0. 引言

H13钢是一种用途广泛、最具有代表性的热作模具钢，具有良好的淬透性、热硬性、耐热疲劳性和耐磨性能。目前国内企业大规格（直径大于120 mm）H13钢产品通常采用模铸+锻造生产工艺，该工艺存在工件头尾剪切率高的问题，成材率约为80%，这导致了H13钢的生产成本较高[1-2]。近年来，国内特钢企业尝试采用连铸+热轧工艺生产大规格H13钢。但在开发过程中普遍存在大方坯脱引锭困难、轻压下效果不明显、铸坯心部质量差等问题，无法保证生产过程的稳定性及铸坯质量，以及轧制过程温控塑性较差，铸坯缺陷在后续轧制过程中无法充分焊合，导致成品探伤率不合格等系列问题[3-5]。因此，有必要继续对大规格H13钢连铸+热轧过程开展工艺技术研究。

高温热塑性反映了钢铁材料在高温环境下的强塑性特征和可加工性能，表征的是金属材料在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性的能力。钢铁材料连铸坯裂纹、心部疏松偏析以及热轧混晶等问题均与其高温热塑性有关，因此对钢铁材料进行高温热塑性研究具有重要实际意义。目前，有关H13钢高温热塑性的研究主要集中在模铸+锻造工艺方面，而对于连铸+热轧工艺方面的研究较少。为此，作者采用高温拉伸的方式对大规格H13钢连铸坯进行高温热塑性试验，研究了抗拉强度和断面收缩率随温度的变化规律，分析了断裂机理，拟为大规格H13钢连铸+热轧工艺参数的制定提供技术指导。

1. 试样制备与试验方法

试验材料为H13钢连铸坯，化学成分（质量分数/%）为0.38C，1.00Si，0.40Mn，5.00Cr，0.06Ni，1.30Mo，1.00V，0.07Cu，0.005S，0.008P，余Fe。在连铸坯1/4厚度处截取尺寸如图1所示的拉伸试样，采用高温拉伸的方式在Gleeble-3800型热模拟试验机上进行高温热塑性试验，试验温度为600~1 300 ℃。试样先以10 ℃·s−1的速率升温至1 300 ℃并保温5 min，随后以3 ℃·s−1的速率降至试验温度，保温30 s后以1×10−3 s−1的应变速率拉伸至试样断裂，整个试验过程均在氮气保护环境下进行。采用Zeiss Ultra55型场发射扫描电镜（SEM）观察断口形貌，同时在断口附近沿径向进行纵剖，经过镶嵌、研磨、抛光，用体积分数4%硝酸乙醇溶液腐蚀后，采用ZEISS-M2m型光学显微镜观察显微组织。

图 1 拉伸试样尺寸

Figure 1. Dimension of tensile specimen

2. 试验结果与讨论

2.1 高温热塑性曲线

由图2可以看出，H13钢的抗拉强度随温度升高持续下降。材料热变形过程存在加工硬化和回复再结晶软化两种机制。受拉伸作用材料发生塑性变形，内部晶粒发生滑移与位错缠结，引起加工硬化；同时，材料发生动态回复与再结晶，使位错密度急剧下降，从而表现出软化现象。随着温度升高，动态软化作用强于加工硬化作用，导致抗拉强度持续下降。当钢铁材料的断面收缩率小于60%时，在连铸过程中连铸坯产生裂纹缺陷的风险明显增加；当断面收缩率大于60%时，材料塑性较好，裂纹缺陷产生的概率较低，开裂风险小。因此，选择断面收缩率60%作为塑性区和脆性区的临界值[6]。一般钢铁材料自600 ℃至熔点之间存在3个脆性敏感温度区，分别为高温脆性区、中温脆性区和低温脆性区，不同脆性区的断裂机理有所不同，对后续热轧生产工艺的影响也不同[7-8]。在600~1 300 ℃范围内，H13钢的断面收缩率随温度升高呈先降低后升高再降低的趋势；高温脆性区、中温脆性区和低温脆性区温度范围分别为1 250~1 300，900~1 150，600~900 ℃；高温热塑性区非常窄，仅在1 150~1 250 ℃范围内断面收缩率大于60%，在1 200 ℃下达到最大值78.2%。中温脆性区和低温脆性区相连，形成大“口袋”形状，“口袋”区域明显且范围较大，说明H13钢的裂纹敏感性较高，在连铸过程需要严格控制铸坯冷却参数，尽量在高温塑性区矫直，避开“口袋”区域，以免铸坯中出现裂纹。H13钢在高温热塑性区的抗拉强度低，塑性好，但有效温度窗口较窄，因此在高温热塑性区轧制时应尽量减少热轧道次，增大开坯压下量以及热轧道次压下量，通过增大变形缩短轧制时间，以确保在高温热塑性区内完成轧制流程，避免组织中出现混晶而影响成品性能。

