CN111208016B - 连铸坯表面裂纹扩展临界应变测定及其裂纹扩展预测方法 - Google Patents

连铸坯表面裂纹扩展临界应变测定及其裂纹扩展预测方法 Download PDF

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Abstract

一种连铸坯表面裂纹扩展临界应变测定及其裂纹扩展预测方法，属于连铸技术领域。该方法建立三维热/力耦合模型，模拟在连铸过程中，连铸坯传热、变形情况，得到浇铸全流程连铸坯表面应变连续演变云图，得到测试温度范围，在测试温度范围，通过预制裂纹试样的高温拉伸实验，得到应力‑应变曲线，通过在不同应变量下裂纹显微组织观察，能够准确测定连铸坯表面裂纹扩展临界应变，并基于临界应变对连铸坯表面裂纹扩展进行预测，对生产提出减少表面裂纹扩展的实施对策，进而控制裂纹缺陷，提高铸坯质量。

Description

连铸坯表面裂纹扩展临界应变测定及其裂纹扩展预测方法
技术领域
本发明涉及一种连铸技术领域，具体涉及一种连铸坯表面裂纹扩展临界应变测定及其裂纹扩展预测方法。
背景技术
连铸坯凝固过程中极易发生裂纹缺陷，是连铸坯三大质量问题之一。连铸坯裂纹类型迥异、成因复杂，但大多是由于浇铸过程中连铸坯某一位置处的热应力、机械应力等内外力超过了该位置处铸坯自身热塑性极限所导致的。因此，研究连铸坯裂纹萌生、扩展规律，需先依据实际铸坯的成分、组织、温度确定裂纹萌生和裂纹扩展的临界准则；再通过计算或模拟得到铸坯的变形状态；最后通过对比分析预测裂纹萌生、扩展的风险性。
一般认为，连铸坯表面裂纹主要在结晶器内萌生，在后继矫直、压下等过程中扩展。铸坯在结晶器阶段：一方面初凝坯壳在钢水静压力和渣道压力作用下发生变形，从而形成表面振痕，在结晶器振动与铸坯初凝过程中，机械应力与热应力最为集中；另一方面，由于铸坯收缩导致初凝坯壳角部与结晶器内部间形成气隙热阻，传热速率大幅下降，奥氏体晶粒粗大，在奥氏体晶界上先共析铁素体膜充分生长、微合金碳氮化物充分析出，大大弱化了晶界强度；在上述两方面的综合作用下，铸坯表面，特别是振痕谷底处，极易形成微裂纹。在后继顶弯、矫直、压下过程中，铸坯表面受到的机械应力与热应力将导致微裂纹进一步扩展，尤其是在矫直与压下过程中，铸坯沿拉坯方向变形显著，其恰好垂直于振痕方向，因此若振痕谷底处受到的拉应力超过临界扩展应力，将沿微裂纹进一步撕裂，形成真正的裂纹缺陷。
大量学者就裂纹临界准则进行了研究，其中，部分学者以应力作为裂纹产生的判断依据，但由于大多数仪器在应力测量方面量程大、精度较低，因此，结果不精确；而大多数学者则以应变作为评价标准，其一方面应变真实反映铸坯的变形情况，另一方面仪器对应变的测量也相对较准确。
裂纹临界准则的确定方法也不尽相同，如带液芯钢锭顶弯实验法、原位熔融弯曲实验法、浸入式激冷-撕裂实验法和高温拉伸法等。其中，高温拉伸实验法实验流程较为简单，采用热模拟实验机进行实验精度较高、误差较小，采用拉伸法确定临界应变的研究也比其他方法更为普遍。Young等(参考文献：Won Y M,Yeo T J,Seol D J,et al.A newcriterion for internal crack formation in continuously cast steels[J].Metallurgical and Materials Transactions B,2000,31(4):779-794)通过Gleeble热模拟实验机进行实验，确定了裂纹形成的临界应变；Yamanaka等(参考文献：Yamanaka A,Nakajima K,Okamura K.Critical strain for internal crack formation incontinuous casting [J].Ironmaking &Steelmaking,1995,22(6):508-512.)