑性的重要指标,表示连析出导致的晶界脆化。但是从图中可以看出本文试铸过程中铸坯的高温韧性。RA值越大,铸坯的热验钢种第3脆性区较窄且处于较低温度范围,对比塑性变形能力越好。同高温抗拉强度一样也是连铸文献[9]的结果,只含B的类似成分钢坯第3脆性生产工艺制定的重要依据。测量试样高温拉伸原始区较宽且处于更高温度区;本试验钢中加入了微量和断裂后的截面直径,通过式(2)计算不同温度Ti合金,Ti与N在铸坯中冷却凝固时优先结合形成下试样的断面收缩率e。[21-22]RA较稳定的TiN粒子,从而抑制了B与N元素在22D-D01奥氏体晶界的结合析出,使得第3脆性区变窄且趋e=×100%(2)RA2D0向较低温度区;Ti的加入同时还提高了钢中有效固式中:D为试样的断后直径(mm)。溶硼对淬透性的贡献。1MINTZB[16]研究表明,如果断面收缩率高于40%,连铸坯的高温热塑性良好,而当断面收缩率小于40%时,铸坯产生裂纹的概率将大幅增加,所以可以将断面收缩率RA值小于40%作为脆性区判断的依据。SUZUKIHG等[17]研究表明,钢在熔点到600℃温度范围存在3个脆性温度区域:第1脆性区在熔点到1200℃温度范围内,这主要是由于硫、磷等杂质元素或其它微量元素在树枝晶间偏析使其凝固点下降,在高温下晶界熔融形成液相膜导致热塑性下降。第2脆性区在1200~900℃范围内,研究表图622MnB5热成形钢连铸坯断面收缩率随温度的变化Fig.6Variationoffracturesurfacereductionof22MnB5[15,17-18]明此脆性区随应变速率的减小逐渐弱化甚至continuouslywithtemperature消失,且脆化程度随应变速率的增大而增加。第3脆性区在900~600℃温度范围内,此脆性区产生的综合上述分析,22MnB5热成形钢的第1脆性区温主要原因是奥氏体γ铁素体α相变脆化和奥氏体度范围为1250℃至熔点之间,第3脆性区温度为650~γ晶界脆化[19-21]。前者是初生铁素体薄膜优先在奥750℃,而第2脆性区在应变速率较低时弱化。在实际氏体晶界形成,且强度较低,容易在晶界处变形形生产过程中,铸坯在扇形段特别是矫直段的温度应尽成裂纹源而导致晶界脆裂;后者是钢中BN等颗粒量避开脆性温度区,以减少铸坯裂纹缺陷的产生。沿奥氏体晶界析出引起的脆化,并且B元素的加入2.4断口分析[9]还会使得第3脆性区变宽且趋向较高温度区。图7为不同拉伸温度下22MnB5热成形钢连铸

4174塑性工程学报第30卷图7不同拉伸温度下的SEM断口形貌(a)700℃(b)800℃(c)900℃(d)1000℃(e)1200℃(f)1250℃Fig.7SEMfracturemorphologiesatdifferenttensiletemperatures坯的SEM断口形貌图,图8为连铸坯高温拉伸试样明这种脆性断裂与O、S等元素的晶间偏析密切相断口扫描电镜金相及晶界析出物EDS能谱分析。从关,此温度正好在第1脆性温度区,这与高温热塑图7中可以看出,在700℃时,断口形貌呈冰糖状,性分析结果相同。为脆性断裂,随温度的升高,韧窝尺寸增大,说明塑性越来越好。在1250℃时,断口形貌比较平整,3结论且有熔融物存在,这是O、S等元素在树枝晶间偏析形成的熔融液相膜而导致的脆性断裂。由图8可(1)22MnB5热成形钢连铸坯的高温拉伸过程知,在γ晶界处存在BN析出颗粒,导致晶界脆化是形变强化、动态回复和再结晶软化过程共同作用而断裂,该温度在第3脆性温度区,与断面收缩率的结果,应力随应变的变化是先增加后降低,且应分析结果吻合。在800~1200℃时其断口为典型韧力及应力峰值随形变温度的升高而逐渐下降。窝形貌,塑性较好,其断裂机制为塑性断裂,断口(2)22MnB5热成形钢连铸坯的高温抗拉强度附近晶界处存在O、S等元素偏聚区,更进一步说随测试温度升高而呈下降趋势;在温度高于950℃

5第2期王欢龙等:22MnB5热成形钢连铸坯高温力学性能研究175图8断口扫描电镜金相及晶界析出物EDS分析(a)700℃(b)1250℃Fig.8SEMmicrostructuresoffractureandEDSanalysisofprecipitatesatgrainboundary时铸坯对受力比较敏感。的应用[M].北京:北京理工大学出版社,2015.LIJun,LUHongzhou,YIHongliang,etal.Lightweightofpas-(3)22MnB5热成形钢连铸坯的第1脆性区在1250℃到熔点范围,为O、S、P等元素在枝晶间偏sengercarandniobium-microalloyingsteel[M].Beijing:BeijingInstituteofTechnologyPress,2015.析导致晶界熔融所致;第3脆性区在650~750℃范[3]CHANGY,LIXD,ZHAOKM,etal.Influenceofstresson围,为γ晶界BN析出和γα相变导致的脆化,martensitictransformationandmechanicalpropertiesofhotstamped且加Ti后使得第3脆性区变窄且趋向较低温度区。AHSSparts[J].MaterialsScienceandEngineeringA,2015,(4)本试验钢在应变速率较低时,第2脆性区629:1-7.弱化,在800~1200℃温度范围铸坯塑性良好,可[4]MAENOT,MORIKI,NAGAIT.Improvementinformabilitybycontroloftemperatureinhotstampingofultra-highstrengthsteel为此类钢连铸矫直工艺的制定提供参考,以减少铸parts[J].CIRPAnnalsManufacturingTechnology,2014,63坯裂纹缺陷的产生。(1):301-304.[5]易红亮,常智渊,才贺龙,等.热冲压成形钢的强度与塑性参考文献:及断裂应变[J].金属学报,2020,56(4):429-443.[1]金学军,龚煜,韩先洪,等.先进热成形汽车钢制造与使用YIHongliang,CHANGZhiyuan,CAIHelong,etal.Strength,的研究现状与展望[J].金属学报,2020,56(4):411-ductilityandfracturestrainofpress-hardeningsteels[J].Acta428.MetallurgicaSinica,2020,56(4):429-443.JINXuejun,GONGYu,HANXianhong,etal.Areviewofcur-[6]陈扬,孙正启,张晓欣,等.热冲压模具温度和贴合状态对rentstateandprospectofthemanufacturingandapplicationofad-22MnB5组织性能的影响[J].塑性工程学报,2021,28vancedhotstampingautomobilesteels[J].ActaMetallurgicaSini-(9):11-18.ca,2020,56(4):411-428.CHENYang,SUNZhengqi,ZHANGXiaoxin,etal.Influenceof[2]李军,路洪洲,易红亮,等.乘用车轻量化及微合金化钢板dietemperatureandbondingstateforhotstampingonmicrostruc-

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