工程科学学报，第38卷，增刊1：9095,2016年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,Suppl.1:90-95,June 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.s1.016:http://journals.ustb.edu.cn 连铸二冷区温度波动下的第二相粒子析出行为 孙彦辉)四，董健”，金吉男”，付少朋”，朱雪珍) 1)北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心，北京100083 2)浙江青山钢铁有限公司，青田323900 ☒通信作者，E-mail:sun_yanhuic@163.com 摘要采用Gleeble-3500热循环模拟试验机研究了PQ700热轧高强钢铸坯表面温度为800~1200℃时温度波动对第二相 粒子析出的影响，并利用Thermo-calc热力学软件计算P0700连铸过程中第二相粒子的析出规律.结果表明：温度大于1050 ℃时，由温度波动引起的析出物尺寸变化明显：温度小于900℃时，由温度波动引起的析出物数量变化明显：N凸的含量变化对 析出相(Nb,T)C摩尔分数影响较大：Ti的含量变化对析出相Ti(C,N)有很大影响 关键词PQ700钢：连铸坯：析出相：热力学 分类号TF777.1 Precipitation behavior of the second phase particles at secondary cooling zone with temperature fluctuations SUN Yan-hui,DONG Jian,JIN Ji-nan2,FU Shao-peng,ZHU Xue-zhen 1)Collaborative Innovation Center of Steel Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Tsingshan Iron and Steel Co.Ltd.Qingtian 323900,China Corresponding author,E-mail:sun_yanhui@163.com ABSTRACT Influence of temperature fluctuations on the precipitated second phase was studied by using a Gleeble-3500 thermal simulator,when the surface temperature of PQ700 hot rolled high strength steel slab is from 800 to 1200C.Precipitation of the second phase particles of PQ700 in the continuous casting process was calculated by using the thermodynamic software Thermo-ealc.The re- sults show that when temperature is more than 1050 C,precipitate size caused by the temperature fluctuations changes significantly. When temperature is less than 900C,the number of precipitation caused by the temperature fluctuations changes significantly.The change of Nb content has a great influence on the mole fraction of (Nb,Ti)C.The change of Ti content has a great influence on the mole fraction of Ti(C,N). KEY WORDS PQ700 steel:continuous cast slabs:precipitates;thermodynamic 钢中添加的Nb、V、T等元素，可以通过析出强在钢中的形状、尺寸大小和分布状况，对铸坯的高温塑 化、相变强化和晶粒细化来提高钢的性能”.这些元 性有着重要影响.因此研究连铸过程中微合金元素析 素在铸坯冷却过程中与C和N相互作用形成第二相 出物的析出行为，对于改善铸坯质量有重要意义.关 粒子，第二相粒子的溶解和析出会直接影响奥氏体晶 于钢中析出物的研究很多，但是目前几乎没有二冷区 粒大小、晶粒均匀化程度及奥氏体再结晶规律四，其碳 温度波动对其的影响.某钢厂生产的含Nb一T微合金 氮化物在强化组织的同时，也使钢的塑性降低，连铸坯 元素的PQ700热轧高强钢铸坯表面裂纹问题严重，尤 表面裂纹产生率明显高于普通钢铸坯网.这些析出物 其是表面横裂纹.因此，为了更好地控制铸坯在连铸 收稿日期：201601-16 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51274032,51574026)