通过单向拉伸带液芯圆柱形试样确定了中间裂纹形成的临界应变；Chong等(参考文献：Yu C H,SuzukiM,Shibata H,et al.Simulation ofcrack formation on solidifying steel shell incontinuous casting mold[J].ISIJ International,1996,36(Sl):159-162.)通过拉伸和顶弯10mm×20mm×100～140mm的长方体试样，确定了裂纹形成的临界应变；Sony等(参考文献：Punnose S,Mukhopadhyay A,Sarkar R,et al.Determination of critical strainfor rapid crack growth during tensile deformation in aluminide coated near-αtitanium alloy using infrared thermography[J].Materials Science andEngineering:A,2013,576:217-221.)通过拉伸实验确定了钛合金裂纹扩展的临界应变；Enos等(参考文献：Enos D,Scully J.A critical-strain criterion for hydrogenembrittlement ofcold-drawn,ultrafine pearlitic steel[J].Metallurgical andMaterials Transactions A,2002,33(4):1151-1166.)通过拉伸圆柱形试样确定了裂纹形成的临界准则；Toru(参考文献：Kato T,Ito Y,Kawamoto M,et al.Prevention of slabsurface transverse cracking by microstructure control[J].ISIJ International,2003,43(11):1742-1750.)通过高温拉伸实验测定钢的热塑性进而评价裂纹产生的风险。可以看出，上述研究方法大多通过对铸坯样进行高温拉伸，测定断裂时的临界应变，均无法准确测定既有微裂纹裂纹的进一步扩展临界应变。
鉴于此，本发明提出了一种测定连铸坯表面裂纹扩展的临界应变的方法，并基于得到的临界应变连铸坯表面裂纹扩展进行预测，从而指导生产。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种连铸坯表面裂纹扩展临界应变测定及其裂纹扩展预测方法，该方法通过预制裂纹试样的高温拉伸实验确定角部裂纹扩展的临界应变，能够准确测定连铸坯表面裂纹扩展临界应变，并基于临界应变对连铸坯表面裂纹扩展进行预测，对生产提出减少表面裂纹扩展的实施对策，进而控制裂纹缺陷，提高铸坯质量。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明的一种连铸坯表面裂纹扩展临界应变测定的方法，包括以下步骤：
步骤1：制备拉伸试样
根据待测定的连铸坯成分，将连铸坯制成拉伸试样；
步骤2：确定连铸过程中表面温度变化范围与应力应变变化范围
建立三维热/力耦合模型，模拟在连铸过程中，连铸坯传热、变形情况，得到浇铸全流程连铸坯表面应变连续演变云图，确定应变集中位置，从而得到应变集中处的局部应变云图与局部温度云图，确定应变集中处对应的测试温度范围，并在该测试温度范围内选择多个温度作为测试温度；
步骤3：测试不同温度下表面裂纹扩展的临界应变
(1)根据步骤2确定的测试温度，对将步骤1制成的拉伸试样，在测试温度下，进行动态热力学模拟试验，得到不同测试温度下拉断试样的应力-应变曲线；根据不同测试温度下拉断试样的应力-应变曲线，确定各个测试温度的应力峰值所对应的应变，并将其确定为初步裂纹扩展临界应变；
