何西娟左鹏鹏吴晓春张洪奎

（1.省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室、上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室和上海大学材料科学与工程学院，上海 200072；2.宝钢特钢有限公司，上海 200940）

经济型芯棒用钢TBX-1和TBX-4的力学性能对比分析

何西娟1左鹏鹏1吴晓春1张洪奎2

（1.省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室、上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室和上海大学材料科学与工程学院，上海 200072；2.宝钢特钢有限公司，上海 200940）

为了提高传统芯棒用钢的冲击韧性，且在降低合金成本的前提下获得良好的强韧性配合，针对两种新开发的经济型芯棒用钢TBX-1和TBX-4的室温冲击韧性、高温抗压性能以及拉伸性能进行了对比研究。结果表明，相较于传统芯棒用钢H13的冲击韧性（15～20 J），TBX-1钢和TBX-4钢均表现出良好的淬回火冲击性能，冲击功分别为71 J和52 J；两者在高温抗压试验中表现出相似的变形行为，在500～700℃范围内，相同的应变条件下，TBX-1钢的抗压屈服强度始终高于TBX-4钢，且前者的抗拉强度和屈服强度也比后者分别高70 MPa和95 MPa，但两者优良的强韧性均可满足芯棒使用要求。

芯棒用钢 冲击韧性 高温抗压性能 拉伸性能

芯棒主要用于无缝钢管的轧制生产，其服役条件十分恶劣，在高温下承受较大的复杂机械应力，同时经受反复循环热应力［1］。芯棒的失效形式主要为表面热疲劳龟裂、磨损、机械划伤、剥落掉块和镀铬层损坏等［2］，这些破坏均发生于芯棒的循环使用过程中，是芯棒服役过程中难以避免的缺陷［3-4］。芯棒质量的好坏，关系到无缝钢管轧制过程能否顺利进行，质量能否满足标准要求，以及制造成本的高低，芯棒的各项力学性能指标是评判芯棒质量好坏的关键因素。目前，国内无缝钢管生产厂家主要采用H13钢类芯棒进行生产，H13钢类芯棒硬度值一般为340～350 HB，抗拉强度为1 200～1 300 MPa，且10 mm×10 mm×55 mm开V2缺口试样冲击功为15～20 J，表1给出了H13钢芯棒的力学性能指标［5-7］。从国内芯棒的使用情况来看，往往强度有余，而韧性不足。为了响应钢铁企业降本增效、节约能源的号召，本课题组联合国内某特钢厂共同研发出经济型芯棒新材质TBX-1和TBX-4。为此，本文将对TBX-1钢和TBX-4钢的冲击韧性、高温压缩性能及拉伸性能等力学性能进行研究，对比分析两种芯棒用钢的力学性能优劣，为芯棒用户对两种芯棒材料的选择提供理论依据。

表1 H13钢芯棒的力学性能指标［5-7］Table 1 Mechanical properties requirements of H13 mandrel steel

1 试验材料及方法

本文试验用TBX-1钢和TBX-4钢为国内某特钢厂经电渣重熔冶炼生产的球化退火态坯料，其化学成分如表2所示。在坯料上切取所需试样进行热处理，具体热处理工艺如表3所示。

表2 两种芯棒用钢的化学成分（质量分数）Table 2 Chemical composition of the twomandrel steels（mass fraction） %

表3 两种芯棒用钢的热处理工艺Table 3 Heat treatment processes of the two mandrel steels

图1 高温压缩试验工艺Fig.1 Compressive processes at high temperature

两种钢经淬回火处理后，采用Zeiss Supra 40型场发射高分辨扫描电子显微镜（SEM）进行组织形貌观察。冲击试样按照北美压铸协会标准NADCA＃207-2006进行取样、加工和测试，试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，开V2缺口，采用JB-50B型冲击试验机（冲击能量为500 J）进行测试，每组测5根试样，取其平均值。采用Nikon Coolpix 995型体式显微镜和扫描电镜观察冲击试样断口的宏观和微观形貌。

将两种钢加工成φ8 mm×12 mm的试样，采用Gleeble-3500热模拟试验机，按照图1所示工艺，分别在500、520、550、600、620℃和700℃进行高温抗压试验。

按照GB／T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》在CMT5305电子万能试验机上进行室温拉伸试验，试样尺寸如图2所示，测试三次取其平均值。

2 试验结果与分析

2.1 显微组织

TBX-1钢和TBX-4钢经淬回火处理后的显微组织如图3所示。可见两种钢中马氏体板条组织清晰可见，细小球状碳化物弥散状分布在基体上，组织均匀。

图2 拉伸试样尺寸（单位：mm）Fig.2 Size of tensile specimen（unit：mm）

2.2 室温冲击韧性

TBX-1钢和TBX-4钢淬回火后的室温冲击功平均值分别为52 J和71 J，其冲击韧性明显优于传统芯棒用钢H13（见表1）。TBX-1钢和TBX-4钢冲击断口的宏观形貌如图4所示。由图可知，TBX-1钢和TBX-4钢的断口有塑性变形区，剪切唇明显，且TBX-4钢的剪切唇面积明显较大。说明TBX-4钢在断裂之前发生了较大的塑性变形，其冲击韧性优于TBX-1钢，与冲击功数值相吻合。

图3 TBX-1钢（a）和TBX-4钢（b）经淬、回火处理后的SEM形貌Fig.3 SEMmorphologies of TBX-1 steel（a）and TBX-4 steel（b）after quenching and tempering

