經(jīng)濟(jì)型芯棒用鋼TBX-1和TBX-4的力學(xué)性能對(duì)比分析

何西娟左鵬鵬吳曉春張洪奎

（1.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072；2.寶鋼特鋼有限公司，上海 200940）

經(jīng)濟(jì)型芯棒用鋼TBX-1和TBX-4的力學(xué)性能對(duì)比分析

何西娟1左鵬鵬1吳曉春1張洪奎2

（1.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072；2.寶鋼特鋼有限公司，上海 200940）

為了提高傳統(tǒng)芯棒用鋼的沖擊韌性，且在降低合金成本的前提下獲得良好的強(qiáng)韌性配合，針對(duì)兩種新開發(fā)的經(jīng)濟(jì)型芯棒用鋼TBX-1和TBX-4的室溫沖擊韌性、高溫抗壓性能以及拉伸性能進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)芯棒用鋼H13的沖擊韌性（15～20 J），TBX-1鋼和TBX-4鋼均表現(xiàn)出良好的淬回火沖擊性能，沖擊功分別為71 J和52 J；兩者在高溫抗壓試驗(yàn)中表現(xiàn)出相似的變形行為，在500～700℃范圍內(nèi)，相同的應(yīng)變條件下，TBX-1鋼的抗壓屈服強(qiáng)度始終高于TBX-4鋼，且前者的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度也比后者分別高70 MPa和95 MPa，但兩者優(yōu)良的強(qiáng)韌性均可滿足芯棒使用要求。

芯棒用鋼 沖擊韌性 高溫抗壓性能 拉伸性能

芯棒主要用于無縫鋼管的軋制生產(chǎn)，其服役條件十分惡劣，在高溫下承受較大的復(fù)雜機(jī)械應(yīng)力，同時(shí)經(jīng)受反復(fù)循環(huán)熱應(yīng)力［1］。芯棒的失效形式主要為表面熱疲勞龜裂、磨損、機(jī)械劃傷、剝落掉塊和鍍鉻層損壞等［2］，這些破壞均發(fā)生于芯棒的循環(huán)使用過程中，是芯棒服役過程中難以避免的缺陷［3-4］。芯棒質(zhì)量的好壞，關(guān)系到無縫鋼管軋制過程能否順利進(jìn)行，質(zhì)量能否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，以及制造成本的高低，芯棒的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)是評(píng)判芯棒質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素。目前，國(guó)內(nèi)無縫鋼管生產(chǎn)廠家主要采用H13鋼類芯棒進(jìn)行生產(chǎn)，H13鋼類芯棒硬度值一般為340～350 HB，抗拉強(qiáng)度為1 200～1 300 MPa，且10 mm×10 mm×55 mm開V2缺口試樣沖擊功為15～20 J，表1給出了H13鋼芯棒的力學(xué)性能指標(biāo)［5-7］。從國(guó)內(nèi)芯棒的使用情況來看，往往強(qiáng)度有余，而韌性不足。為了響應(yīng)鋼鐵企業(yè)降本增效、節(jié)約能源的號(hào)召，本課題組聯(lián)合國(guó)內(nèi)某特鋼廠共同研發(fā)出經(jīng)濟(jì)型芯棒新材質(zhì)TBX-1和TBX-4。為此，本文將對(duì)TBX-1鋼和TBX-4鋼的沖擊韌性、高溫壓縮性能及拉伸性能等力學(xué)性能進(jìn)行研究，對(duì)比分析兩種芯棒用鋼的力學(xué)性能優(yōu)劣，為芯棒用戶對(duì)兩種芯棒材料的選擇提供理論依據(jù)。

表1 H13鋼芯棒的力學(xué)性能指標(biāo)［5-7］Table 1 Mechanical properties requirements of H13 mandrel steel

1 試驗(yàn)材料及方法

本文試驗(yàn)用TBX-1鋼和TBX-4鋼為國(guó)內(nèi)某特鋼廠經(jīng)電渣重熔冶煉生產(chǎn)的球化退火態(tài)坯料，其化學(xué)成分如表2所示。在坯料上切取所需試樣進(jìn)行熱處理，具體熱處理工藝如表3所示。

表2 兩種芯棒用鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Chemical composition of the twomandrel steels（mass fraction） %

表3 兩種芯棒用鋼的熱處理工藝Table 3 Heat treatment processes of the two mandrel steels

圖1 高溫壓縮試驗(yàn)工藝Fig.1 Compressive processes at high temperature

兩種鋼經(jīng)淬回火處理后，采用Zeiss Supra 40型場(chǎng)發(fā)射高分辨掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行組織形貌觀察。沖擊試樣按照北美壓鑄協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NADCA＃207-2006進(jìn)行取樣、加工和測(cè)試，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，開V2缺口，采用JB-50B型沖擊試驗(yàn)機(jī)（沖擊能量為500 J）進(jìn)行測(cè)試，每組測(cè)5根試樣，取其平均值。采用Nikon Coolpix 995型體式顯微鏡和掃描電鏡觀察沖擊試樣斷口的宏觀和微觀形貌。