图 2 H13钢的高温热塑性曲线

Figure 2. High temperature thermoplastic curve of H13 steel

2.2 断口形貌

由图3可以看出，在低温脆性区塑性最低点，即750 ℃下的拉伸断口呈典型的沿晶断裂特征，但晶界上存在大量小韧窝，这是晶界显微空洞形核、长大、连接的结果，或者与钢中低熔点脆性金属或第二相析出在晶界处偏聚有关[9-10]。在中温脆性区，1 100 ℃拉伸断口存在由一簇簇相互平行的、位于不同高度的晶面形成的解理台阶，同时不同方向或相邻的晶面连接处存在细小的撕裂棱，呈准解理断裂特征，准解理断裂是介于解理断裂和韧窝断裂之间的一种过渡断裂形式[11]；断口局部还存在冰糖晶状的沿晶断裂区域。可见1 100 ℃拉伸断口呈准解理和沿晶混合断裂特征。在高温脆性区，1 300 ℃拉伸断口呈多面体冰糖晶状，晶粒表面光滑，形状规整且立体感强，呈典型的沿晶断裂特征。这是由于当温度较高且接近材料熔点时，晶粒急剧长大，晶界处于固/液熔融状态，较易形成液膜，在拉应力作用下，裂纹先在晶界处形成，然后进一步扩展造成沿晶断裂；由于拉伸时断面收缩，电流急剧升高，在断面裂纹处发生放电，断口表面及晶界处出现局部熔化现象，导致断口表面的晶面特征不够清晰。在高温热塑性区，1 200 ℃拉伸断口呈纤维状+韧窝状，韧窝大小不一、深浅不同，韧窝周边发生较大的塑性变形，断裂方式为典型的韧性断裂，这是由于材料在拉伸变形过程中产生了空洞，空洞形核、长大、聚集，最后相互连接而导致断裂。

图 3 不同温度下H13钢的拉伸断口SEM形貌

Figure 3. SEM morphology of tensile fracture of H13 steel at different temperatures: (a, c, e, g) at low magnification and (b, d, f, h) at high magnification

2.3 断口附近的显微组织

由图4可见，在氮气保护下经历600~1 300 ℃高温拉伸并自然冷却后，H13钢的基体组织均为马氏体。在低温脆性区塑性最低点，即750 ℃下的拉伸断口附近组织中存在明显的原奥氏体晶界，晶粒未发生变形，同时观察到不同程度的晶界裂纹，说明此温度下晶界弱化明显；在中温脆性区，1 100 ℃拉伸断口断裂端部（图4左侧区域）的晶粒边界不规则，存在变形、撕裂等现象，说明晶粒发生穿晶断裂，远离端部区域存在非常明显的晶界裂纹；在高温脆性区，1 300 ℃拉伸断口断裂端部出现整个晶粒沿晶界脱落现象，且晶粒边界棱角不明显，这与1 300 ℃高温下断口存在熔化现象有关；在高温热塑性区，1 200 ℃拉伸断口附近未发现明显的晶界裂纹及由夹杂物引起的微孔裂纹等，整体表现为韧性断裂。

图 4 不同温度下H13钢拉伸断口附近的显微组织

Figure 4. Microstructures near tensile fracture of H13 steel at different temperatures

3. 结论

（1）随着温度由600 ℃升高到1 300 ℃，H13钢连铸坯的抗拉强度持续下降，断面收缩率先降后升再降；中温脆性区（900~1 150 ℃）和低温脆性区（600~900 ℃）相连形成的“口袋”脆性区范围较宽，为600~1 150 ℃，1 150~1 250 ℃范围内的断面收缩率大于60%，为H13钢连铸坯的高温热塑性区。H13钢的高温热塑性区范围窄，说明其连铸和热轧环节的可操作温度区窄，现场生产对温控要求高。

（2）H13钢连铸坯在高温热塑性区的断裂方式以韧性断裂为主，韧窝周围存在较大的塑性变形；“口袋”脆性区的断裂方式为沿晶断裂和准解理断裂。在低温脆性区断口附近原奥氏体晶界弱化明显，组织中存在晶界裂纹；在中温脆性区断口附近晶粒发生穿晶断裂；在高温脆性区断口附近存在整个晶粒脱落现象；在高温塑性区断口附近组织未出现明显的晶界裂纹和微孔裂纹。

文章来源——材料与测试网