(2)在步骤2确定的测试温度下，对拉伸试样进行不同应变量的动态热力学模拟试验，得到拉伸后的试样；将拉伸后的试样的裂纹扩展情况进行显微组织观察，根据裂纹是否扩展及扩展裂纹深度，确定此温度条件下连铸坯表面裂纹扩展的临界应变；从而得到测试温度范围内对应的连铸坯表面裂纹扩展的临界应变。
所述的步骤1中，拉伸试样的结构包括第一端部、第二端部、中间部和第一连接部和第二连接部，第一端部和第二端部设置在拉伸试样两端，第一端部通过第一连接部和中间部的一端连接，中间部的另一端通过第二连接部和设置在另一端的第二端部连接；所述的中间部设置有凹口，凹口位于中间部相对的两侧，凹口的角度为1-50°，优选为30°，深度为优选为1mm；
作为优选，所述的拉伸试样长度为140mm，第一端部和第二端部的长度均为10mm，直径为18mm，第一连接部和第二连接部的直径为10mm，中间部的长度为10mm，直径为8mm。
进一步的，所述的第一连接部和中间部的连接处设置有45°的倒角，第二连接部和中间部的连接处设置有45°的倒角。
所述的拉伸试样的结构，除可用于表面裂纹扩展临界应变测定外，还可用于其他各类连铸坯裂纹扩展临界应变测定。
所述的步骤3中，动态热力学模拟试验，是将拉伸试样在测试温度下，以实际连铸过程连铸坯的表面温度制度情况，对拉伸试样进行处理。
所述的步骤3(2)中，不同应变量的动态热力学模拟试验，是以应变速率一定，改变拉伸时间，进行的不同应变量的动态热力学模拟试验。
所述的步骤3(2)中，不同应变量为初步裂纹扩展临界应变，以及初步裂纹扩展临界应变±10～50％下的应变。
所述的步骤3(2)中，测试温度范围内各个温度对应的连铸坯表面裂纹扩展的临界应变，可以通过几个测试温度对应的连铸坯表面裂纹扩展的临界应变，进行线性拟合得到。
一种连铸坯表面裂纹扩展预测方法，包括上述步骤1～3，还包括：
步骤4：确定铸坯表面裂纹发生概率
根据步骤2给出的铸坯表面温度与应力应变连续变化条件，结合步骤3得出的不同温度下表面裂纹扩展临界应变，确定浇铸全程角部裂纹萌生概率，从而指导生产。
本发明的连铸坯表面裂纹扩展临界应变测定及其裂纹扩展预测方法，其测定原理是：连铸过程几乎所有表面裂纹都形成于结晶器，而在后续过程中扩展。研究铸坯表面裂纹扩展行为，对于减轻铸坯裂纹缺陷具有指导作用。为充分考虑连铸过程铸坯表面组织及温度等因素，实验采用实际铸坯温度曲线为指导、进行表面裂纹扩展临界应变的确定，并通过确定的表面裂纹扩展临界应变，进行表面裂纹扩展预测，从而改进生产工艺，避免裂纹扩展风险。
附图说明
图1为表面裂纹扩展实验拉伸试样(a)示意图及(b)实物图；
图2为实施例1中采用的合金钢宽厚板坯温度曲线；
图3为角部裂纹扩展实验加热制度；
图4为宽厚板坯连铸全流程应变云图及局部应变、温度云图；
图5为实施例1中采用的合金钢750℃拉伸应力-应变曲线；
图6为实施例1中采用的合金钢750℃不同应变量的拉伸试样及试样加工示意图；
图7为实施例1采用的合金钢750℃不同应变量拉伸试样的金相照片；
图8为实施例1采用的合金钢不同温度下的应力-应变曲线及裂纹扩展金相照片：(a)750℃，(b)800℃，(c)850℃；
图9为实施例1采用的合金钢连铸坯角部裂纹风险性云图：(a)单辊压下量15mm；(b)单辊压下量25mm。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
以下实施例中，采用的动态热力学模拟实验机为Thercmemastor-Z/100型动态热力学模拟实验机。
实施例1
本实施例采用的合金钢，碳的质量百分含量为0.17％，钼的质量百分含量为0.2％，硅的质量百分含量为0.2％。
一种连铸坯表面裂纹扩展临界应变测定的方法，包括以下步骤：
步骤1：制备拉伸试样
根据待测定的连铸坯成分，将连铸坯制成拉伸试样；其结构示意图如图1所示。
步骤2：确定连铸过程中表面温度变化范围与应力应变变化范围
