大断面V、Ce、Nb微合金化低碳钢的力学性能M. Ya. Belkin, V. P. Krivosheev, V. M. Belkin, V. T. Alekseenko and L. L. Litvinenko
近些年来，作为具有高延性、低应力集中敏感性、低脆性断裂倾向性以及有良好工艺性能的低碳钢材料引起人们了兴趣[1]。
提高低碳钢的强度，同时保持或者改善其脆性的问题已经出现，众所周知，解决这一问题的一个办法就是微合金化。
我们这里提供锭重达68吨的大锻件低碳钢的力学性能研究的一些结果。
钢号为25的2个锭是按照标准条件在一个真空除气的酸性炉内生产的，一个锭是没有添加微合金化元素的，另一个锭是添加了Nb、V和Ce等微合金化元素，微合金化元素添加量是按照推荐值选择的[2, 3]。
铌微合金化是在沸腾阶段添加铌铁的，钒是以钒铁形式在预脱氧之后加入的，最后的脱氧是在真空中1635℃下进行的，铈是以铈铁粉末形式在真空腔内模具即将立起来的时候加入的。
为了避免铈铁损耗，套筒的温度没有超高100℃。
最后的真空除气是在1590℃下进行的，剩下的熔炼和浇铸步骤与标准的过程是一致的。
两个锭的平均化学成分如表1所示。
为了确定锭的力学性能，我们在三个道次上都准备了2个三步锻件，它们重达44吨，长度为12m，在三个步骤时的直径分别为900、750和600mm。
热处理包括正火和高温回火(标准热处理)，随后将锻件切割成段，在长度方向和横向上取试样做抗拉强度和冲击弯曲实验，我们还确定了钢的疲劳强度和脆性断裂倾向。
静态和疲劳实验样品是在锻件的不同部位截取的(表面处、半径上距表面1/3处以及中心处)。
疲劳实验是在20～25个试样上(图1a和b)按照载荷分步变化进行的[1-4]，应力集中(图1b)是由实验机的夹钳产生的，试验是在MUI-6000型实验机上进行的，可以对称弯曲弧面，N=106。
表1
成分, %
钢
C Mn Si Ni S P V Nb Ce
0.650.320.210.0200.017———
25# 0.24
25#微合金化钢0.22 0.700.180.130.0200.0180.13 0.10 0.01 从锻件表层到心部的样品脆性断裂抗力取做临界平面应变应力强度因子KIC，该因子是由技术和机械建筑中心科学研究所(TsNIITMASh)发展的动态方法来确定的[5]。
图1 不同实验所需试样尺寸图. a) 尺寸缩小的疲劳试样; b) 光滑疲劳试样;
c) 断裂韧性实验用试样; d) 确定裂纹扩展速率用试样.
用于确定KIC 的样品图如图1c 所示，2.0~2.5mm 长的疲劳裂纹是在具有液压拉伸压缩功能的MUP-50型机器上产生的，断裂功是由MK-30型冲击实验机确定的。
除了测试强度和断裂韧性外，我们还用图1d 所示的样品研究了疲劳裂纹扩展速率(寿命)。
样品是在锻件的表层和中心部分截取的，锻件表面的一侧以及中心的一侧分别开有缺口，这就有可能在表面和中心建立起裂纹扩展速率关系。
试验是在具有拉伸和压缩功能以及频率为10Hz 的MUP-50型液压实验机上进行的，试验中最大的力为30kN ，循环对称系数为0.1，集中载荷施加于缺口处以产生弯曲。
实验和结果处理与文献[6]中报道的类似，求算裂纹扩展速率的Paris 方程参数按下式获得：
n k c dN
dl
)(∆= 式中，dl/dN 是裂纹扩展速率(m/cycle)，∆k 是应力强度系数的范围(MPa ⋅m1/2)，c 和n 是材料常数。
我们还用下式确定了疲劳裂纹扩展平均速率：
p
p cp N l v =
式中，lp 是失效前裂纹长度；Np 是失效循环次数。
锻件截面不同部位处的力学性能变化如图2所示。
可以看出，添加了Nb 、V 和Ce 的微合金化钢其综合力学性能得到了改善，即抗拉强度，尤其是屈服强度有显著的提高，延伸率也有所提高。
微合金化元素的添加对钢的屈服应力和断裂韧性具有特别的效果，这些性能沿着整个截面都非常均匀，应该注意的是：性能的各相异性对于微合金化钢较低(表2)，性能沿着整个截面的均匀程度比未微合金化的钢要高的多。
图2 钢号为25的微合金化(白色符号)及非微合金化(黑色符号)直径分别为600(a)、750(b)及900mm(c)的分步锻件截面的力学性能变化. S-表面; 1/3R-从表面开始半径的1/3处; C-中心.
