显微组织与性能的小论文-

上海大学 2013 2014 学年 秋 季学期研究生课程考试小论文课程名称： 材料结构性能与应用 课程编号： 10SAU7003 论文题目： DP590 冷轧双相钢组织性能研究 研究生姓名： 学 号： 论文评语：成 绩： 任课教师： 评阅日期： DP590 冷轧双相钢组织性能研究2013 年 3 月 4 日摘 要：本文以国内某冷轧厂为背景，利用多功能连续退火模拟器，结合现场实际生产条件，模拟连续退火生产双相钢过程，并采用金相、和透射等显微组织观察方法以及力学性能测定方法，研究了连续退火工艺中临界区加热温度、保温时间对双相钢组织性能的影响。关键字：冷轧双相钢；组织性能；热模拟；连续退火Microstructure and Properties of Cold Rolled DP590Abstract： This article describes the development, technological process and system of converter steelmaking. The endpoint control of BOF steelmaking process is also introduced, and the history, test principle and its application in converter steelmaking of gas analysis is emphasized as well .Lastly, the title points out the existing problems of gas analysis technology at present, and shows the future direction clearly.Keywords：cold-rolled dual phase steel； microstructure and properties； thermal simulator；continuous annealing1. 引言随着能源的消耗日益加剧，国际对二氧化碳排放的限制，节能减排已成当今世界关注的热点。这就要求汽车向着低油耗，少排放，节约能源方向发展 1。在这一汽车轻量化目标的驱使下，钢铁工作者开始了对汽车高强板的研究，已形成不同强度级别的品种系列，主要包括：双相钢、多相钢、相变诱导塑性钢、孪晶诱导塑性钢、低碳马氏体钢。目前应用最广的为双相钢，在 ULSAB (ULTRA LIGHTSTEEL AUTO BODY PROJECT)计划中，双相钢用量达到汽车车身用钢量的 74%2。双相钢是由普通低合金高强度钢或低碳钢经双相区热处理或者控轧控冷工艺得到的由强化相马氏体和塑性相铁素体所构成的复相合金。这种双相组织具有很好的强度和延性匹配，成为获得高强度高成型性板材的有效方法。双相钢具有屈服点低、抗张强度高、加工硬化率大和延伸均匀、总延伸率高等特点。同时，双相钢也具有较高的冲击初性和较低的韧性脆性转变温度。正是由于这多种优良特性，可以满足社会发展对于汽车轻量化以及较高的安全性和环保性的要求，已日益受到人们的重视。双相钢的种类较多，按化学成分可以将双相钢分为三种：（1)普通低碳钢，含碳量一般不超过 0.2%； (2)低碳猛钢，钢中加入微量元素 V、Ti、Nb； (3)低碳硅锰钢，钢中加入合金元素 Cr、Mo，其中碳含量不超过 0.1%。按生产工艺可以分为热轧双相钢和热处理双相钢。双相钢的特殊性能是由组织中软相铁素体和硬相马氏体相互配合的结果。马氏体在变形时起承载作用，导致双相钢具有较高的强度，而较软的铁素体又容易塑性变形，同时铁素体在变形过程中又会遇到硬相马氏体的阻碍产生大量位错而迅速硬化，有利于流变应力的均匀分布，这样也成就了双相钢良好的成形性能。