將兩種鋼加工成φ8 mm×12 mm的試樣，采用Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)，按照?qǐng)D1所示工藝，分別在500、520、550、600、620℃和700℃進(jìn)行高溫抗壓試驗(yàn)。

按照GB／T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第一部分：室溫試驗(yàn)方法》在CMT5305電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試樣尺寸如圖2所示，測(cè)試三次取其平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

TBX-1鋼和TBX-4鋼經(jīng)淬回火處理后的顯微組織如圖3所示。可見兩種鋼中馬氏體板條組織清晰可見，細(xì)小球狀碳化物彌散狀分布在基體上，組織均勻。

圖2 拉伸試樣尺寸（單位：mm）Fig.2 Size of tensile specimen（unit：mm）

2.2 室溫沖擊韌性

TBX-1鋼和TBX-4鋼淬回火后的室溫沖擊功平均值分別為52 J和71 J，其沖擊韌性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)芯棒用鋼H13（見表1）。TBX-1鋼和TBX-4鋼沖擊斷口的宏觀形貌如圖4所示。由圖可知，TBX-1鋼和TBX-4鋼的斷口有塑性變形區(qū)，剪切唇明顯，且TBX-4鋼的剪切唇面積明顯較大。說明TBX-4鋼在斷裂之前發(fā)生了較大的塑性變形，其沖擊韌性優(yōu)于TBX-1鋼，與沖擊功數(shù)值相吻合。

圖3 TBX-1鋼（a）和TBX-4鋼（b）經(jīng)淬、回火處理后的SEM形貌Fig.3 SEMmorphologies of TBX-1 steel（a）and TBX-4 steel（b）after quenching and tempering

圖4 TBX-1鋼（a）和TBX-4鋼（b）沖擊斷口的宏觀形貌Fig.4 Macro-morphologies of impact fracture of TBX-1 steel（a）and TBX-4 steel（b）

圖5為TBX-1鋼和TBX-4鋼沖擊斷口的微觀形貌。斷口形貌均為撕裂嶺和準(zhǔn)解理斷裂面，即大量高密度短而彎曲的撕裂嶺連接著大小取向不一致的準(zhǔn)解理斷裂面。對(duì)比兩種鋼的斷口微觀形貌，可見TBX-4鋼中的撕裂嶺較少，準(zhǔn)解理面的尺寸也較TBX-1鋼小。對(duì)一般斷口的分析表明，沖擊韌性好的試樣有較小的解理斷裂單元，斷裂單元大小與有效晶粒尺寸相對(duì)應(yīng)［7］。

通過Griffith公式對(duì)第二相粒子尺寸和斷裂應(yīng)力之間關(guān)系的研究和斷裂統(tǒng)計(jì)分析表明：大尺寸第二相粒子使材料斷裂應(yīng)力和斷裂韌性降低［8-9］。TBX-1鋼和TBX-4鋼中均加入了微量的合金元素Nb，而Nb可以在材料中形成NbC，該碳化物可以釘扎晶界，細(xì)化初始奧氏體晶粒，形成良好的組織，減少大尺寸的第二相粒子，有助于提高材料的強(qiáng)韌性［10］，因此兩種試驗(yàn)鋼的沖擊功均遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)芯棒用鋼H13。

2.3 高溫抗壓性能

圖6為TBX-1鋼和TBX-4鋼在不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。在試驗(yàn)過程中，TBX-1鋼和TBX-4鋼均表現(xiàn)出相似的變形行為，即彈性變形，加工硬化和應(yīng)變軟化階段。在彈性變形階段，應(yīng)力呈線性迅速增加，隨著應(yīng)變的不斷增大，應(yīng)力開始緩慢上升，進(jìn)入加工硬化階段，應(yīng)力達(dá)到峰值后逐漸下降，之后幾乎保持為定值。對(duì)比TBX-1鋼和TBX-4鋼在不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以得出：隨著試驗(yàn)溫度的升高，材料的抗壓強(qiáng)度不斷下降。

圖5 TBX-1鋼（a）和TBX-4鋼（b）沖擊斷口的微觀形貌Fig.5 Micro-morphologies of impact fracture of TBX-1 steel（a）and TBX-4 steel（b）

圖6 TBX-1鋼（a）和TBX-4鋼（b）在不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of TBX-1 steel（a）and TBX-4 steel（b）at different temperatures