工程科学学报，第 38 卷，增刊 1: 90--95，2016 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，Suppl． 1: 90--95，June 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． s1． 016; http: / /journals． ustb． edu． cn 连铸二冷区温度波动下的第二相粒子析出行为 孙彦辉1) ，董 健1) ，金吉男2) ，付少朋2) ，朱雪珍2) 1) 北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心，北京 100083 2) 浙江青山钢铁有限公司，青田 323900 通信作者，E-mail: sun_yanhui@ 163． com 摘 要 采用 Gleeble--3500 热循环模拟试验机研究了 PQ700 热轧高强钢铸坯表面温度为 800 ～ 1200 ℃时温度波动对第二相 粒子析出的影响，并利用 Thermo--calc 热力学软件计算 PQ700 连铸过程中第二相粒子的析出规律． 结果表明: 温度大于 1050 ℃时，由温度波动引起的析出物尺寸变化明显; 温度小于 900 ℃时，由温度波动引起的析出物数量变化明显; Nb 的含量变化对 析出相( Nb，Ti) C 摩尔分数影响较大; Ti 的含量变化对析出相 Ti( C，N) 有很大影响． 关键词 PQ700 钢; 连铸坯; 析出相; 热力学 分类号 TF777. 1 Precipitation behavior of the second phase particles at secondary cooling zone with temperature fluctuations SUN Yan-hui1) ，DONG Jian1) ，JIN Ji-nan2) ，FU Shao-peng2) ，ZHU Xue-zhen2) 1) Collaborative Innovation Center of Steel Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Tsingshan Iron and Steel Co． Ltd． ，Qingtian 323900，China Corresponding author，E-mail: sun_yanhui@ 163． com ABSTＲACT Influence of temperature fluctuations on the precipitated second phase was studied by using a Gleeble--3500 thermal simulator，when the surface temperature of PQ700 hot rolled high strength steel slab is from 800 to 1200 ℃ ． Precipitation of the second phase particles of PQ700 in the continuous casting process was calculated by using the thermodynamic software Thermo-calc． The results show that when temperature is more than 1050 ℃，precipitate size caused by the temperature fluctuations changes significantly． When temperature is less than 900 ℃，the number of precipitation caused by the temperature fluctuations changes significantly． The change of Nb content has a great influence on the mole fraction of ( Nb，Ti) C． The change of Ti content has a great influence on the mole fraction of Ti( C，N) ． KEY WOＲDS PQ700 steel; continuous cast slabs; precipitates; thermodynamic 收稿日期: 2016--01--16 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51274032，51574026) 钢中添加的 Nb、V、Ti 等元素，可以通过析出强 化、相变强化和晶粒细化来提高钢的性能［1］． 