为确定角部裂纹扩展实验的测试温度，建立三维热/力耦合模型模拟了连铸过程连铸坯传热、变形情况，得到浇铸全流程连铸坯表面应变连续演变云图及局部应变云图、局部温度云图如图4所示。由浇铸全流程连铸坯表面应变连续演变云图可知铸坯角部出现应变最为集中，由局部应变云图和局部温度云图可知角部应变集中位置对应测试温度范围为750～850℃。因此，以750℃、800℃和850℃作为测试温度，进行角部裂纹扩展实验，以确定角部裂纹扩展的临界准则。
步骤3：测试不同温度下表面裂纹扩展的临界应变
根据本实施例采用的合金钢宽厚板坯的温度曲线(见图2)，连铸过程铸坯角部温度出结晶器后迅速降低，在二冷区出现明显回温现象，随后缓慢降低。为准确模拟角部裂纹扩展行为，需综合考虑上述连铸过程铸坯角部温度及组织情况。为此，角部裂纹扩展试验先将步骤1制备的拉伸试样以10℃/s的速率升温到1200℃；再在1200℃保温1min以使试样晶粒度充分接近实际铸坯表面1200℃时的晶粒大小；然后以实际铸坯表面降温速率5.5℃/s降温到770℃；再以实际铸坯表面回温速率0.65℃/s回温到870℃；继续以实际铸坯表面降温速率0.1℃/s降温到测试温度；最后以10-2/s的应变速率进行拉伸试样，得到的在750℃的拉断试样的应力-应变曲线见图5。角部裂纹扩展试验加热制度如图3所示。
根据750℃进行拉伸试验时，得到的拉断试样的应力-应变曲线，应力随应变的增加先增加后减小，在应变达到0.143时出现应峰值，当应变继续增加时应力开始下降、并在应变达到0.2时下降速率增加明显。据此可知，当应变超过0.143时拉伸试样性能开始下降，可能裂纹在该应变附近扩展。为具体确定裂纹扩展的临界应变，在750℃下根据步骤3的加热制度，应变速率一定，改变拉伸时间，进行不同应变量的拉伸试样，不同应变量为0.05、0.1、0.12、0.143、0.18，在不同应变量下拉伸后试样如图6所示。将各试样按图6(b)所示方式加工、磨样、抛光后用金相显微镜观察角部裂纹扩展情况，各试样裂纹扩展情况如图7所示。
由图7可知，当应变小于0.143(应力峰值对应应变值)时，预制裂纹未出现扩展现象；当应变量达到0.143时，预制裂纹试样出现裂纹扩展现象，此时扩展裂纹深度较小仅为40μm；当应变量继续增加达到0.18时，裂纹扩展现更加明显，裂纹扩展深度为100μm。结合图5的应力-应变曲线可知，在拉伸应变小于应力峰值处应变(0.143)时，应力随应变增加而增加，且试样无裂纹扩展现象；当应变量超过0.143时，试样出现裂纹扩展现象且应力开始降低。
由750℃实验结果可知，裂纹扩展的临界应变为应力-应变曲线中应力峰值处的应变值，因此在800℃、850℃分别进行了拉断的高温拉伸试验，得到应力-应变曲线后确定应力峰值对应的应变值、并进行相应应变量的拉伸实验。三个温度下的应力-应变曲线及峰值应变处拉伸试样的裂纹扩展金相照片如图8所示。750℃、800℃、850℃拉伸时分别在应变量达到0.143、0.149、0.158时出现应力峰值。进行对应应变量的拉伸实验，由金相照片可知三个温度峰值应变下拉伸时，试样均出现裂纹扩展现象。由此可以确定750℃、800℃、850℃时角部裂纹扩展的临界应变分别为0.143、0.149、0.158。
根据上述温度和角部裂纹扩展的临界应变的对应关系，做测试温度范围和角部裂纹扩展的临界应变的线性拟合方程，得到测试温度范围内全部温度对应的角度裂纹扩展的临界应变。
基于上述确定的连铸坯角度裂纹扩展临界应变，进行连铸坯角度裂纹扩展预测的方法，还包括：
步骤4：确定铸坯表面裂纹发生概率
基于该钢种不同变形条件下(包括凝固末端压下)的热/力学模拟分析，分析了不同凝固末端重压下工况下的裂纹扩展风险，如图9所示，通过图9可知单辊压下达到15mm时开始出现角部裂纹扩展风险，单辊压下量达到25mm时角部裂纹扩展风险进一步增加。因此，为控制角部裂纹缺陷，生产时应控制单辊压下量在合理范围内。
以上所述的实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到该技术方案的简单变化或等效替换，都属于本发明所保护的范围。

