2024年3月9日发(作者：答白枫)
第４２卷第６期
２０１６年ｌ２月
包钢科技
Ｖｏ１．４２，Ｎｏ．６
Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｂａｏｔｏｕ Ｓｔｅｅｌ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２０１６
Ｕ７１ Ｍｎ重轨钢高温力学性能研究
康 伟 ，董 方
（１．内蒙古科技大学材料与冶金学院，内蒙古包头０１４０１０；
２．内蒙古包钢钢联股份有限公司稀土钢炼铁厂，内蒙古包头０１４０１０）
摘要：文章研究了Ｕ７１Ｍｎ重轨钢的高温力学性能，通过对Ｕ７１Ｍｎ重轨钢热塑性，延伸率、抗拉强度与温度的关系
的分析可知：８００—８７５℃、９２５—１ ０３０ ｏＣ为Ｕ７１Ｍｎ的两个脆性温度区，在高温拉矫时，应该尽量避免这两个温度
区，以保证在拉矫时不会出现裂纹；８７５—９３０℃热塑性和高温强度最好，所以在连铸生产过程中应选该温度范围为
理论的拉矫温度；Ｕ７１Ｍｎ温度在９００℃时的热塑性最好。
关键词：重轨钢；裂纹；高温力学性能；断面收缩率
中图分类号：ＴＧ１６２．８ ２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００９—５４３８（２０１６）０６—００５５—０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｕ７ １ Ｍｎ Ｈｅａｖｙ
Ｒａｉｌ ｉｎ Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ＫＡＮＧ Ｗｅｉ ，ＤＯＮＧ Ｆａｎｇ
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
Ｂａｏｔｏｕ ０１４０１０，Ｎｅｉ Ｍｏｎｇｇｏｌ，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｒａｒｅ Ｅａｒｔｈ Ｉｒｏｎ—ｍａｋｉｎｇ Ｐｌａｎｔ ｏｆＳｔｅｅｌ Ｕｎｉｏｎ ．ｏｆＢａｏｔｏｕ Ｓｔｅｅｌ ｉｎ Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ，Ｂａｏｔｏｕ ０１４０１０，
Ｎｅｉ Ｍｏｎｇｇｏｌ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｗｏｒｋ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｕ７１ Ｍｎ ｈｅａｖｙ ｒａｉｌ ｉｎ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａ．
１ｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ，ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ，ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ Ｕ７１ Ｍｎ ｈｅａｖｙ ｒａｉｌ
，
ｗｅ
ｃａｎ ｃｏｎｆｉｒｍ ｔｈａｔ ８００—８７５℃，９２５—１ ０３０℃ａｙｅ ｔｗｏ ｂｒｉｔｔｌｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｚｏｎｅｓ ｏｆ Ｕ７ １ Ｍｎ．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ．
ｔｈｅ ｔｗｏ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｚｏｎｅｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ａｖｏｉｄｅｄ ａｓ ｆａｒ ａｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｎｏ ｃｒａｃｋｓ ａｔ山ｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ．Ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓ．
ｔｉｃｉｔｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｄｕｒｉｎｇ ８７５℃ｔｏ ９３０℃ａｒｅ ｔｈｅ ｂｅｓｔ．ＳＯ ｔｈｉｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒａｎｇｅ ｉｓ ｃｈｏｓｅｎ ａｓ ｔｈｅ ｔｈｅｏ—
ｒｅｔｉｃａｌ ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｓｔｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ．Ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ ｏｆ Ｕ７ １ Ｍｎ ｓｔｅｅｌ ａｔ
９００ ｏＣ ｉＳ ｔｈｅ ｂｅｓｔ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｖｙ ｒａｉｌ；ｃｒａｃｋ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｎ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｔｈｅ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｅａ
连铸坯质量优劣将会显著影响成品钢材的质
量，连铸坯的生产实际中存在的质量问题，５０％以上
是裂纹缺陷造成的 。裂纹的形成原因是由于应
力集中导致，应力包括热应力、组织应力、机械应力，
当铸坯所承受的应力大于其允许值时，便产生了裂
纹。通过对高温力学性能进行研究，掌握其热塑性
收稿日期：２０１６—１０—２７
作者简介：康伟（１９８７一），男，山西省忻州市人，在读硕士，助理工程师，现从事钢铁冶金相关技术工作。
５６ 包钢科技 第４２卷
曲线及强度曲线，找出脆性转变区，从而减少在这些
区域造成过大应力集中产生裂纹。
本文利用Ｇｌｅｅｂｌｅ一１５００Ｄ热模拟试验机，采用
恒温加载的试验方法，对Ｕ７１ Ｍｎ钢铸坯进行高温拉
伸实验，并以高温断面收缩率衡量其高温力学性能，
从而研究Ｕ７１Ｍｎ钢铸坯高温力学性能变化机理。
遂将一对Ｐｔ—Ｐｔｌ０％Ｒｈｄｅ热电偶分别单根电焊在
试件表面。实验后对试样进行快速冷却下保留断口
的组织形态，进行断口形貌和组织分析。
２ 实验过程及分析
高温塑性测试用试样取自包钢生产的重轨钢
Ｕ７１Ｍｎ ２８０ ｍｍ×３２５ ｍｍ连铸坯，尺寸为１０ ｍｍ×
在充分了解Ｕ７１ Ｍｎ的高温力学性能的基础上，对设
备及工艺操作进行优化，从而减少连铸坯裂纹的产
生。为Ｕ７１ Ｍｎ连铸生产工艺提供可靠的理论指导，
对进一步提高连铸技术和铸坯质量具有重要意义。
１２０ ｍｍ，试样的化学成分见表１。
表１试样的化学成分（质量分数） ％
ｌ 实验方案
实验用试样尺寸： １０ ｍｍ×（１２０—１４０）ｍｍ，
并且两端带有螺纹。首先将试样以１０℃／ｓ的速度
升温到ｌ ２００℃保温２ ｍｉｎ，之后降温到预定的变形
温度，保持２ ｍｉｎ后在该温度下进行拉伸试验，拉断
后空冷。预定变形温度分别为８００℃、８５０ ｏＣ、
９００ ｑＣ、９５０℃、１ ０００℃、１ ０５０℃、１ １００ ｏＣ、
将重轨钢Ｕ７１Ｍｎ在热模拟试验机上进行高温
拉伸试验，在拉伸过程中，逐渐在中间生成一层褶皱
的铁皮，金属在拉伸时不断发生塑性变形，试样均匀
伸长之后在形变区发生颈缩，能够看出其颈缩的中
心部位最先开始发生分离，最后在颈缩的边缘部分 １ １５０ ｏＣ、１ ２００ ｏＣ。试样均温区（或变形区）的长度