(a)示意图 (b)岛状马氏体(Lepera 试剂腐烛)(c)板条马氏体光学显微组织(4%硝酸酒精腐烛) (d)板条马氏体扫描图片图 1 双相钢微观组织图 1 (a)是典型双相钢组织的示意图。从图 1 (a)可以看到马氏体弥散分布在铁素体之间。图 1 (b)为 Lepera 试剂腐蚀下的岛状马氏体的光学显微组织，其中白色的为岛状马氏体，灰色为铁素体基体。有研究表明，改变热处理工艺，也可以得到板条马氏体，并在本课题研究中得到证实，如图 1 (c)、 （d)中所示。在用 4%销酸酒精腐烛时，光学显微下观察到马氏体呈黑色块状，在扫描电镜下可以观察到块状马氏体的内部结构，为按着一定晶相排列的板条状结构。日本在双相钢的生产方面起初曾领先于其他国家 3。这主要与日本拥有先进的轧制设备及大型连续退火线有关，也与日本汽车制造厂为了减轻汽车自重，提高燃料效率，要求供应高强度、轻质量的材料和构件有关。开始，日本主要以生产热处理双相钢为主，其钢种多为低碳钢和低碳猛钢。后来逐渐开始研究低合金热轧双相钢，以满足汽车工业对于一些厚规格双相钢板的要求。最初，美国生产的热处理双相钢为了提高萍透性都含有一定的合金元素如Cr、Mn 、Si 、V 和 Mo 等。临界区退火是在连续热处理生产线或者批量退火炉中进行的。美国钢公司、麦克劳斯钢公司、詹斯拉古林公司等就采用这些生产方法，其典型牌号为VAN-AN50、 80、100 或 GM980X。后来美国克里马克斯钼公司开发了一种不需要热处理的双相钢（即通过控制终轧温度、终轧至盘卷的冷却速度及盘卷温度获得所需的双相组织） ，取名为 ARDP，其性能和普通热处理双相钢相当，同时 Climax 公司开发了中温卷取双相钢（C-Si-Mn-Cr-Mo 系）ARDP。在双相钢研发和生产方面，欧洲仅次于 R 本和美国，目前已经有多家钢厂和汽车厂进行了双相钢的研制和试用，其钢种和工艺与北美相似。阿赛洛丨以及德国的克虏伯(Krupp) 4公司将双相钢的研究作为其开发方向。瑞典的SSAB 公司也在连续生产线上生产双相钢。我国有关双相钢的研制起步较晚，自 1979 年开始，一些科研、教学单位如哈尔滨工业大学、北京钢铁研究总院等 5相继开展了对双相钢组织性能、变形特性、轧制变形模式、强化原理及断裂特性的研究。1981 年后，鞍钢、武钢及宝钢等钢铁公司对双相钢进行了试生产，并将其产品先后供一汽、二汽和北京吉普车有限公司用作冲压构件的材料，并进行了装车试验。经过对轧制和退火工艺的系统研究和多次试验，现已成功地实现 590MPa、780MPa等级别冷礼双相钢工业生产。但 DP590 在客户使用过程中发现由于延性不足而导致多次冲裂现象，故本文旨在通过使用现场提供的冷轧硬板，在 MULTIPAS 上模拟现场连续退火过程，以期得到连退各个工艺参数对双相钢组织和性能的影响规律，从而找出提高双相钢延性的方法，为现场工艺调整提供理论依据。2. 影响双相钢组织性能的因素影响冷轧双相钢组织性能的因素有很多，其中主要是合金元素、终札温度、终轧后的待冷时间和开始冷却的温度、终轧后的冷却速度和卷取温度等 6，而这些因素又相互联系。本论文研究的实验材料是由本钢冷礼厂提供的 1.0mm 厚的冷轧硬板，其化学成分如表 1 所示。表 1 模拟试样的化学成分(质量百分数，%)所用的设备为某厂的多功能连续退火模拟器(简称 MULTIPAS)。如图 2 所示，MULTIPAS 多功能连续退火模拟器是一套由奥钢联下属的 Vatron 公司设计制造，主要用于板材的各种热处理工艺包括调质处理、退火、回火、淬火等，尤其是复杂连续退火热处理工艺的精密试验设备 6。图 2 多功能连续退火器2.1 退火温度对实验钢组织性能的影响在连续退火生产线上，临界区加热阶段也被称为退火阶段。