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1、304 不锈钢高温力学性能的物理模拟关小霞 田建军 杨健指导教师：杨庆祥 胡宏彦博士燕山大学 材料科学与工程学院摘要：采用Gleeble-3500热模拟试验机对304不锈钢的高温力学性能进行了物理模拟。对 模拟结果中应力-应变曲线进行分析，并结合断口附近组织形貌的观察，得出结论：金属的 极限应力随温度升高呈下降趋势；在& -Fe向Y -Fe转变的某一温度，金属塑性急剧下降； 对断口附近金相组织及SEM分析，推测晶界处可能存在着元素偏聚或析出相现象。 关键词： 304不锈钢；力学性能；物理模拟1. 前言：双辊铸轧不锈钢薄带技术是目前冶金及材料领域的前沿技术之一 1，是直 接用钢水制成 2-5mm
2、 厚薄带的工艺过程。该技术可以大大简化薄带钢的生产流 程，降低生产成本，并形成低偏析、超细化的凝固组织，从而使带材具有良好的 性能，被公认为钢铁工业的革命性技术2、3。但是，不锈钢经铸轧后，薄带表 面会形成宏观的裂纹，从而降低不锈钢薄带的力学性能，影响其质量4-6。国内外在双辊铸轧不锈钢薄带技术上已经开展了一些研究工作。文献 7对 比了铸轧铁素体和奥氏体不锈钢薄带；文献8、9对铸轧 304 不锈钢薄带过程中 高温铁素体的溶解动力学进行了研究；文献10对不锈钢薄带铸轧过程中凝固热 参数和组织进行了研究；文献11-14对不锈钢薄带铸轧过程中的流场和温度场进 行了数值模拟；文献15对铸轧 304 不
3、锈钢薄带的力学性能进行了研究。文献16 对 304 不锈钢在加热过程中的高温铁素体形核与长大和夹杂物在固液界面的 聚集进行了原位观察；文献17对薄带铸轧溶池液面进行了物理模拟；文献18 对铸轧不锈钢薄带过程的凝固组织、流场、温度场及热应力场进行了数值模拟。 但是，缺少对铸轧不锈钢薄带表面与内部裂纹的生成机理、演变规律以及预防措 施方面的研究。在高温性能物理模拟方面，国内外也有不少研究。 文献 19应用 THERMECMASTOR-Z 热加工模拟机对奥氏体不锈钢的高温热变形进行了模拟 试验；文献20利用Gleeble-1500试验机对铸态奥氏体不锈钢在1000-1200C温 度区间进行了热压缩试
4、验；文献21从位错理论角度出发，对高钼不锈钢热加工 特征与综合流变应力模型进行了研究。但是，对铸轧不锈钢薄带高温力学性能的 物理模拟方面的研究却极少。为此，本项目前期工作对实际双辊铸轧生产过程中的薄带裂纹进行了研究， 阐明了双辊铸轧不锈钢薄带表面与内部裂纹的生成机理。在此基础上，本阶段研 究工作拟采用物理模拟的方法研究 304 不锈钢的高温力学性能，揭示双辊铸轧 不锈钢薄带裂纹的演变规律。2.试验方法：采 用 Gleeble-3500 热 模 拟 试 验 机 进 行 高 温 力 学 性 能 的 物 理 。 试 样 为 010x125mm圆柱试样，采用凝固法，先将试样以10C/s的速度加热至13
5、30C, 保温2min,然后以20C/s的速度冷却到固相线以下规定的拉伸温度，在恒温下 以1X10-%的拉伸速率进行拉伸变形。测得304不锈钢在不同变形温度下的应 力-应变曲线。制作金相和扫描试样，进行金相观察和 SEM 观察，对断口附近组织进行进 一步观察研究。3.实验结果及分析3.1 304 不锈钢高温应力-应变曲线分析本试验在 Gleeble3500 热模拟试验机上，测得了 304 不锈钢在不同温度下 的应力-应变关系曲线。图 3-1 为热模拟试样拉伸断口的宏观形貌，从图中可以 看出拉伸温度为1150C和1200C的试样断口处出现了明显的颈缩，断面收缩率 较大，属于延性断裂；其余试样在拉
6、伸过程中几乎没发生塑性变形，断面收缩率 很小，属于脆性断裂。即温度为1150C-1200C范围内塑性较好。700C 800C900C 1000C1100C1150C1200C1250C 1300C 1330C图 3-1 304 不锈钢拉伸断口的宏观形貌)aPM(sertS)aPM(sertS0-0.10.23 2 2 1500500.00 0.05 0.10Strain0.020-Strain0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 Strain)aPM(sertS00003210.00.10.20.30.4Strain140 ；120 -100 ；80 ；60 ；40 ；20 -0.000.0
7、20.04Strain0.06(d)0.020.0400004321 )aPM(ssertS0.000.00.10.20.3Strain)aPM(sertSStrain)aPM(sertS图 3-2 304 不锈钢在不同温度下拉伸的应力-应变曲线(a)700C (b)800C (c)900C (d)1000C (e)1100 (f)1150C(g)1200C (h)13OOC图 3-2 为 304 不锈钢在不同温度下拉伸的应力 - 应变曲线。对比这几组曲线 可以看出，随着温度的升高，曲线在达到极限应力后越来越平缓。304 不锈钢变 形抗力与形变温度有一定关系，形变温度愈低，变形抗力愈大。温度在
8、700C至 1300C两者间时，以700C时的变形抗力最大，随着应变增大，拉伸应力不断增 大达到临界值后急剧下降，直到试样断裂；拉伸温度为1150C和1200C的试样， 在拉伸应力达到最大值后，随应变增加变化不大，对比图3-1 发现此时材料塑性 较好。变形抗力随形变温度升高而降低的主要原因是奥氏体强度随温度升高而降 低，因而温度愈高，变形愈容易；反之，形变温度愈低，变形愈困难，变形抗力 愈大。高温时塑性迅速下降是由于当温度达到6 -Fe向Y -Fe转变温度时，晶体由 体心立方向面心立方转变，晶体结构在此温度发生改变，在转变的瞬间晶格内部 及晶格间作用力最低，导致塑性下降。当受到拉应力作用时，裂