Claims (7)

1.一种连铸坯表面裂纹扩展临界应变测定的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：制备拉伸试样
根据待测定的连铸坯成分，将连铸坯制成拉伸试样；
步骤2：确定连铸过程中表面温度变化范围与应力应变变化范围
建立三维热/力耦合模型，模拟在连铸过程中，连铸坯传热、变形情况，得到浇铸全流程连铸坯表面应变连续演变云图，确定应变集中位置，从而得到应变集中处的局部应变云图与局部温度云图，确定应变集中处对应的测试温度范围，并在该测试温度范围内选择多个温度作为测试温度；
步骤3：测试不同温度下表面裂纹扩展的临界应变
(1)根据步骤2确定的测试温度，对将步骤1制成的拉伸试样，在测试温度下，进行动态热力学模拟试验，得到不同测试温度下拉断试样的应力-应变曲线；根据不同测试温度下拉断试样的应力-应变曲线，确定各个测试温度的应力峰值所对应的应变，并将其确定为初步裂纹扩展临界应变；
(2)在步骤2确定的测试温度下，对拉伸试样进行不同应变量的动态热力学模拟试验，得到拉伸后的试样；将拉伸后的试样的裂纹扩展情况进行显微组织观察，根据裂纹是否扩展及扩展裂纹深度，确定此温度条件下连铸坯表面裂纹扩展的临界应变；通过几个测试温度对应的连铸坯表面裂纹扩展的临界应变，进行线性拟合，从而得到测试温度范围内对应的连铸坯表面裂纹扩展的临界应变。
2.根据权利要求1所述的连铸坯表面裂纹扩展临界应变测定的方法，其特征在于，所述的步骤1中，拉伸试样的结构包括第一端部、第二端部、中间部和第一连接部和第二连接部，第一端部和第二端部设置在拉伸试样两端，第一端部通过第一连接部和中间部的一端连接，中间部的另一端通过第二连接部和设置在另一端的第二端部连接；所述的中间部设置有凹口，凹口位于中间部相对的两侧，凹口的角度为1-50°，深度为1mm。
3.根据权利要求2所述的连铸坯表面裂纹扩展临界应变测定的方法，其特征在于，所述的拉伸试样长度为140mm，第一端部和第二端部的长度均为10mm，直径为18mm，第一连接部和第二连接部的直径为10mm，中间部的长度为10mm，直径为8mm。
4.根据权利要求2所述的连铸坯表面裂纹扩展临界应变测定的方法，其特征在于，所述的第一连接部和中间部的连接处设置有45°的倒角，第二连接部和中间部的连接处设置有45°的倒角。
5.根据权利要求1所述的连铸坯表面裂纹扩展临界应变测定的方法，其特征在于，所述的步骤3(2)中，不同应变量的动态热力学模拟试验，是以应变速率一定，改变拉伸时间，进行的不同应变量的动态热力学模拟试验。
6.根据权利要求1所述的连铸坯表面裂纹扩展临界应变测定的方法，其特征在于，所述的步骤3(2)中，不同应变量为初步裂纹扩展临界应变，以及初步裂纹扩展临界应变±10~50%下的应变。
7.根据权利要求1所述的连铸坯表面裂纹扩展临界应变测定的方法，其特征在于，包括权利要求1-6任意一项所述的连铸坯表面裂纹扩展临界应变测定的方法的步骤1~3，还包括：
步骤4：确定铸坯表面裂纹发生概率
根据步骤2给出的铸坯表面温度与应力应变连续变化条件，结合步骤3得出的不同温度下表面裂纹扩展临界应变，确定浇铸全程角部裂纹萌生概率，从而指导生产。
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Application publication date: 20200529

Assignee: CHINA NATIONAL HEAVY MACHINERY RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd.

Assignor: Northeastern University

Contract record no.: X2022210000074

Denomination of invention: Measurement of critical strain of surface crack propagation in continuous casting slab and prediction method of crack propagation

Granted publication date: 20210226

License type: Common License

Record date: 20221227