退火温度对双相钢组织性能具有重要影响。本章主要通过 MULTIPAS 多功能连续退火模拟器，模拟连续退火过程，保持其它工艺参数如加热速度、缓冷初始温度并终了温度，快冷速度以及过时效阶段的时效温度和时间不变，改变退火温度，研究两相区退火温度对双相钢组织和性能的影响规律，以期研究结果可以为现场工艺优化提供理论依据。2.1.1 退火工艺模拟方案及组织性能检测采用本钢冷轧厂提供的 1.0mm 厚的冷轧钢板，制作成标准退火热处理试样，固定在热模拟机上。采用的退火工艺为，以 2.5/s 的加热速率对四个试样分别加热到 780，800，840和 860，保温 2 分钟后以 1.5/s 的冷却速率缓冷至 700再快速冷却到320最后过时效至 250空冷至室温。具体工艺曲线见图 3 所示。图 3 连续退火工艺制度从拉伸后的试样上取样，在线切割机上切成 10mm15mm 规格小样，经镶样后预磨，粗磨和精磨抛光，使用 4%的硝酸酒精腐蚀，在 DMIRM 金相显微镜下观察显微组织。并用扫描电镜观察内部组织。将剩余试样制作成 50 标距的标准规格拉伸试样，在 Zwick 电子万能材料试验机上测定其力学性能。2.1.2 显微组织图 4 为试验钢退火前的冷轧硬板的内部显微组织。在 4%硝酸酒精腐烛下的金相照片中，铁素体呈白色，珠光体呈黑色带状。由图 4 可以看出，退火前的组织为铁素体和珠光体以及黑色颗粒状的渗碳体组织。其中铁素体沿轧向分布十分明显，且铁素体晶粒被拉长，珠光体也沿轧向呈条带状分布于铁素体晶粒之间 7。图 4 试验钢初始冷轧组织图 5 为不同临界区退火温度下的试验钢的内部显微组织。随着两相区加热温度的升高，双相钢内部组织包括两相体积比以及形貌、分布形态等发生了规律性的变化。图 5 (a)中，退火温度为 780时，测得组织为 30%马氏体，70%铁素体贝氏体。此时铁素体沿轧向分布被拉长的形态十分明显，马氏体呈岛状弥散分布在铁素体晶界上，体积较小(约为14m)，并且马氏体没有明显的连续性。图 5(b)中，退火温度为 800时，组织约为 35%的马氏体，65%的铁素体贝氏体，铁素体晶粒细小(约为 l4m) 且均匀分散，马氏体和铁素体交错分布。图 5 (c)中，退火温度为 840时，组织为 60%的马氏体，40%的铁素体贝氏体，马氏体含量超过铁素体，马氏体呈条块状分布，且体积较大(有的板条长度达 10m)，马氏体互相连接在一起，呈群落状或网状分布于铁素体晶界上或者占据整个铁素体晶粒的位置，铁素体也逐渐被马氏体分割成许多小的区域，呈零散分布状，体积较图 5 (a)和图 5 (b)大，板条贝氏体明显增多 8。图 5(d)中，退火温度为 860时，铁素体和马氏体两相体积分数比和图 5 (c)中退火温度为 840时相当，马氏体呈板条状和块状分布于铁素体之间，同时也有一定量的板条贝氏体出现。(a) 780 (b)800(c) 840 (d) 860图 5 热处理后试验钢的显微组织 (4%硝酸酒精腐烛)由图 5 可以知道，低碳马氏体多呈条块状，这种马氏体的显微组织在光学显微镜下较难辨认，往往只能看出领域的轮廓，无法看清条块内部的显微组织形态，因此采用扫描电镜在较高放大倍数下观察。图 6 为四种退火温度下的扫描图片。其中黑色基体为铁素体，白色组织呈岛状及板条状且板条较细为马氏体，较粗的白色板条被黑色的碳化物隔开的组织为贝氏体。由图 6(a)可以看出，组织多为岛状马氏体和少量的板条马氏体，马氏体岛状形貌非常清楚，均勻分布在铁素体的晶界上，铁素体体积较大且沿礼向分布的形貌清晰可见。800退火时，马氏体含量明显增多，且多为均勻分散且细小的板条状。图 6 (c)中， 马氏体多呈块状或板条状，岛状马氏体含量非常少。图 6 (d)中，组织为大块状马氏体 (较图 6 (c)中)和少量的贝氏体，几乎没有岛状马氏体。