这些元 素在铸坯冷却过程中与 C 和 N 相互作用形成第二相 粒子，第二相粒子的溶解和析出会直接影响奥氏体晶 粒大小、晶粒均匀化程度及奥氏体再结晶规律［2］，其碳 氮化物在强化组织的同时，也使钢的塑性降低，连铸坯 表面裂纹产生率明显高于普通钢铸坯［3］． 这些析出物 在钢中的形状、尺寸大小和分布状况，对铸坯的高温塑 性有着重要影响． 因此研究连铸过程中微合金元素析 出物的析出行为，对于改善铸坯质量有重要意义． 关 于钢中析出物的研究很多，但是目前几乎没有二冷区 温度波动对其的影响． 某钢厂生产的含 Nb--Ti 微合金 元素的 PQ700 热轧高强钢铸坯表面裂纹问题严重，尤 其是表面横裂纹． 因此，为了更好地控制铸坯在连铸
孙彦辉等：连铸二冷区温度波动下的第二相粒子析出行为 91 二冷区内第二相粒子的析出行为，本文研究二冷区铸 库0，对实验钢的平衡析出相进行了计算，得出各平衡 坯表面温度波动对其析出的影响 析出相的析出规律和元素组成 1实验材料与方法 2实验结果及讨论 1.1实验材料 2.1铸坯表面温度变化 实验采用某钢厂生产的PQ700热轧高强钢铸坯， 图2为铸坯凝固过程中，铸坯表面，1/4处及中心 其化学成分如表1所示. 位置处的温度变化规律.由图可以看出，铸坯出结晶 表1P0700热轧高强钢的化学成分（质量分数） 器后，铸坯温度持续下降，其中铸坯中心温度、1/4位 Table 1 Chemical composition of PQ700 hot-rolled high strength steel 置温度及表面温度有所差异.在出结晶器时表面温度 有一个较大的下降过程，而1/4和中心位置并不明显， Si Mn P S Al Ti Nb 进入二冷区后，表面温度出现明显的温度反复波动，直 0.080.181.740.0150.0040.0350.030.037 至空冷区，表面温度开始缓慢降低.中心温度在凝固 初始基本不变，1/4位置温度缓慢下降，最终趋向一 1.2实验方法与工艺 致.二冷区表面温度的反复波动主要是由于喷嘴的分 热循环模拟实验用Gleeble--3500,在真空室内，将 布或漏水堵塞及不同的传热方式等因素，导致各个位 试样固定，以20℃·s1的速度加热至1350℃，保温5 置冷却强度不同，因而铸坯表面出现温度不均匀的现 min,目的是为了均匀温度和成分，使钢中的析出物溶 象严重影响相变及析出物的析出行为 解，然后以1℃·s的冷却速率冷却，回温速率为 1600 0.5℃·s,其目的是模拟二冷区的喷水冷却过程.△T 一中心 1500 一表面 为25、50和75℃三个温度，当△T为25℃时，冷却50 1400 --14位置 s,回温50s:当△T为50℃时，冷却100s,回温100s,当 1300 △T为75℃时，冷却150s,回温150s.冷却至指定温度 1200 (1200,1100,1050,1000,950,900,850,800℃)保温2 期 1100 min后，进行拉伸试验，如图1所示，为保留高温下断 1000 口的形貌以及组织特征，在试样拉断后，迅速大量喷水 900 冷却. 800 70 0 1015202530354045 1350℃.5min 距弯月面距离m r0.5s 图2铸坯凝固过程不同位置温度变化 △T Fig.2 Change of temperatures at different locations during solidifica- 1/s tion 1200℃ 1100气： 1050℃ 2.2热循环模式下第二相粒子析出行为 1000℃ 连铸二冷区喷水不均匀和支撑辊交替冷却作用使 950℃ 900℃ 铸坯表层温度波动大.由于冷却的不均匀性，板坯表 850℃ 面局部温度下降到Ar以下(y→a),然后又回到Ar以 800℃ 上（αy),在整个二冷区不同冷却段的铸坯表层(0.3~ 0.18mm)产生多次y→a→y相变，进而影响析出相的 时间/s 析出. 图1热模拟实验示意图 Fig.1 Schematic diagram of thermal simulation experiment 图3为1000~1200℃热循环试样在不同热波动 (25、50和75℃)内拉伸试样断面析出物的尺寸对比. 