表2
各相异性系数*
样品位置
σbσ0.2δψαK
表面
半径方向1/3处
中心0.99/0.99
0.98/1.00
0.93/0.98
0.95/1.00
1.05/1.00
0.95/1.00
0.79/0.97
0.45/0.96
0.42/0.95
0.62/0.98
0.35/0.86
0.32/0.72
0.55/0.73
0.51/0.68
0.61/0.65
* 锻件的同一面积上样品横向性能与长度方向的性能之比
注：性能中的分子是指未微合金化的25号钢，而钢号为25的性能中的分母是指
添加了V、Nb和Ce的微合金化钢.
锻件不同截面的样品或者同一截面不同部位样品的疲劳实验结果并没有太大的差异(~3-4%)。
因此，两个锻件只给出了一个截面(900mm)在沿着半径三分之一表面处的实验结果，见表3。
结果表明，微合金化钢具有较低的应力集中敏感性(有效集中系数较小)以及锻件的不同部位疲劳强度具有较高的均匀性(变化系数较低)。
表3
试样类型疲劳极限*, MPa变化系数有效应力集中系数†
光滑 212/225
0.0505/0.034—
变截面 142/165 0.024/0.020 1.49/1.35
* 平均值.
† 从疲劳极限的平均值计算而得.
注：分子和分母与表2中的相同.
注：分子和分母与表2中的相同.
由于微合金化元素的添加，25号钢具有较低的应力集中敏感性，也就是其具有较长的使用寿命，这一点可以由疲劳裂纹的平均扩展速率以及与应力强度系数(Paris方程)有关的裂纹扩展速率的变化来说明，这些参数值以及平面应变应力强度因子在表4中给出。
可以看出，微合金化钢的裂纹扩展速率较低，断裂韧性较高。
所提供的数据证实：与标准的碳钢相比，Nb、V和Ce微合金化的大截面低碳钢具有优异的力学性能，其生产技术与标准的钢相比只有一点差异，成本约高3-5%。
由于机器部件具有较高的可靠性和较长的使用寿命，微合金化将导致实质性的节约。
微合金化钢现在正用于V. I. Lenin Novo-Kramatorsk机器建设工厂中重型设备的关键轴类部件中。
参考文献
1. M. Ya. Belkin and L. M. Belkin, “Nature of the high sensitivity of heat treated steels to stress concentrations.”Probl. Prochn., No. 2, 71 (1979).
2. Ya. E. Gol'dshtein, Microalloying of Steei and Cast Iron [in Russian], Mashgiz, Moscow (1959).
3. E. Houdremont, Special Steels [Russian translation], Metallurgiya, Moscow (1966).
4. M. N. Stepnov, Statistical Treatment of Results of Mechanical Tests [in Russian], Mashinostroenie, Moscow (1972).
5. D. M. Shur and V. I. Gel’miza, “Development and testing of the dynamic method of determining fracture toughness on small samples,”in: Questions of Strength of Large Machine Parts [in Russian], I. V. Kudryavtsev (ed.), Mashinostroenie, Moscow (1976), p.3.
6.Yu. A. Novoikov and V. S.Zoteev, “Propagation of fatigue cracks in steels with different yield strengths,”Metalloved. Term. Obrab. Met., No. 6, 42(1977).
(东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室陈礼清译)。