(a)780 (b)800(c)840 (d)860图 6 不同退火温度后试验钢的扫描图片2.1.3 力学性能表 2 为不同退火温度下的试验钢的性能参数。从中可以看出，抗拉强度在746767MPa 之间变化，变化范围较小；屈服强度在 374546MPa 之间变化，变化幅度较大，780和 800强度较小，840和 860时强度均在 530MPa 以上；伸长率在 28%以内变化；800以下退火时，屈强比在 0.5 左右，800以上高温退火时，屈强比在 0.7左右；强塑积在 800退火时最局。表 2 试验钢的力学性能参数2.1.4 小结退火温度对双相钢组织性能有着决定性影响，主要通过影响奥氏体化程度来影响最终组织中马氏体生成状况。在较低的两相区加热温度范围内，奥氏体主要沿着铁素体晶界平行长大，临界区加热温度升高，奥氏体长大速率加快，沿平行和垂直铁素体晶界两方向长大。低温退火时，如 780和 800，马氏体多呈岛状沿铁素体晶界分布；随着退火温度升高，马氏体逐渐向块状转变；金相下看到的块状马氏体在扫描下看到的内部结构呈板条状。随退火温度升高，双相钢强度逐渐升高，至高温时保持稳定；延伸率、强塑积逐渐降低，屈强比逐渐升高，至高温时保持稳定。2.2 保温时间对试验钢组织性能的影响将冷轧双相钢加热到两相区，铁素体再结晶，奥氏体逐渐形核并幵始长大，这一过程受碳扩散的控制，高温下迅速完成，但要想达到最终平衡则需要较长的保温时间 9-11。为了达到组织性能的要求，一般要求达到一定的保温时间，而过长的保温时间将会影响现场的生产效率，故需要实验研究确定一个较理想可行的保温时间。本章将采用模拟实验机研究两相区保温时间对双相钢组织性能的影响规律。2.2.1 模拟方案具体工艺制度为：在 MULTIPAS 上以 2.5/s 的加热速率加热到 830，分别保温 1分钟，2 分钟，10 分钟后以 1.5/s 速率缓冷至 700，再以 30/s 的冷却速率快速冷却(气冷加风冷 )到 320，最后过时效至 250，空冷至室温。图 7 为实验所采用的模拟工艺曲线示意图。图 7 为实验所采用的模拟工艺曲线示意图。2.2.2 显微组织(a) 60s (b) 120s (c) 600s图 8 试验钢不同保温时 M 时的显微组织(SEM)块状马氏体内部的组织结构在金相下无法看清楚，故借助电子扫描技术观察。图 7为不同保温时间下的扫描图片。其中黑色组织为等轴的多边形铁素体基体，白亮色为马氏体板条和贝氏体板条。马氏体内部板条较细小而马氏体扳条粗大，贝氏体板条被铁素体隔开。细小的马氏体板条组成了大块状的马氏体。从图 8 中可以看出，不同保温时间下的两相比例、形态和分布变化不大。2.2.3 力学性能表 3 为不同保温时间下的试验钢的各项力学性能参数。从中可以看出，保温 60s 和600s 时，抗拉强度屈服强度较高，延伸率较低，屈强比较高，强塑积较小。保温 120s 时的强度较低，延伸率较高，屈强比较小，强塑积较高表 3 试验钢的力学性能参数2.2.4 小结保温时间主要影响奥氏体的长大和奥氏体成分均匀性。保温时间较短时，碳原子从高碳量的奥氏体中向铁素体中扩散，同时 Mn 等合金元素从从铁素体中向奥氏体中扩散，在二者均扩散至晶界通道时，铁素体得到净化，强度较低，奥氏体碳含量减少，最终获得的马氏体中的碳含量减少，抗拉强度下降。保温时间较长时，晶界上的碳持续地扩散到铁素体中，使得一些成分达到奥氏体的要求而奥氏体化，亦即奥氏体长入铁素体中的过程。铁素体中的含碳量升高，屈服强度升高，而奥氏体中的碳含量变化很小，故强度变化不大。2.3 冷却速度对试验钢组织性能的影响双相热处理过程是将冷轧后的硬板以一定的加热速度加热到铁素体奥氏体两相区，根据 Fe-C 相图，内部组织发生了回复和再结晶，珠光体逐渐溶解，奥氏体在有利地点形核长大，随着两相区保温时间延长，奥氏体逐渐长大并长入铁素体，奥氏体化程度和两相区温度及保温时间密切相关 12-13。