取为２０ ｍｍ，采用位移控制，以计算平均拉伸应变速
沿与拉伸轴成４５。角的方向发生剪切断裂，即形成
杯状断口。拉伸试样测定结果见表２，表３。
率。根据连铸生产实际，热塑性实验中选取的应变
速率为ｌ０ ／ｓ。实验温度一般指试件的表面温度，
表２断面收缩率测试结果
表３断面延伸率测试结果
温度／℃
８０ｏ
８５０
９００
９５０
ｌ ０００
伸长量／ｍｍ
４．９８１ ｌ
１．４７９ ７
６．２９５ ５
２．０３７ ９
４．Ｏ１３ ４
延伸率／％
２４．９０６
７．３９６
３１．４７８
ｌ０．１９０
２Ｏ．０６７
温度／℃
１ ０５０
ｌ １００
１ １５０
１ ２００
伸长量／ｍｍ
６．３４６ ８
２．３５５ ５
２．８０４ ２
３．４０３ ｌ
延伸率／％
３１．７３４
１１．７７８
ｌ４．２０１
１７．０ｌ６
第６期 Ｕ７１Ｍｎ重轨钢高温力学性能研究 ５７
根据收缩率和延伸率的测试结果，可以得到该
钢种的热塑性曲线以及延伸率与温度的关系曲线，
见图１、图２。
图１ 断面收缩率与温度的关系曲线
图２延伸率与温度的关系曲线
实际经验发现：当断面收缩率大于６０％时，铸
坯不出现裂纹；当小于６０％时，铸坯裂纹敏感性增
高。故以断面收缩率为６０％作为临界值来划分高
塑性区和低塑性区的温度范围。
由图１可以得到：其脆性区为８００～８７５ ｃＩ二、
９２５～１ ０３０℃和ｔ＞１ ０７５℃，该钢种温度在９００℃
时的热塑性最好。
由图２延伸率与温度的关系曲线可以看出：
９００℃和１ ０５０℃时试样的伸长量最大，延伸率最
好，而８５０ ｏＣ和９５０℃时试样的伸长量最差。也就
是在９００℃和１ ０５０ ｑＣ这两个实验温度下试样的韧
性较好，８５０℃和９５０℃时试样的韧性很差。
根据以上结果分析，在连铸生产过程中在高温
拉矫时，应该避开在８２０—８７０℃和９３０—１ ０２０℃
时进行拉矫，应结合实际生产选择韧性最好的温度
８７５～９３０ ｃ【＝为理论的拉矫温度。
再根据拉伸试验试样的应变和应力关系，找出
试样在每个试验温度下的屈服强度极限，做出以下
拉伸强度与温度的关系曲线见（图３）。
图３拉伸强度与温度的关系曲线
由图３重轨钢Ｕ７１Ｍｎ的拉伸强度与温度的关
系曲线分析，综合收缩率，延伸率及应变三者和温度
的关系曲线分析，Ｕ７１Ｍｎ重轨钢的塑性在９００℃时
的拉伸强度最好，８５０℃时拉伸强度最差，由于在
Ｕ７１ Ｍｎ重轨钢连铸坯在高温矫直时，进入矫直区温
度应该不高于１ ０３０℃，所以将矫直温度定在
９００ ｃ【＝以避开脆性温度区，减少裂纹的形成。
３ 断口的组织分析
断裂是指金属材料的一个具有有限面积的几何
表面的分离过程。通过对断口形貌特征进行全面分
析可进而研究断裂的类型、方式、路径、过程、性质、
原因、和机理等。
图４中（ａ）是由ＱＵＡＮＴＡ环境扫描电镜在放大
１ ０００倍数下看到的断口组织，其中那条细长的，貌
似裂纹的组织便是奥氏体组织的晶界，在晶界的周
围发生了贝氏体转变，其中树枝样的浅色组织便是
贝氏体，也有很细的珠光体存在。在整幅照片里，依
然可以清晰的看到很多缩孔，在实验中，对断口的不
同区域进行组织观察都发现这样的缩孑Ｌ。
图４中（ｂ）是在光学显微镜放大１ ０００倍时所
拍的组织照片，可以看到Ｕ７１Ｍｎ重轨钢断面组织为
片状珠光体，其中白色部分为铁素体，在白色部分中
有黑色条纹是渗碳体。
理论上认为珠光体是奥氏体在近于平衡的冷却
条件下形成的由渗碳体和铁素体组成的片层相问的
组织，是在较高的奥氏体化温度下形成的均匀的奥
氏体于Ａ ～５５０℃之间温度转变形成片状珠光体。
通过ＱＵＡＮＴＡ环境扫描电镜可以看到有条很
短的裂纹存在，这就是中间裂纹，中间裂纹是铸坯的
内部裂纹。中间裂纹形成的原因大体可以分为两
５８ 包钢科技
奖：一类是 碳量较高所致，｝｛ｌＩ于Ｕ７１Ｍｎ属于高碳
钢 凝 过程巾两相１）‘＝较宽 产ｑ｜裂纹处停留时间
Ｋ，所以易产牛裂纹；另一类是与铸坯的同热有关，
钢在１ ０００℃以上时的强度急剧下降 ，ｒ，ｉｆｉ－刚… ＩＪ ．