9、纹迅速扩展，试 样断裂。3.2 断口附近金相组织分析对比试样断裂前端的金相照片，如图3-3所示，可以看出，拉伸温度为1200C 试样的缩孔最大。从前面应力-应变曲线分析出，试样在1200C拉伸时表现出来 的塑性最好，加上温度较高，使得1200C试样的应力-应变曲线在达到极限应后 并没有马上卸载，而是经过一段相对较长的时间，在拉应力作用下形成较大缩孔。图 3-3 在不同温度拉伸试样的断口前端的金相照片(a)800C (b)1100C (c)1200C (d)1300C图3-4拉伸温度为1300C试样的金相照片试样在温度为1300C时拉断，断口处金相照片如图4-11所示。从图中可以 看出，晶界处明
10、显凹陷。在制作金相试样时，由于 304 不锈钢耐腐蚀性很强， 故选用王水进行腐蚀。王水的腐蚀性极强，在腐蚀不锈钢试样的同时，也会将偏 聚的合金元素或析出相腐蚀。因此，采用 SEM 进一步进行观察。3.3 断口附近扫描形貌为了确定拉伸温度为1300C试样断口附近，凹陷处晶界是否为裂纹沿晶界 扩展现象，采用扫描电子显微镜对试样进行扫描，结果如图3 -5所示。从图中可 以看出，沿晶界凹陷处并没有像从金相照片中看到的凹陷的那么深，只是略低于 表面。说明此处的裂纹是沿晶界扩展，断裂类型是沿晶断裂，同时在晶界处存在 着元素偏聚或是析出相，被强腐蚀性物质王水的腐蚀掉，沿晶界留下较浅的凹陷。图3-5拉伸温度为
11、1300C试样的组织形貌扫描图（a）全貌（b）A区放大（c）B区放大(a)(b)(c)(d)(e)(f)20 UED图3-6拉伸温度为1300试样表面元素扫描(a)扫描区域(b)Cr (c)Fe (d)Mn (e)Ni (f)S对试样表面进行面扫描，选取 304 不锈钢化学成分的基本元素和易在晶界 偏聚元素Fe、Cr、Ni、Mn、S等元素进行，结果如图4-13所示。从图中可以看 出，各元素在扫描面上分布都很均匀，并没有出现偏聚现象，而晶界处又有凹陷 现象存在，推测晶界可能处存在着析出相或元素偏聚现象。4. 结论本阶段采用 Gleeble-3500 热模拟试验机对 304 不锈钢的高温力学性能进
12、行 了物理模拟。通过对模拟结果中应力-应变曲线的分析和断口附近组织形貌的观 察，得出结论：(1) 比较不同温度下的应力-应变曲线，拉伸温度在700 r至1300 r之间时, 以700 r时的变形抗力最大，温度为1150c和1200r时塑性较好；(2) 金属的极限应力随温度升高呈下降趋势；在6 -Fe向Y -Fe转变的某一 温度，金属塑性急剧下降；(3) 对断口附近金相组织及SEM分析，推测晶界处可能存在着元素偏聚或 析出相现象。5. 后续研究工作(1)建立有限元模型，对铸轧工艺过程中温度场、结晶过程、应力应变场 进行数值模拟、理论分析，并进行试验验证，确定其正确性。 通过实验得出铸 轧过程最佳
13、几何及工艺参量。(2)从工艺优化和钢材变质的角度，提出双辊铸轧不锈钢薄带预防开裂的 措施。6. 参考文献1. Y. K. Shin, T. Keng. Development of twin strip caster for sheet steels. Ironmaking and Stelingmaking, 1995, 22(1): 35-442. T. Saitoh, H. Hojio, H. Yaguchi. Two-dimensional model of twin-roll continuous casting. Metallurgical transaction, 1989, 2
14、0B(3): 381-390.3. A. Girgensohn, A. R. Buchner, K. H. Tacke. Twin roll strip casting of low carbon steels. Ironmak Steelmak 2000, 27: 317323.4. 王振敏，方圆，张跃，黄运华，齐俊杰.304不锈钢2mm铸轧薄带中的裂纹分 布和形成分析. 特殊钢, 2006, 27(3): 14-165. 康向东， 邸洪双， 张晓明. 双辊铸轧薄带钢裂纹形成原因分析 . 材料与冶金学报， 2002， (6): 106-1106. H. Yasunaka， K. Tanlgu
15、chi， M. Kokita. Surface Quality of Stainless Steel Type304 Cast by Twin Roll Type Strip Caster. ISIJ Intemational， 1995， (6): 7847. A. Hunter， M. Ferry. Comparative study of texture development in strip-cast ferritic and austenitic stainless steels. Scripta Materialia 2002, 47: 3493558. S.H. Kim， H.K. Moon， T. Kang， C.S. Lee. Dissolution kinetics of delta ferrite in AISI 304 stainless steel produced by strip casting process. Materials Science and Engineering A， 2003， 356: 390-/3989. J.E. Spinelli， J.P. Tosett