利用分辨率为O.2nm的JEM型透射电镜(TEM) 从图3中可以看出，1200℃下，析出物呈链状析出，热 及能谱分析仪(EDS)观察不同温度波动幅度下，析出 振幅幅度为25℃时，试样析出物粒子尺寸大约200nm 物的成分形貌、数量及尺寸，每个试样观察不少于20 左右，随着热波动幅度的增大，试样的析出物尺寸明显 个视场，利用Image-一J图像处理软件对视场内的粒子 减小，这是由于支撑辊间距导致的铸坯表面不持续喷 进行统计分析. 水，铸坯表面出现温度的热波动，由此可见，起冷却作 采用Thermo--calc热力学计算软件及其铁基数据 用的喷雾水及辊间距离对析出物的尺寸是有影响的
孙彦辉等: 连铸二冷区温度波动下的第二相粒子析出行为 二冷区内第二相粒子的析出行为，本文研究二冷区铸 坯表面温度波动对其析出的影响． 1 实验材料与方法 1. 1 实验材料 实验采用某钢厂生产的 PQ700 热轧高强钢铸坯， 其化学成分如表 1 所示． 表 1 PQ700 热轧高强钢的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of PQ700 hot-rolled high strength steel % C Si Mn P S Al Ti Nb 0. 08 0. 18 1. 74 0. 015 0. 004 0. 035 0. 03 0. 037 1. 2 实验方法与工艺 热循环模拟实验用 Gleeble--3500，在真空室内，将 试样固定，以 20 ℃·s － 1的速度加热至 1350 ℃，保温 5 min，目的是为了均匀温度和成分，使钢中的析出物溶 解，然后 以 1 ℃·s － 1 的冷 却 速 率 冷 却，回 温 速 率 为 0. 5 ℃·s － 1，其目的是模拟二冷区的喷水冷却过程． ΔT 为 25、50 和 75 ℃三个温度，当 ΔT 为 25 ℃ 时，冷却 50 s，回温 50 s; 当 ΔT 为 50 ℃时，冷却 100 s，回温 100 s，当 ΔT 为 75 ℃时，冷却 150 s，回温 150 s． 冷却至指定温度 ( 1200，1100，1050，1000，950，900，850，800 ℃ ) 保温 2 min 后，进行拉伸试验，如图 1 所示，为保留高温下断 口的形貌以及组织特征，在试样拉断后，迅速大量喷水 冷却． 图 1 热模拟实验示意图 Fig． 1 Schematic diagram of thermal simulation experiment 利用分辨率为 0. 2 nm 的 JEM 型透射电镜( TEM) 及能谱分析仪( EDS) 观察不同温度波动幅度下，析出 物的成分形貌、数量及尺寸，每个试样观察不少于 20 个视场，利用 Image--J 图像处理软件对视场内的粒子 进行统计分析． 采用 Thermo--calc 热力学计算软件及其铁基数据 库［4］，对实验钢的平衡析出相进行了计算，得出各平衡 析出相的析出规律和元素组成． 2 实验结果及讨论 2. 1 铸坯表面温度变化 图 2 为铸坯凝固过程中，铸坯表面，1 /4 处及中心 位置处的温度变化规律． 由图可以看出，铸坯出结晶 器后，铸坯温度持续下降，其中铸坯中心温度、1 /4 位 置温度及表面温度有所差异． 在出结晶器时表面温度 有一个较大的下降过程，而 1 /4 和中心位置并不明显， 进入二冷区后，表面温度出现明显的温度反复波动，直 至空冷区，表面温度开始缓慢降低． 中心温度在凝固 初始基本不变，1 /4 位置温度缓慢下降，最终趋向一 致． 二冷区表面温度的反复波动主要是由于喷嘴的分 布或漏水堵塞及不同的传热方式等因素，导致各个位 置冷却强度不同，因而铸坯表面出现温度不均匀的现 象严重影响相变及析出物的析出行为． 图 2 铸坯凝固过程不同位置温度变化 Fig． 2 Change of temperatures at different locations during solidification 2. 2 热循环模式下第二相粒子析出行为 连铸二冷区喷水不均匀和支撑辊交替冷却作用使 铸坯表层温度波动大． 由于冷却的不均匀性，板坯表 面局部温度下降到 Ar3以下( γ→α) ，然后又回到 Ar3以 上( α→γ) ，在整个二冷区不同冷却段的铸坯表层( 0. 3 ～ 0. 18 mm) 产生多次 γ→α→γ 相变，进而影响析出相的 析出． 图 3 为 1000 ～ 1200 ℃ 热循环试样在不同热波动 ( 25、50 和 75 ℃ ) 内拉伸试样断面析出物的尺寸对比． 从图 3 中可以看出，1200 ℃ 下，析出物呈链状析出，热 振幅幅度为 25 ℃时，试样析出物粒子尺寸大约 200 nm 左右，随着热波动幅度的增大，试样的析出物尺寸明显 减小，这是由于支撑辊间距导致的铸坯表面不持续喷 水，铸坯表面出现温度的热波动，由此可见，起冷却作 用的喷雾水及辊间距离对析出物的尺寸是有影响的． · 19 ·