品器时，铸坯鼓肚倾向大，所以高碳钢连铸ｌｆ、『托速嘤
低，二冷比水量要大， 二冷Ｉ）‘＝头部水最分 ，受
高［
高碳钢 二冷Ｉｘ上部容易产牛内裂，这是Ｉ夫ｌ为高碳
（ａ）奥氏体组织境界放大照片 （１，Ｊ断面部分珠光体组纵照片
图４ Ｕ７１ Ｍｎ断口组织（１ ０００ Ｘ）
罔６出现了５个比较高的峰值，分）ｊ』Ｊ是Ｆｅ，Ｃ，
Ｍｎ，Ｏ，Ｓｉ；其质量分数：Ｆｅ为６５．６８％，Ｃ
３２．１９％，Ｏ为１．３３％，Ｓｉ为０．４ｌ％，Ｍｎ为０．３９％，
通过和原始试样元素质量分数对比得…， 这个缺
陷处Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ元素的质量分数都有降低，ｌ Ｏ质ｊ
分数高，可见该缺陷存在制样的轻做污染，
质量分数过高，判定该处有氧化物夹杂仔
氧的来源包括冶炼过 巾原料所含的瓴化物
这些氧化物有Ｆｅ，Ｏ，、Ｆｅ Ｏ 以及ＦｅＯ等
图５ Ｕ７１ Ｍｎ缩孔缺陷（２ ０００ Ｘ）
・ｆ１钣
外，瓴
是生产过程巾必须供给的，【夫Ｊ为冶炼俐铁过 －Ｉ 瓴
化过程去脱碳、脱硫、脱磷等 冶炼过程巾还发脱
碳、氧含量呈规律变化，一般随着碳含量的降低镟的
从『殳】５可以看到有明ｔｇ．的缩孔缺陷，具体成分
（通过ＮＯＭＡＮ能谱分析）曲线 ６
含量会增ｉ岛，碳和氧有着相互平衡的ｘ，ｆ Ｊ；！Ｌ火系 …
于氧含量增高会导致钢铁裂纹产生，所以冶炼过
巾采朋炉外精炼、脱碳速度的合理控制、『ＪＩＩ入脱瓴合
金等方式来降低氧的含量，从 减少裂纹的产，
４ 结论
（１）重轨钢ｕ７ｌ Ｍｎ钢有两个脆性温度Ｊ× ：
８００～８７５℃、９２５～ｌ ０３０℃ 连铸 产过 ｌＩｌｉ发
６
．．． ～ √Ｌ．一…
钢种铸坯的矫直温度应避开这 个脆性
（２）根据实验所得剑的热塑性、延伸半ｆ¨抗十
强度与温度的ｌ芙系曲线，可以选择８７５～９３０ ：作为
图６ 断口组织成分含量图
该重轨钢铸坯的理论矫直温度
（下转第６２页）
６２ 包钢科技 第４２卷
图５ １４ 夹杂物形貌图
３ 结论
（１）稀土微合金化使得ＢＴ１００Ｈ用钢ＣＣＴ曲线
ＲＥ夹杂包裹的复合夹杂。
参考文献
贝氏体转变区增宽，使得 点上移，同样的冷却速
度可获得更多的马氏体组织；
（２）稀土微合金化使得ＢＴ１００Ｈ用钢淬透层深
［１］ 杜挺，韩其勇，王常珍，等．稀土碱土等多元素
的物理化学及在材料中的应用［Ｍ］．北京：科
学出版社，１９９５．
［２］ 杜挺．杜挺科技文集［Ｍ］．北京：冶金工业出
版社．１９９６．
度增加，使得淬硬性提高，表征了稀土的加入提高了
材料的淬透性；
（３）稀土微合金化使得ＢＴ１００Ｈ用钢非金属夹
杂物形貌由多边形转变为球形，非金属夹杂物组成
［３］ 蒋学智，王宝峰，李春龙，等．Ｌａ对纯净钢抗高
温氧化性能的影响［Ｊ］．包头钢铁学院学报，
２００６，２５（１）：４０．
由Ａ１、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓ、Ｏ构成的复合硫氧化物转变为核心
部分是以稀土铝氧化物为主，周围主要由Ｃａ—Ｓ—
・
＋”十”－ｆ－“＋一十”十”十一－ｑ．－－．—－ ”—・卜 —・卜”—・卜一十一一十”十”十”十”—－卜“—卜”—卜ｎ—卜一十一．－－￣－”＋”－＋－
＋－”—卜”—－卜”—－卜”—卜”—卜”—卜”—卜”—卜” 一”—－卜”—卜・
（上接第５８页）
（３）Ｕ７１Ｍｎ重轨钢的基体组织是细密的片层珠
６８—７０．
［２］
康向东，邸洪双，张晓明．低碳铜的高温力学
光体，对断口进行组织观察发现有缩孔存在。
参考文献
性能［Ｊ］．材料与冶金学报，２００３，２（１）：
９—１２．
［１］ 潘艳华，陈登福，董凌燕，等．２０Ｃｒ Ｍｏ连铸坯
高温力学性能和热物理性能分析［Ｊ］．重庆
大学学报（自然科学版），２００６，２９（９）：
－２００７，铁路用热轧钢轨［ｓ］．
［３］
ＧＢ ２５８５－
［４］
薛瑛．基于中包连续测温的连铸二冷控制模
型及其可靠性研究［Ｄ］．沈阳：东北大学，
２００５．
2024年3月9日发(作者：答白枫)
