經濟型芯棒用鋼TBX-1和TBX-4的力學性能對比分析

何西娟左鵬鵬吳曉春張洪奎

（1.省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室、上海市鋼鐵冶金新技術開發應用重點實驗室和上海大學材料科學與工程學院，上海 200072；2.寶鋼特鋼有限公司，上海 200940）

經濟型芯棒用鋼TBX-1和TBX-4的力學性能對比分析

何西娟1左鵬鵬1吳曉春1張洪奎2

（1.省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室、上海市鋼鐵冶金新技術開發應用重點實驗室和上海大學材料科學與工程學院，上海 200072；2.寶鋼特鋼有限公司，上海 200940）

為了提高傳統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韌性配合，針對兩種新開發的經濟型芯棒用鋼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行了對比研究。結果表明，相較于傳統芯棒用鋼H13的沖擊韌性（15～20 J），TBX-1鋼和TBX-4鋼均表現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中表現出相似的變形行為，在500～700℃范圍內，相同的應變條件下，TBX-1鋼的抗壓屈服強度始終高于TBX-4鋼，且前者的抗拉強度和屈服強度也比后者分別高70 MPa和95 MPa，但兩者優良的強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，其服役條件十分惡劣，在高溫下承受較大的復雜機械應力，同時經受反復循環熱應力［1］。芯棒的失效形式主要為表面熱疲勞龜裂、磨損、機械劃傷、剝落掉塊和鍍鉻層損壞等［2］，這些破壞均發生于芯棒的循環使用過程中，是芯棒服役過程中難以避免的缺陷［3-4］。芯棒質量的好壞，關系到無縫鋼管軋制過程能否順利進行，質量能否滿足標準要求，以及制造成本的高低，芯棒的各項力學性能指標是評判芯棒質量好壞的關鍵因素。目前，國內無縫鋼管生產廠家主要采用H13鋼類芯棒進行生產，H13鋼類芯棒硬度值一般為340～350 HB，抗拉強度為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鋼芯棒的力學性能指標［5-7］。從國內芯棒的使用情況來看，往往強度有余，而韌性不足。為了響應鋼鐵企業降本增效、節約能源的號召，本課題組聯合國內某特鋼廠共同研發出經濟型芯棒新材質TBX-1和TBX-4。為此，本文將對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性能進行研究，對比分析兩種芯棒用鋼的力學性能優劣，為芯棒用戶對兩種芯棒材料的選擇提供理論依據。

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

1 試驗材料及方法

本文試驗用TBX-1鋼和TBX-4鋼為國內某特鋼廠經電渣重熔冶煉生產的球化退火態坯料，其化學成分如表2所示。在坯料上切取所需試樣進行熱處理，具體熱處理工藝如表3所示。

表2 兩種芯棒用鋼的化學成分（質量分數）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 高溫壓縮試驗工藝Fig.1 Compressive processes at high temperature

兩種鋼經淬回火處理后，采用Zeiss Supra 40型場發射高分辨掃描電子顯微鏡（SEM）進行組織形貌觀察。沖擊試樣按照北美壓鑄協會標準NADCA＃207-2006進行取樣、加工和測試，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，開V2缺口，采用JB-50B型沖擊試驗機（沖擊能量為500 J）進行測試，每組測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熱模擬試驗機，按照圖1所示工藝，分別在500、520、550、600、620℃和700℃進行高溫抗壓試驗。

按照GB／T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第一部分：室溫試驗方法》在CMT5305電子萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗，試樣尺寸如圖2所示，測試三次取其平均值。

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織

TBX-1鋼和TBX-4鋼經淬回火處理后的顯微組織如圖3所示?？梢妰煞N鋼中馬氏體板條組織清晰可見，細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，其沖擊韌性明顯優于傳統芯棒用鋼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，剪切唇明顯，且TBX-4鋼的剪切唇面積明顯較大。說明TBX-4鋼在斷裂之前發生了較大的塑性變形，其沖擊韌性優于TBX-1鋼，與沖擊功數值相吻合。

圖3 TBX-1鋼（a）和TBX-4鋼（b）經淬、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解理斷裂面。對比兩種鋼的斷口微觀形貌，可見TBX-4鋼中的撕裂嶺較少，準解理面的尺寸也較TBX-1鋼小。對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應［7］。

通過Griffith公式對第二相粒子尺寸和斷裂應力之間關系的研究和斷裂統計分析表明：大尺寸第二相粒子使材料斷裂應力和斷裂韌性降低［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韌性［10］，因此兩種試驗鋼的沖擊功均遠高于傳統芯棒用鋼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力應變曲線。在試驗過程中，TBX-1鋼和TBX-4鋼均表現出相似的變形行為，即彈性變形，加工硬化和應變軟化階段。在彈性變形階段，應力呈線性迅速增加，隨著應變的不斷增大，應力開始緩慢上升，進入加工硬化階段，應力達到峰值后逐漸下降，之后幾乎保持為定值。對比TBX-1鋼和TBX-4鋼在不同溫度下的應力應變曲線，可以得出：隨著試驗溫度的升高，材料的抗壓強度不斷下降。

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）在不同溫度下的應力應變曲線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度值見表4。在500℃時，TBX-1鋼和TBX-4鋼的抗壓屈服強度分別為940 MPa和871 MPa；當溫度升高到700℃時，TBX-1鋼和TBX-4鋼的抗壓屈服強度分別降低至432 MPa和278 MPa。在相同的試驗條件下，TBX-1鋼的抗壓屈服強度始終高于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材料的抗壓屈服強度值也有一定的影響［11］。同時，材料的合金成分也會對其抗壓性能有一定影響，對比兩種鋼的合金成分發現，TBX-1鋼的Mn質量分數比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鋼拉伸試驗的工程應力—工程應變曲線。從圖中可以看出，兩種鋼在拉伸過程中均未出現明顯的屈服過程，但存在頸縮現象。在變形后期，兩條曲線都出現了應變增加而應力降低的趨勢，說明拉伸過程中均發生了頸縮，有明顯的塑性變形。表5列出了TBX-1鋼和TBX-4鋼的拉伸性能結果。由表可知，TBX-1鋼和TBX-4鋼的抗拉強度分別為1 230 MPa和1 160 MPa，屈服強度分別為1 070 MPa和975MPa?？梢奣BX-1鋼的抗拉強度和屈服強度均高于TBX-4鋼，斷面收縮率也比TBX-4鋼高出7%。這是因為TBX-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鋼的工程應力工程應變曲線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 結論

（1）經濟型芯棒用鋼TBX-1和TBX-4均具有優異的淬回火室溫沖擊韌性，沖擊功分別為52 J和70 J，遠高于傳統芯棒用鋼H13的沖擊功（15～20 J），兩者沖擊斷口均呈現準解理斷裂形貌。

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

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

（4）如果芯棒的服役條件對韌性要求高，可以選擇TXB-4鋼；如果對強度要求高，可以選擇TBX-1鋼；從生產成本角度考慮，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，助理實驗師，主要從事模具鋼的性能與組織研究，Email：xijuanhe＠163.com