·92· 工程科学学报，第38卷，增刊1 500n 500 200n 200nm 100 nm 200n 200nm 200m 200m 200nm 图31000~1200℃不同热波动下拉伸试样断面析出物的形貌.(a)1200℃，△T=25℃：(b)1200℃，△T=50℃：(c)1200℃，△T=75℃：(d) 1100℃，△T=25℃：(e)1100℃，△T=50℃：(01100℃，△T=75℃：(g1050℃，4T=25℃：(h)1050℃，△T=50℃：(i)1050℃，△T=75℃： (G)1000℃，△T=25℃：(k)1000℃，△T=50℃：(1)1000℃，△T=75℃ Fig.3 Morphology of precipitates in tensile specimen section at different thermal fluctuations within 1000~l200℃：(a)l200℃，△T=25℃：(b) 1200℃，△T=50℃：(c)1200℃，4T=75℃：(d)1100℃，△T=25℃：(e)1100℃，△T=50℃：(01100℃，△T=75℃：(g)1050℃，△T=25℃： (h)1050℃，AT=50℃：(i)1050℃，△T=75℃：(i)1000℃，△T=25℃：(k)1000℃，△T=50℃：(1)1000℃，△T=75℃ 高温时，析出物多为规则的立方形，尺寸较大，个别析 始沿着奥氏体晶界生成，而基体奥氏体在变形过程中 出物尺寸可达200nm以上，结合能谱分析为TiN.随 发生的动态回复程度较低，产生的变形和加工硬化的 着温度的降低，大约在1050℃时球形析出物开始在试 程度高，经冷却/再加热的热循环作用，微合金钢的碳 样中明显的出现，尺寸也有所减小，结合析出相形貌、 氮化物具有微细析出、偏聚分布的特点。因析出物与 尺寸以及本试样化学成分可知此时Nb的碳氮化物开 母相间共格性好，经共格变形后使Y晶内得到强化. 始析出. 在内应力或外应力作用下，变形集中于晶界附近，脆性 图4为800~950℃热循环试样在不同热波动 明显增加.而在(y+α)两相区中，沿Y晶界析出的先 (25、50和75℃)内拉伸试样断面析出物的尺寸对比. 共析铁素体的变形抗力比奥氏体低，应力主要集中在 从图4中可以看出，950℃下，热振幅为25℃时，试样 晶界较软的铁素体薄膜上，在晶界三重点处容易应力 析出物粒子尺寸大约100nm左右.随着热波动幅度的 集中，并使铁素体成为孔洞和裂纹的源头，晶界滑移， 增大，试样的析出物尺寸明显减小.900℃下可以看 造成沿晶破坏，晶界出现较大裂纹，断口形貌表现为沿 出，热幅度增大时，数量也逐渐增多，逐渐弥散.说明 晶断裂可 低温时，热波动对析出物的析出数量影响更大.这主 随着试样拉断温度降低，析出物尺寸逐渐减小，数 要是因为此温度范围内开始发生相变，铁素体薄膜开 量逐渐增多，大量析出物在基体上弥散析出.当有亚
工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 图 3 1000 ～ 1200 ℃不同热波动下拉伸试样断面析出物的形貌． ( a) 1200 ℃，ΔT = 25 ℃ ; ( b) 1200 ℃，ΔT = 50 ℃ ; ( c) 1200 ℃，ΔT = 75 ℃ ; ( d) 1100 ℃，ΔT = 25 ℃ ; ( e) 1100 ℃，ΔT = 50 ℃ ; ( f) 1100 ℃，ΔT = 75 ℃ ; ( g) 1050 ℃，ΔT = 25 ℃ ; ( h) 1050 ℃，ΔT = 50 ℃ ; ( i) 1050 ℃，ΔT = 75 ℃ ; ( j) 1000 ℃，ΔT = 25 ℃ ; ( k) 1000 ℃，ΔT = 50 ℃ ; ( l) 1000 ℃，ΔT = 75 ℃ Fig． 3 Morphology of precipitates in tensile specimen section at different thermal fluctuations within 1000 ～ 1200 ℃ : ( a) 1200 ℃，ΔT = 25 ℃ ; ( b) 1200 ℃，ΔT = 50 ℃ ; ( c) 1200 ℃，ΔT = 75 ℃ ; ( d) 1100 ℃，ΔT = 25 ℃ ; ( e) 1100 ℃，ΔT = 50 ℃ ; ( f) 1100 ℃，ΔT = 75 ℃ ; ( g) 1050 ℃，ΔT = 25 ℃ ; ( h) 1050 ℃，ΔT = 50 ℃ ; ( i) 1050 ℃，ΔT = 75 ℃ ; ( j) 1000 ℃，ΔT = 25 ℃ ; ( k) 1000 ℃，ΔT = 50 ℃ ; ( l) 1000 ℃，ΔT = 75 ℃ 高温时，析出物多为规则的立方形，尺寸较大，个别析 出物尺寸可达 200 nm 以上，结合能谱分析为 TiN． 