图4 TBX-1钢（a）和TBX-4钢（b）冲击断口的宏观形貌Fig.4 Macro-morphologies of impact fracture of TBX-1 steel（a）and TBX-4 steel（b）

图5为TBX-1钢和TBX-4钢冲击断口的微观形貌。断口形貌均为撕裂岭和准解理断裂面，即大量高密度短而弯曲的撕裂岭连接着大小取向不一致的准解理断裂面。对比两种钢的断口微观形貌，可见TBX-4钢中的撕裂岭较少，准解理面的尺寸也较TBX-1钢小。对一般断口的分析表明，冲击韧性好的试样有较小的解理断裂单元，断裂单元大小与有效晶粒尺寸相对应［7］。

通过Griffith公式对第二相粒子尺寸和断裂应力之间关系的研究和断裂统计分析表明：大尺寸第二相粒子使材料断裂应力和断裂韧性降低［8-9］。TBX-1钢和TBX-4钢中均加入了微量的合金元素Nb，而Nb可以在材料中形成NbC，该碳化物可以钉扎晶界，细化初始奥氏体晶粒，形成良好的组织，减少大尺寸的第二相粒子，有助于提高材料的强韧性［10］，因此两种试验钢的冲击功均远高于传统芯棒用钢H13。

2.3 高温抗压性能

图6为TBX-1钢和TBX-4钢在不同温度下的应力应变曲线。在试验过程中，TBX-1钢和TBX-4钢均表现出相似的变形行为，即弹性变形，加工硬化和应变软化阶段。在弹性变形阶段，应力呈线性迅速增加，随着应变的不断增大，应力开始缓慢上升，进入加工硬化阶段，应力达到峰值后逐渐下降，之后几乎保持为定值。对比TBX-1钢和TBX-4钢在不同温度下的应力应变曲线，可以得出：随着试验温度的升高，材料的抗压强度不断下降。

图5 TBX-1钢（a）和TBX-4钢（b）冲击断口的微观形貌Fig.5 Micro-morphologies of impact fracture of TBX-1 steel（a）and TBX-4 steel（b）

图6 TBX-1钢（a）和TBX-4钢（b）在不同温度下的应力应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of TBX-1 steel（a）and TBX-4 steel（b）at different temperatures

TBX-1钢和TBX-4钢在不同温度下的屈服强度值见表4。在500℃时，TBX-1钢和TBX-4钢的抗压屈服强度分别为940 MPa和871 MPa；当温度升高到700℃时，TBX-1钢和TBX-4钢的抗压屈服强度分别降低至432 MPa和278 MPa。在相同的试验条件下，TBX-1钢的抗压屈服强度始终高于TBX-4钢。TBX-1钢的初始硬度为37.0 HRC，高出TBX-4钢1.5 HRC，说明材料的原始硬度对材料的抗压屈服强度值也有一定的影响［11］。同时，材料的合金成分也会对其抗压性能有一定影响，对比两种钢的合金成分发现，TBX-1钢的Mn质量分数比TBX-4钢高出1.4%，说明Mn的加入，提高了材料的高温性能。另外，TBX-4钢的Cr含量较高，易形成较多富Cr碳化物，在回火及较高温度下，易于聚集长大，促使材料软化［12］。

2.4 拉伸性能

图7给出了TBX-1钢和TBX-4钢拉伸试验的工程应力—工程应变曲线。从图中可以看出，两种钢在拉伸过程中均未出现明显的屈服过程，但存在颈缩现象。在变形后期，两条曲线都出现了应变增加而应力降低的趋势，说明拉伸过程中均发生了颈缩，有明显的塑性变形。表5列出了TBX-1钢和TBX-4钢的拉伸性能结果。由表可知，TBX-1钢和TBX-4钢的抗拉强度分别为1 230 MPa和1 160 MPa，屈服强度分别为1 070 MPa和975MPa。可见TBX-1钢的抗拉强度和屈服强度均高于TBX-4钢，断面收缩率也比TBX-4钢高出7%。这是因为TBX-1钢的初始硬度高出TBX-4钢1.5 HRC所致。

表4 TBX-1钢和TBX-4钢在不同温度下的抗压屈服强度值Table 4 Compressive yield strength of TBX-1 steel and TBX-4 steel at different temperatures

图7 TBX-1钢和TBX-4钢的工程应力工程应变曲线Fig.7 Engineering stress-engineering strain curves of TBX-1 steel and TBX-4 steel

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

3 结论

（1）经济型芯棒用钢TBX-1和TBX-4均具有优异的淬回火室温冲击韧性，冲击功分别为52 J和70 J，远高于传统芯棒用钢H13的冲击功（15～20 J），两者冲击断口均呈现准解理断裂形貌。

（2）TBX-1钢和TBX-4钢在高温抗压试验中表现出相似的变形行为，500～700℃范围内，在相同的应变条件下，TBX-1钢的抗压屈服强度始终高于TBX-4钢，表现出更为优越的高温抗压性能。

（3）TBX-1钢的抗拉强度和屈服强度比TBX-4钢分别高70 MPa和95 MPa，但两者均表现出良好的抗拉性能，均可满足芯棒使用要求。

（4）如果芯棒的服役条件对韧性要求高，可以选择TXB-4钢；如果对强度要求高，可以选择TBX-1钢；从生产成本角度考虑，则TBX-1更适合。

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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，硕士，助理实验师，主要从事模具钢的性能与组织研究，Email：xijuanhe＠163.com