第４２卷第６期
２０１６年ｌ２月
包钢科技
Ｖｏ１．４２，Ｎｏ．６
Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｂａｏｔｏｕ Ｓｔｅｅｌ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２０１６
Ｕ７１ Ｍｎ重轨钢高温力学性能研究
康 伟 ，董 方
（１．内蒙古科技大学材料与冶金学院，内蒙古包头０１４０１０；
２．内蒙古包钢钢联股份有限公司稀土钢炼铁厂，内蒙古包头０１４０１０）
摘要：文章研究了Ｕ７１Ｍｎ重轨钢的高温力学性能，通过对Ｕ７１Ｍｎ重轨钢热塑性，延伸率、抗拉强度与温度的关系
的分析可知：８００—８７５℃、９２５—１ ０３０ ｏＣ为Ｕ７１Ｍｎ的两个脆性温度区，在高温拉矫时，应该尽量避免这两个温度
区，以保证在拉矫时不会出现裂纹；８７５—９３０℃热塑性和高温强度最好，所以在连铸生产过程中应选该温度范围为
理论的拉矫温度；Ｕ７１Ｍｎ温度在９００℃时的热塑性最好。
关键词：重轨钢；裂纹；高温力学性能；断面收缩率
中图分类号：ＴＧ１６２．８ ２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００９—５４３８（２０１６）０６—００５５—０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｕ７ １ Ｍｎ Ｈｅａｖｙ
Ｒａｉｌ ｉｎ Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ＫＡＮＧ Ｗｅｉ ，ＤＯＮＧ Ｆａｎｇ
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
Ｂａｏｔｏｕ ０１４０１０，Ｎｅｉ Ｍｏｎｇｇｏｌ，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｒａｒｅ Ｅａｒｔｈ Ｉｒｏｎ—ｍａｋｉｎｇ Ｐｌａｎｔ ｏｆＳｔｅｅｌ Ｕｎｉｏｎ ．ｏｆＢａｏｔｏｕ Ｓｔｅｅｌ ｉｎ Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ，Ｂａｏｔｏｕ ０１４０１０，
Ｎｅｉ Ｍｏｎｇｇｏｌ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｗｏｒｋ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｕ７１ Ｍｎ ｈｅａｖｙ ｒａｉｌ ｉｎ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａ．
１ｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ，ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ，ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ Ｕ７１ Ｍｎ ｈｅａｖｙ ｒａｉｌ
，
ｗｅ
ｃａｎ ｃｏｎｆｉｒｍ ｔｈａｔ ８００—８７５℃，９２５—１ ０３０℃ａｙｅ ｔｗｏ ｂｒｉｔｔｌｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｚｏｎｅｓ ｏｆ Ｕ７ １ Ｍｎ．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ．
ｔｈｅ ｔｗｏ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｚｏｎｅｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ａｖｏｉｄｅｄ ａｓ ｆａｒ ａｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｎｏ ｃｒａｃｋｓ ａｔ山ｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ．Ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓ．
ｔｉｃｉｔｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｄｕｒｉｎｇ ８７５℃ｔｏ ９３０℃ａｒｅ ｔｈｅ ｂｅｓｔ．ＳＯ ｔｈｉｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒａｎｇｅ ｉｓ ｃｈｏｓｅｎ ａｓ ｔｈｅ ｔｈｅｏ—
ｒｅｔｉｃａｌ ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃａｓｔｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ．Ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ ｏｆ Ｕ７ １ Ｍｎ ｓｔｅｅｌ ａｔ
９００ ｏＣ ｉＳ ｔｈｅ ｂｅｓｔ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｖｙ ｒａｉｌ；ｃｒａｃｋ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｎ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｔｈｅ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｅａ
连铸坯质量优劣将会显著影响成品钢材的质
量，连铸坯的生产实际中存在的质量问题，５０％以上
是裂纹缺陷造成的 。裂纹的形成原因是由于应
力集中导致，应力包括热应力、组织应力、机械应力，
当铸坯所承受的应力大于其允许值时，便产生了裂
纹。通过对高温力学性能进行研究，掌握其热塑性
收稿日期：２０１６—１０—２７
作者简介：康伟（１９８７一），男，山西省忻州市人，在读硕士，助理工程师，现从事钢铁冶金相关技术工作。
５６ 包钢科技 第４２卷
曲线及强度曲线，找出脆性转变区，从而减少在这些
区域造成过大应力集中产生裂纹。
本文利用Ｇｌｅｅｂｌｅ一１５００Ｄ热模拟试验机，采用
恒温加载的试验方法，对Ｕ７１ Ｍｎ钢铸坯进行高温拉
伸实验，并以高温断面收缩率衡量其高温力学性能，
从而研究Ｕ７１Ｍｎ钢铸坯高温力学性能变化机理。
遂将一对Ｐｔ—Ｐｔｌ０％Ｒｈｄｅ热电偶分别单根电焊在
试件表面。实验后对试样进行快速冷却下保留断口
的组织形态，进行断口形貌和组织分析。
２ 实验过程及分析
高温塑性测试用试样取自包钢生产的重轨钢
Ｕ７１Ｍｎ ２８０ ｍｍ×３２５ ｍｍ连铸坯，尺寸为１０ ｍｍ×
在充分了解Ｕ７１ Ｍｎ的高温力学性能的基础上，对设
备及工艺操作进行优化，从而减少连铸坯裂纹的产
生。为Ｕ７１ Ｍｎ连铸生产工艺提供可靠的理论指导，
对进一步提高连铸技术和铸坯质量具有重要意义。
１２０ ｍｍ，试样的化学成分见表１。
表１试样的化学成分（质量分数） ％
ｌ 实验方案
实验用试样尺寸： １０ ｍｍ×（１２０—１４０）ｍｍ，
并且两端带有螺纹。首先将试样以１０℃／ｓ的速度
升温到ｌ ２００℃保温２ ｍｉｎ，之后降温到预定的变形
温度，保持２ ｍｉｎ后在该温度下进行拉伸试验，拉断
后空冷。预定变形温度分别为８００℃、８５０ ｏＣ、
９００ ｑＣ、９５０℃、１ ０００℃、１ ０５０℃、１ １００ ｏＣ、
将重轨钢Ｕ７１Ｍｎ在热模拟试验机上进行高温
拉伸试验，在拉伸过程中，逐渐在中间生成一层褶皱
的铁皮，金属在拉伸时不断发生塑性变形，试样均匀
伸长之后在形变区发生颈缩，能够看出其颈缩的中
心部位最先开始发生分离，最后在颈缩的边缘部分 １ １５０ ｏＣ、１ ２００ ｏＣ。试样均温区（或变形区）的长度