随 着温度的降低，大约在 1050 ℃时球形析出物开始在试 样中明显的出现，尺寸也有所减小，结合析出相形貌、 尺寸以及本试样化学成分可知此时 Nb 的碳氮化物开 始析出． 图 4 为 800 ～ 950 ℃ 热循环试样在不同热波动 ( 25、50 和 75 ℃ ) 内拉伸试样断面析出物的尺寸对比． 从图 4 中可以看出，950 ℃ 下，热振幅为 25 ℃ 时，试样 析出物粒子尺寸大约 100 nm 左右． 随着热波动幅度的 增大，试样的析出物尺寸明显减小． 900 ℃ 下可以看 出，热幅度增大时，数量也逐渐增多，逐渐弥散． 说明 低温时，热波动对析出物的析出数量影响更大． 这主 要是因为此温度范围内开始发生相变，铁素体薄膜开 始沿着奥氏体晶界生成，而基体奥氏体在变形过程中 发生的动态回复程度较低，产生的变形和加工硬化的 程度高，经冷却/再加热的热循环作用，微合金钢的碳 氮化物具有微细析出、偏聚分布的特点． 因析出物与 母相间共格性好，经共格变形后使 γ 晶内得到强化． 在内应力或外应力作用下，变形集中于晶界附近，脆性 明显增加． 而在( γ + α) 两相区中，沿 γ 晶界析出的先 共析铁素体的变形抗力比奥氏体低，应力主要集中在 晶界较软的铁素体薄膜上，在晶界三重点处容易应力 集中，并使铁素体成为孔洞和裂纹的源头，晶界滑移， 造成沿晶破坏，晶界出现较大裂纹，断口形貌表现为沿 晶断裂［5］． 随着试样拉断温度降低，析出物尺寸逐渐减小，数 量逐渐增多，大量析出物在基体上弥散析出． 当有亚 · 29 ·
孙彦辉等：连铸二冷区温度波动下的第二相粒子析出行为 ·93· 100m 100m 100nm 200nm 200nm 200nm 100nm 200nn 100n 200m 100m 100n 图4800~950℃温度内不同热波动下拉伸试样断面析出物的形貌.(a)950℃，△T=25℃：(b)950℃，△T=50℃：(c)950℃，△T=75℃： (d)900℃，4T=25℃：(e)900℃，△T=50℃：(0900℃，△T=75℃：(g)850℃，△T=25℃：(h)850℃，AT=50℃：(i)850℃，AT=75℃：(i) 800℃，AT=25℃：(k)800℃，△T=50℃：(1)800℃，AT=75℃ Fig.4 Morphology of precipitates in tensile specimen section at different thermal fluctuations within800~950℃：(a)950℃，△T=25℃：(b)9s0 ℃，△T=50℃：(c)950℃，△T=75℃：(d)900℃，△T=25℃：(e)900℃，△T=50℃：(0900℃，△T=75℃：(g)850℃，△T=25℃：(h)850℃， AT=50℃：(i)850℃，△T=75℃：(i)800℃，△T=25℃：(k)800℃，△T=50℃：(1)800℃，△T=75℃ 结构存在时，如位错和亚晶界，这些位错和亚晶界就会 循环模式下的析出物尺寸趋向一致，在30~50nm 为析出物动态析出提供有利的形核点，析出物就会在 之间. 亚晶界和位错上团聚析出，大大降低了晶界的结合力. 不同温度及热波动幅度下析出物数量与温度的关 析出物类型从TiN向(Nb,Ti)(C,N)转变.850℃时， 系统计结果如图6所示，可知，随着温度的降低，析出 观测到析出物的团聚现象，析出物为Nb(C,N),且平 物数量逐渐增加，高温时无明显差异，1200℃时，仅可 均尺寸下降到50nm左右. 观察到少量尺寸较大的析出物.△T=75℃的试样在 统计不同温度及波动范围下析出物的尺寸如图5 1050℃左右析出物数量开始明显增加，经统计，此时 所示.拉断温度为1200℃，△T=25℃时，析出物的平 数量为30.3um2,△T=25℃的试样在950℃析出物 均尺寸在220nm左右，而△T=75℃时，析出物平均尺 数量才明显增加，800℃时，不同热循环模式下的析出 寸为121.8nm.说明同一温度下，不同温度波动幅度 物数量差距很大，热波动幅度为75℃的试样析出物高 对析出物影响较大.温度在1050℃以上时，由温度波 达416um2,而△T=25℃时只有120.4μm2 动引起的析出物尺寸变化明显，热波动幅度越大，析出 析出物尺寸越小，晶界处聚集的析出物数量就越 物粒子尺寸越小，差距明显.随着温度的下降，温度波 多，对晶界的钉扎作用越强网，因此减弱了钢的动态再 动引起的尺寸上的差距越来越小，950℃以下，不同热 结晶程度，当受到外力时，应力集中在析出物上，裂纹