TBX-1鋼和TBX-4鋼在不同溫度下的屈服強(qiáng)度值見表4。在500℃時(shí)，TBX-1鋼和TBX-4鋼的抗壓屈服強(qiáng)度分別為940 MPa和871 MPa；當(dāng)溫度升高到700℃時(shí)，TBX-1鋼和TBX-4鋼的抗壓屈服強(qiáng)度分別降低至432 MPa和278 MPa。在相同的試驗(yàn)條件下，TBX-1鋼的抗壓屈服強(qiáng)度始終高于TBX-4鋼。TBX-1鋼的初始硬度為37.0 HRC，高出TBX-4鋼1.5 HRC，說明材料的原始硬度對(duì)材料的抗壓屈服強(qiáng)度值也有一定的影響［11］。同時(shí)，材料的合金成分也會(huì)對(duì)其抗壓性能有一定影響，對(duì)比兩種鋼的合金成分發(fā)現(xiàn)，TBX-1鋼的Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)比TBX-4鋼高出1.4%，說明Mn的加入，提高了材料的高溫性能。另外，TBX-4鋼的Cr含量較高，易形成較多富Cr碳化物，在回火及較高溫度下，易于聚集長(zhǎng)大，促使材料軟化［12］。

2.4 拉伸性能

圖7給出了TBX-1鋼和TBX-4鋼拉伸試驗(yàn)的工程應(yīng)力—工程應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，兩種鋼在拉伸過程中均未出現(xiàn)明顯的屈服過程，但存在頸縮現(xiàn)象。在變形后期，兩條曲線都出現(xiàn)了應(yīng)變?cè)黾佣鴳?yīng)力降低的趨勢(shì)，說明拉伸過程中均發(fā)生了頸縮，有明顯的塑性變形。表5列出了TBX-1鋼和TBX-4鋼的拉伸性能結(jié)果。由表可知，TBX-1鋼和TBX-4鋼的抗拉強(qiáng)度分別為1 230 MPa和1 160 MPa，屈服強(qiáng)度分別為1 070 MPa和975MPa?？梢奣BX-1鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均高于TBX-4鋼，斷面收縮率也比TBX-4鋼高出7%。這是因?yàn)門BX-1鋼的初始硬度高出TBX-4鋼1.5 HRC所致。

表4 TBX-1鋼和TBX-4鋼在不同溫度下的抗壓屈服強(qiáng)度值Table 4 Compressive yield strength of TBX-1 steel and TBX-4 steel at different temperatures

圖7 TBX-1鋼和TBX-4鋼的工程應(yīng)力工程應(yīng)變曲線Fig.7 Engineering stress-engineering strain curves of TBX-1 steel and TBX-4 steel

表5 TBX-1鋼和TBX-4鋼的拉伸性能Table 5 Tensile properties of TBX-1 steel and TBX-4 steel

3 結(jié)論

（1）經(jīng)濟(jì)型芯棒用鋼TBX-1和TBX-4均具有優(yōu)異的淬回火室溫沖擊韌性，沖擊功分別為52 J和70 J，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)芯棒用鋼H13的沖擊功（15～20 J），兩者沖擊斷口均呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂形貌。

（2）TBX-1鋼和TBX-4鋼在高溫抗壓試驗(yàn)中表現(xiàn)出相似的變形行為，500～700℃范圍內(nèi)，在相同的應(yīng)變條件下，TBX-1鋼的抗壓屈服強(qiáng)度始終高于TBX-4鋼，表現(xiàn)出更為優(yōu)越的高溫抗壓性能。

（3）TBX-1鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度比TBX-4鋼分別高70 MPa和95 MPa，但兩者均表現(xiàn)出良好的抗拉性能，均可滿足芯棒使用要求。

（4）如果芯棒的服役條件對(duì)韌性要求高，可以選擇TXB-4鋼；如果對(duì)強(qiáng)度要求高，可以選擇TBX-1鋼；從生產(chǎn)成本角度考慮，則TBX-1更適合。

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收修改稿日期：2016-04-15

Comparative Analysis on Mechanical Properties of Econom ical Mandrel Steels TBX-1 and TBX-4

He Xijuan1Zuo Pengpeng1Wu Xiaochun1Zhang Hongkui2
（1.State Key Laboratory of Advanced Special Steel＆Shanghai Key Laboratory of Advanced Ferrometallurgy＆School of Materials Science and Engineering，Shanghai University，Shanghai200072，China；2.Baosteel Special Steel Co.，Ltd.，Shanghai200940，China）

To improve the impact toughness of conventionalmandrel steels and obtain a good combination of strength and toughness under the premise of reducing the cost of alloys，the room temperature impact toughness，high-temperature compressive and tensile properties of two newly developed economic mandrel steels TBX-1 and TBX-4 were comparatively analyzed.The results showed that the impact energy of TBX-1 and TBX-4 were 71 Jand 52 J，respectively.Thus，the two new economicmandrel steels were all have excellent impact properties compared with the traditional mandrel steel H13（15～20 J）.The compressive deformation behavior at high temperature of the two steels TBX-1 and TBX-4 exhibited similar.The compressive yield strength of TBX-1 steelwas always higher than the TBX-4 steel at the same strain in the range of 500～700℃.Meanwhile，The tensile strength and yield strength of TBX-1 steel were 70 MPa and 95 MPa higher than TBX-4 steel，respectively.In all，a excellent combination of strength and toughness of the new two steels could meet the requirements of themandrels.

mandrel steel，impact toughness，high temperature compression performance，tensile property

何西娟，女，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，主要從事模具鋼的性能與組織研究，Email：xijuanhe＠163.com