取为２０ ｍｍ，采用位移控制，以计算平均拉伸应变速
沿与拉伸轴成４５。角的方向发生剪切断裂，即形成
杯状断口。拉伸试样测定结果见表２，表３。
率。根据连铸生产实际，热塑性实验中选取的应变
速率为ｌ０ ／ｓ。实验温度一般指试件的表面温度，
表２断面收缩率测试结果
表３断面延伸率测试结果
温度／℃
８０ｏ
８５０
９００
９５０
ｌ ０００
伸长量／ｍｍ
４．９８１ ｌ
１．４７９ ７
６．２９５ ５
２．０３７ ９
４．Ｏ１３ ４
延伸率／％
２４．９０６
７．３９６
３１．４７８
ｌ０．１９０
２Ｏ．０６７
温度／℃
１ ０５０
ｌ １００
１ １５０
１ ２００
伸长量／ｍｍ
６．３４６ ８
２．３５５ ５
２．８０４ ２
３．４０３ ｌ
延伸率／％
３１．７３４
１１．７７８
ｌ４．２０１
１７．０ｌ６
第６期 Ｕ７１Ｍｎ重轨钢高温力学性能研究 ５７
根据收缩率和延伸率的测试结果，可以得到该
钢种的热塑性曲线以及延伸率与温度的关系曲线，
见图１、图２。
图１ 断面收缩率与温度的关系曲线
图２延伸率与温度的关系曲线
实际经验发现：当断面收缩率大于６０％时，铸
坯不出现裂纹；当小于６０％时，铸坯裂纹敏感性增
高。故以断面收缩率为６０％作为临界值来划分高
塑性区和低塑性区的温度范围。
由图１可以得到：其脆性区为８００～８７５ ｃＩ二、
９２５～１ ０３０℃和ｔ＞１ ０７５℃，该钢种温度在９００℃
时的热塑性最好。
由图２延伸率与温度的关系曲线可以看出：
９００℃和１ ０５０℃时试样的伸长量最大，延伸率最
好，而８５０ ｏＣ和９５０℃时试样的伸长量最差。也就
是在９００℃和１ ０５０ ｑＣ这两个实验温度下试样的韧
性较好，８５０℃和９５０℃时试样的韧性很差。
根据以上结果分析，在连铸生产过程中在高温
拉矫时，应该避开在８２０—８７０℃和９３０—１ ０２０℃
时进行拉矫，应结合实际生产选择韧性最好的温度
８７５～９３０ ｃ【＝为理论的拉矫温度。
再根据拉伸试验试样的应变和应力关系，找出
试样在每个试验温度下的屈服强度极限，做出以下
拉伸强度与温度的关系曲线见（图３）。
图３拉伸强度与温度的关系曲线
由图３重轨钢Ｕ７１Ｍｎ的拉伸强度与温度的关
系曲线分析，综合收缩率，延伸率及应变三者和温度
的关系曲线分析，Ｕ７１Ｍｎ重轨钢的塑性在９００℃时
的拉伸强度最好，８５０℃时拉伸强度最差，由于在
Ｕ７１ Ｍｎ重轨钢连铸坯在高温矫直时，进入矫直区温
度应该不高于１ ０３０℃，所以将矫直温度定在
９００ ｃ【＝以避开脆性温度区，减少裂纹的形成。
３ 断口的组织分析
断裂是指金属材料的一个具有有限面积的几何
表面的分离过程。通过对断口形貌特征进行全面分
析可进而研究断裂的类型、方式、路径、过程、性质、
原因、和机理等。
图４中（ａ）是由ＱＵＡＮＴＡ环境扫描电镜在放大
１ ０００倍数下看到的断口组织，其中那条细长的，貌
似裂纹的组织便是奥氏体组织的晶界，在晶界的周
围发生了贝氏体转变，其中树枝样的浅色组织便是
贝氏体，也有很细的珠光体存在。在整幅照片里，依
然可以清晰的看到很多缩孔，在实验中，对断口的不
同区域进行组织观察都发现这样的缩孑Ｌ。
图４中（ｂ）是在光学显微镜放大１ ０００倍时所
拍的组织照片，可以看到Ｕ７１Ｍｎ重轨钢断面组织为
片状珠光体，其中白色部分为铁素体，在白色部分中
有黑色条纹是渗碳体。
理论上认为珠光体是奥氏体在近于平衡的冷却
条件下形成的由渗碳体和铁素体组成的片层相问的
组织，是在较高的奥氏体化温度下形成的均匀的奥
氏体于Ａ ～５５０℃之间温度转变形成片状珠光体。
通过ＱＵＡＮＴＡ环境扫描电镜可以看到有条很
短的裂纹存在，这就是中间裂纹，中间裂纹是铸坯的
内部裂纹。中间裂纹形成的原因大体可以分为两
５８ 包钢科技
奖：一类是 碳量较高所致，｝｛ｌＩ于Ｕ７１Ｍｎ属于高碳
钢 凝 过程巾两相１）‘＝较宽 产ｑ｜裂纹处停留时间
Ｋ，所以易产牛裂纹；另一类是与铸坯的同热有关，
钢在１ ０００℃以上时的强度急剧下降 ，ｒ，ｉｆｉ－刚… ＩＪ ．
品器时，铸坯鼓肚倾向大，所以高碳钢连铸ｌｆ、『托速嘤