孙彦辉等: 连铸二冷区温度波动下的第二相粒子析出行为 图 4 800 ～ 950 ℃温度内不同热波动下拉伸试样断面析出物的形貌． ( a) 950 ℃，ΔT = 25 ℃ ; ( b) 950 ℃，ΔT = 50 ℃ ; ( c) 950 ℃，ΔT = 75 ℃ ; ( d) 900 ℃，ΔT = 25 ℃ ; ( e) 900 ℃，ΔT = 50 ℃ ; ( f) 900 ℃，ΔT = 75 ℃ ; ( g) 850 ℃，ΔT = 25 ℃ ; ( h) 850 ℃，ΔT = 50 ℃ ; ( i) 850 ℃，ΔT = 75 ℃ ; ( j) 800℃，ΔT = 25 ℃ ; ( k) 800 ℃，ΔT = 50 ℃ ; ( l) 800 ℃，ΔT = 75 ℃ Fig． 4 Morphology of precipitates in tensile specimen section at different thermal fluctuations within 800 ～ 950 ℃ : ( a) 950 ℃，ΔT = 25 ℃ ; ( b) 950 ℃，ΔT = 50 ℃ ; ( c) 950 ℃，ΔT = 75 ℃ ; ( d) 900 ℃，ΔT = 25 ℃ ; ( e) 900 ℃，ΔT = 50 ℃ ; ( f) 900 ℃，ΔT = 75 ℃ ; ( g) 850 ℃，ΔT = 25 ℃ ; ( h) 850 ℃， ΔT = 50 ℃ ; ( i) 850 ℃，ΔT = 75 ℃ ; ( j) 800℃，ΔT = 25 ℃ ; ( k) 800 ℃，ΔT = 50 ℃ ; ( l) 800 ℃，ΔT = 75 ℃ 结构存在时，如位错和亚晶界，这些位错和亚晶界就会 为析出物动态析出提供有利的形核点，析出物就会在 亚晶界和位错上团聚析出，大大降低了晶界的结合力． 析出物类型从 TiN 向( Nb，Ti) ( C，N) 转变． 850 ℃ 时， 观测到析出物的团聚现象，析出物为 Nb( C，N) ，且平 均尺寸下降到 50 nm 左右． 统计不同温度及波动范围下析出物的尺寸如图 5 所示． 拉断温度为 1200 ℃，ΔT = 25 ℃ 时，析出物的平 均尺寸在 220 nm 左右，而 ΔT = 75 ℃时，析出物平均尺 寸为 121. 8 nm． 说明同一温度下，不同温度波动幅度 对析出物影响较大． 温度在 1050 ℃ 以上时，由温度波 动引起的析出物尺寸变化明显，热波动幅度越大，析出 物粒子尺寸越小，差距明显． 随着温度的下降，温度波 动引起的尺寸上的差距越来越小，950 ℃ 以下，不同热 循环模式 下 的 析 出 物 尺 寸 趋 向 一 致，在 30 ～ 50 nm 之间． 不同温度及热波动幅度下析出物数量与温度的关 系统计结果如图 6 所示，可知，随着温度的降低，析出 物数量逐渐增加，高温时无明显差异，1200 ℃ 时，仅可 观察到少量尺寸较大的析出物． ΔT = 75 ℃ 的试样在 1050 ℃左右析出物数量开始明显增加，经统计，此时 数量为 30. 3 μm － 2，ΔT = 25 ℃ 的试样在 950 ℃ 析出物 数量才明显增加，800 ℃ 时，不同热循环模式下的析出 物数量差距很大，热波动幅度为 75 ℃ 的试样析出物高 达 416 μm － 2，而 ΔT = 25 ℃时只有 120. 4 μm － 2 ． 析出物尺寸越小，晶界处聚集的析出物数量就越 多，对晶界的钉扎作用越强［6］，因此减弱了钢的动态再 结晶程度，当受到外力时，应力集中在析出物上，裂纹 · 39 ·
·94· 工程科学学报，第38卷，增刊1 240 2.3 Thermo-calc热力学计算 0-25℃ ■-50℃ 利用Thermo--calc热力学软件对PQ700的第二相 200 ▲75℃ 粒子析出情况进行热力学计算，得到400~1600℃的 160 平衡时的相组成.由图7可以看出，平衡时主要有液 相、奥氏体相、面心立方体结构的铁素体相、FCC_A1# 120 3、FCCA1#5、MnS、AlN、渗碳体相等. 16 14 800 900 1000 1100 1200 温度℃ 10- 图5不同热波动温度下析出物尺寸随温度的变化 Fig.5 Change of the size of precipitates at different thermal fluctua- tions with temperatures FCC A1#5 500 AIN FCC_A1#3 ▲一25℃ 一播一50℃ 600 800 1000 1200 1400 1600 400 075℃ 温度℃ 图7P0700钢中平衡相与温度的关系 300 Fig.7 Relationship between temperature and equilibrium phase of PQ700 steel 200 图8(a)可以看出FCCA1#5相开始析出温度为 100 1500℃，略高于固相线温度，说明液相中即有析出物 析出.