在此过程中形成的奥氏体经缓慢冷却过程内部组织趋向于稳定，接着以大于临界冷却速度快速冷却使得这些过冷奥氏体转变转变成符合性能要求的一定量的马氏体，故研究快冷速度与双相钢组织性能的关系对控制双相钢生产具有重要意义 14。2.3.1 模拟方案具体工艺制度为：以 2.5/s 的加热速率加热到 830，保温 2 分钟后以 1.5/s 速率缓冷至 700，再分别以 10/s，20/s， 30/s 和 40/s 的冷却速率快速冷却(风冷)到320，最后过时效至 250后空冷至室温。图 9 为具体工艺曲线。图 9 实验工艺制度2.3.2 显微组织用扫描电镜观察的图片如图 10 所示。从中可以看出，黑色组织为铁素体基体，白亮色为马氏体和贝氏体组织。马氏体多呈块状或者板条分布于铁素体基体上，也有少量的岛状马氏体，并且多边形铁素体内部的 M-A 岛呈白亮色看得非常清楚。冷速为 l0/s 时，组织中的岛状马氏体较多，铁素体基体上含有较多的 M-A 岛且体积较大，含有少量的贝氏体组织。随冷却速度增加，两相比例变化不大。a) 10/s (b) 20/s；(c) 30/s (d) 40/s图 10 试验钢不同冷却速度下的显微组织(SEM)2.3.2 力学性能表 4 试验钢的力学性能参数表 4 为实验测得的不同冷却速度下的试验钢的力学性能参数。从中可以看出，抗拉强度的变化范_为 729772MPa，变化较小；屈服强度变化较大，416524MPa ；延伸率在14%18%之间变化；屈强比变化范围为 0.570.68；强塑积在 11234 和 13441 之间变化。图 11 为不同冷却速度对试验钢的各个力学性能参数的影响规律。从中可以看出，随冷速增加，抗拉强度和屈服强度开始时均有增加，屈服强度增加幅度更大，而后两者均趋于稳定。延伸率在冷速为 10/s 和 40/s 时较高，20/s 和 30/s 时相差不大。屈强比在10/s 冷却时较低，之后随着冷速增加呈现下降趋势。强塑积随冷速的变化趋势和延伸率一致。(a)抗拉强度和屈服强度 (b)延伸率(c)屈强比 (d)强塑积图 11 冷却速度对力学性能的影响2.3.4 小结冷却速率增大，形成马氏体量增多，冷却速度增加到 20/s 以后，进一步增大冷速内部组织形貌变化不大。较低冷速时，屈服强度较低。随冷速增加，试验钢的屈服强度和抗拉强度均有所增加，至 20/s 之后随冷速增加，力学性能保持稳定。延伸率随冷速的变化趋势和屈服强度相反。3. 结论退火温度对冷轮双相钢的组织性能有重要影响，它直接决定了硬质第二相的体积分数、分布和形貌。马氏体体积分数与退火温度成正比，在冷速足够大的情况下，强度也随退火温度升高而升高。在同一临界区温度下保温，随保温时间延长，碳和锰在组织中不断扩散，使奥氏体成分趋于均匀化，组织性能逐渐趋于稳定。过长的保温时间下双相钢的组织性能将趋于稳定，通过延长保温时间来获取更加平衡的组织则意义不大，对于现场来说，不利于追求生产率和效益最大化的目标。临界区加热后的冷却速率对马氏体体积分数、马氏体岛的形态、铁素体的组织和性能等都有重要的影响。为了获得铁素体和马氏体的双相组织，必须以大于或等于临界冷却速率的速度进行冷却。参考文献1 康永林 .现代汽车板工艺及成形理论与技术M,北京:冶金工业出版社,2009.2 杨王玥 ,齐俊杰,孙祖庆等.低碳钢形变强化相变的特征J,金属学报,2004, 40(2):135-140.3 Ehrhardt B, Gerber T, Schanmann T W. 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