低，二冷比水量要大， 二冷Ｉ）‘＝头部水最分 ，受
高［
高碳钢 二冷Ｉｘ上部容易产牛内裂，这是Ｉ夫ｌ为高碳
（ａ）奥氏体组织境界放大照片 （１，Ｊ断面部分珠光体组纵照片
图４ Ｕ７１ Ｍｎ断口组织（１ ０００ Ｘ）
罔６出现了５个比较高的峰值，分）ｊ』Ｊ是Ｆｅ，Ｃ，
Ｍｎ，Ｏ，Ｓｉ；其质量分数：Ｆｅ为６５．６８％，Ｃ
３２．１９％，Ｏ为１．３３％，Ｓｉ为０．４ｌ％，Ｍｎ为０．３９％，
通过和原始试样元素质量分数对比得…， 这个缺
陷处Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ元素的质量分数都有降低，ｌ Ｏ质ｊ
分数高，可见该缺陷存在制样的轻做污染，
质量分数过高，判定该处有氧化物夹杂仔
氧的来源包括冶炼过 巾原料所含的瓴化物
这些氧化物有Ｆｅ，Ｏ，、Ｆｅ Ｏ 以及ＦｅＯ等
图５ Ｕ７１ Ｍｎ缩孔缺陷（２ ０００ Ｘ）
・ｆ１钣
外，瓴
是生产过程巾必须供给的，【夫Ｊ为冶炼俐铁过 －Ｉ 瓴
化过程去脱碳、脱硫、脱磷等 冶炼过程巾还发脱
碳、氧含量呈规律变化，一般随着碳含量的降低镟的
从『殳】５可以看到有明ｔｇ．的缩孔缺陷，具体成分
（通过ＮＯＭＡＮ能谱分析）曲线 ６
含量会增ｉ岛，碳和氧有着相互平衡的ｘ，ｆ Ｊ；！Ｌ火系 …
于氧含量增高会导致钢铁裂纹产生，所以冶炼过
巾采朋炉外精炼、脱碳速度的合理控制、『ＪＩＩ入脱瓴合
金等方式来降低氧的含量，从 减少裂纹的产，
４ 结论
（１）重轨钢ｕ７ｌ Ｍｎ钢有两个脆性温度Ｊ× ：
８００～８７５℃、９２５～ｌ ０３０℃ 连铸 产过 ｌＩｌｉ发
６
．．． ～ √Ｌ．一…
钢种铸坯的矫直温度应避开这 个脆性
（２）根据实验所得剑的热塑性、延伸半ｆ¨抗十
强度与温度的ｌ芙系曲线，可以选择８７５～９３０ ：作为
图６ 断口组织成分含量图
该重轨钢铸坯的理论矫直温度
（下转第６２页）
６２ 包钢科技 第４２卷
图５ １４ 夹杂物形貌图
３ 结论
（１）稀土微合金化使得ＢＴ１００Ｈ用钢ＣＣＴ曲线
ＲＥ夹杂包裹的复合夹杂。
参考文献
贝氏体转变区增宽，使得 点上移，同样的冷却速
度可获得更多的马氏体组织；
（２）稀土微合金化使得ＢＴ１００Ｈ用钢淬透层深
［１］ 杜挺，韩其勇，王常珍，等．稀土碱土等多元素
的物理化学及在材料中的应用［Ｍ］．北京：科
学出版社，１９９５．
［２］ 杜挺．杜挺科技文集［Ｍ］．北京：冶金工业出
版社．１９９６．
度增加，使得淬硬性提高，表征了稀土的加入提高了
材料的淬透性；
（３）稀土微合金化使得ＢＴ１００Ｈ用钢非金属夹
杂物形貌由多边形转变为球形，非金属夹杂物组成
［３］ 蒋学智，王宝峰，李春龙，等．Ｌａ对纯净钢抗高
温氧化性能的影响［Ｊ］．包头钢铁学院学报，
２００６，２５（１）：４０．
由Ａ１、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓ、Ｏ构成的复合硫氧化物转变为核心
部分是以稀土铝氧化物为主，周围主要由Ｃａ—Ｓ—
・
＋”十”－ｆ－“＋一十”十”十一－ｑ．－－．—－ ”—・卜 —・卜”—・卜一十一一十”十”十”十”—－卜“—卜”—卜ｎ—卜一十一．－－￣－”＋”－＋－
＋－”—卜”—－卜”—－卜”—卜”—卜”—卜”—卜”—卜” 一”—－卜”—卜・
（上接第５８页）
（３）Ｕ７１Ｍｎ重轨钢的基体组织是细密的片层珠
６８—７０．
［２］
康向东，邸洪双，张晓明．低碳铜的高温力学
光体，对断口进行组织观察发现有缩孔存在。
参考文献
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９—１２．
［１］ 潘艳华，陈登福，董凌燕，等．２０Ｃｒ Ｍｏ连铸坯
高温力学性能和热物理性能分析［Ｊ］．重庆
大学学报（自然科学版），２００６，２９（９）：
－２００７，铁路用热轧钢轨［ｓ］．
［３］
ＧＢ ２５８５－
［４］
薛瑛．基于中包连续测温的连铸二冷控制模
型及其可靠性研究［Ｄ］．沈阳：东北大学，
２００５．