第二相粒子析出摩尔分数到0.06%左右稳定， 而后有下降趋势.1450℃由于先共析铁素体向奥氏体 800 900 1000 1100 转变，导致FCC_A15相出现拐点：1144℃时，FCC_A1 1200 温度℃ 3相开析出，导致溶质重新分布，进而影响FCC_A15 图6不同热波动温度下析出物数量随温度的变化 析出量：800℃左右，发生奥氏体向铁素体的相变，C偏 Fig.6 Change of the number of precipitates at different thermal fluc- 析严重，导致析出量的下降.由图8(b)可以看出，FCC tuations with temperatures A15中主要含有Ti、C、N三种元素，Ti的质量分数为 80%左右，由此可知，FCC_A1#5相为Ti的碳氮化物， 源越多，大大增加了钢断裂的可能性，因此随着析出物 开始析出时，几乎为纯的TN,随温度降低，N的含量 数量的增加，钢的热塑性恶化.所以，在冷却过程中， 逐渐减少，C的含量逐渐增加，溶解N全部与T结合. 应该降低铸坯表面冷却再回热温度的变化幅度. 由图9可知，CC_A1#3相开始析出温度为1144 10 (a) 10 8 0.8 公 7 0.7 6 0.6 FCC A1#5 0.4 0.3 2 0.2 0.1 0 800 10001200 1400 1600 600 800 10001200 14001600 温度℃ 温度℃ 图8FCCA15相析出摩尔分数(a)和各元素的质量分数(b)随温度的变化 Fig.8 Mole fraction (a)and element mass fraction (b)of Fee_Al#5 phase with temperatures
工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 图 5 不同热波动温度下析出物尺寸随温度的变化 Fig． 5 Change of the size of precipitates at different thermal fluctuations with temperatures 图 6 不同热波动温度下析出物数量随温度的变化 Fig． 6 Change of the number of precipitates at different thermal fluctuations with temperatures 源越多，大大增加了钢断裂的可能性，因此随着析出物 图 8 FCC_A1#5 相析出摩尔分数( a) 和各元素的质量分数( b) 随温度的变化 Fig． 8 Mole fraction ( a) and element mass fraction ( b) of Fcc_A1#5 phase with temperatures 数量的增加，钢的热塑性恶化． 所以，在冷却过程中， 应该降低铸坯表面冷却再回热温度的变化幅度． 2. 3 Thermo--calc 热力学计算 利用 Thermo--calc 热力学软件对 PQ700 的第二相 粒子析出情况进行热力学计算，得到 400 ～ 1600 ℃ 的 平衡时的相组成． 由图 7 可以看出，平衡时主要有液 相、奥氏体相、面心立方体结构的铁素体相、FCC_A1 # 3、FCC_A1#5、MnS、AlN、渗碳体相等． 图 7 PQ700 钢中平衡相与温度的关系 Fig． 7 Ｒelationship between temperature and equilibrium phase of PQ700 steel 图 8( a) 可以看出 FCC_A1 #5 相开始析出温度为 1500 ℃，略高于固相线温度，说明液相中即有析出物 析出． 第二相粒子析出摩尔分数到 0. 06% 左右稳定， 而后有下降趋势． 1450 ℃由于先共析铁素体向奥氏体 转变，导致 FCC_A1#5 相出现拐点; 1144 ℃ 时，FCC_A1 #3 相开析出，导致溶质重新分布，进而影响 FCC_A1#5 析出量; 800 ℃左右，发生奥氏体向铁素体的相变，C 偏 析严重，导致析出量的下降． 由图 8( b) 可以看出，FCC_ A1#5 中主要含有 Ti、C、N 三种元素，Ti 的质量分数为 80% 左右，由此可知，FCC_A1 #5 相为 Ti 的碳氮化物， 开始析出时，几乎为纯的 TiN，随温度降低，N 的含量 逐渐减少，C 的含量逐渐增加，溶解 N 全部与 Ti 结合． 由图 9 可知，FCC_A1 #3 相开始析出温度为 1144 · 49 ·