工艺技术_基于csp工艺冷轧薄板罩式退火过程中组织论文

内蒙古科技大学 硕士学位论文 基于CSP工艺冷轧薄板罩式退火过程中组织、微区取向演变的研 究 姓名：马胜梅 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：金自力 20070610 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 摘 要摘 要 近年来，我国薄板坯连铸连轧CSP(Compact Strip Production)生产线迅速发展，随着 全国各地 CSP 生产线的投产， 为了满足市场需求并获得更高的经济和社会效益，开发 具有高附加值的冷轧产品非常重要。 本论文利用光学显微镜、扫描电子显微镜（Quanta 400）及配套 HKL Channel5 型 电子背散射分析系统对包钢 SPCC 0.55mm 冷轧样在再结晶退火过程中显微组织和微区 取向的转变进行观察，研究了冷轧基料不同对冷轧样在再结晶退火过程中的组织变化和 微区取向转变的影响，研究了再结晶退火过程中轧向纵截面两侧和中心处再结晶转变的 不同，以及不同的退火工艺对钢板r 值、r 值等力学性能的影响。 经研究发现： 包钢 SPCC 0.55mm 冷轧样在再结晶退火过程中两侧的再结晶要比中心的提前发 生，但随着退火过程的进行这种区别对退火过程中再结晶晶粒的长大没有影响，再结晶 过程属于定向形核理论； 通过 EBSD 微区取向的分析发现包钢 SPCC 0.55mm 冷轧样在退火过程的再结晶形 核阶段在111冷轧基体上形成了111和110再结晶晶核，在 111冷轧基体上形成111新晶粒核心。在晶粒长大阶段生成了 112 取向。 包钢 SPCC 0.55mm 冷轧样在 6 种退火工艺下退火得出的退火样进行拉伸实验结果 表明：第一个台阶温度T3时r 值最高，达到 1.7 左右，r 值最小，达到 0.08 左右。 冷轧基料不同，对随后的冷轧微区取向有影响，但在罩式退火过程有着相同的再结 晶新晶粒形成机理。力学性能实验表明，控制双台阶退火工艺中第一台阶的保温温度可 以提高材料的深冲性能。 关键词：关键词：CSP，织构，退火，再结晶，织构，退火，再结晶 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 Research of Microstructure and microcosmic orientation distribution in cold-rolling sheet based onCSP during batch annealing Abstract In recent years，Production line of CSP(Compact Strip Production) develops rapidly in our country, along with going into production of CSP in each place , it is important that developing hightailing more economic and social efficiency. By means of the optical microscope, the scanning electron microscope (Quanta 400) and electron back scatter diffraction(HKL Channel5),we observate the transformation of microstructure and texture during recrystallization in cold-rolling sample of SPCC 0.55mm,we research the effects of different hot rolling material on transformation of microstructure and texture during annealing in cold rolling, the difference transformation between surface and center in the side of rolling direction during recrystallization,and the effects of different anneal technology on the value r、the value r and so on. The results showed that: the recrystallization occurs earlier in surface than in center during annealing in SPCC 0.55mm cold-rolling sample,but this difference has no effect on the growing of recrystal grain as annealing goes by,the recrystallization is the theory of forming crystal directional. By microcosmic orientation distribution analyse we find that the texture 111 and 110 occurs from cold-rolling texture111,the texture 111 occurs from cold-rolling texture 111 in baotou steel SPCC 0.55mm cold-rolling sample during the formation stage of recrystal grains in annealing, the texture 112 occurs in groing stage of recrystal grains. The mechanics performance experiment shows that when the first step temperature is T3 ,the value r is highest (1.7),the value r is lowest(0.08) in 6 anneal technics. When the hot-rolling structure is different,the further cold-rolling microcosmic tropism is different,but they have same foring rule of recrystallization grains.The mechanics performance experiment shows that we can control the deep-drawing performance if we could control the first step temperature in double steps annealing. Key Words：CSP , texture , anneal, recrystallization 独 创 性 说 明独 创 性 说 明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 签名：_ 日期：_ 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 （保密的论文在解密后应遵循此规定）（保密的论文在解密后应遵循此规定） 签名：_ 导师签名：_ 日期：_ 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 引 言引 言 包头钢铁(集团)有限公司 CSP 生产线项目，是国家捆绑引进的三套薄板坯连铸连轧 项目之一。其主要技术装备由德国 SMS、SIMENS、LOI 等公司引进，部分装备国内配 套制造。包钢薄板坯连铸连轧工程是采用现代成熟 CSP 技术建设的二机二流薄板坯连 铸连轧生产线1，设计上解决了原有 CSP 生产线轧机生产能力远大于铸机生产能力的问 题，与之配套的二炼钢系统，设计年产钢 290 万吨，CSP 系统年产板坯 198 万吨，年产 成品板卷 194.51 万吨。产品为厚度 1.220mm、宽度 9801560mm 的热轧板卷，钢种 包括冷轧低碳钢、管线钢、热轧结构钢和硅钢(二期)等。薄板坯连铸连轧生产线是短流 程生产线，它常与电炉相匹配进行生产，包钢为了调整产品结构，在现有高炉之后，配 转炉与CSP 生产线实现嫁接，是现代新技术在传统工艺中的应用。 包头钢铁(集团)公司冷轧薄板项目是国家“十五”发展和内蒙古自治区重点建设项 目。包钢在热轧薄板坯连铸连轧(CSP)生产线的基础上，投资 28 亿元人民币再建一条冷 轧薄板生产线。新建冷轧薄板生产线年产 140 万吨冷轧卷、镀锌板卷、彩涂板卷、冷硬 板卷等。SMS 公司提供的 5 机架六辊冷轧机具有世界先进水平，技术成熟。镀锌机组 年产量 40 万吨，彩涂机组年产量 15 万吨。该项目的建设是包钢进一步优化产品结构， 实施精品战略，提高西部钢铁企业国际竞争力的重大举措。 为了进一步提高冷轧板的深冲性能， 开发相关高性能冷轧钢板，以提高产品质 量，降低成本，提高外观质量及耐腐蚀寿命，提升内蒙钢铁产品的技术和经济附加值。 通过实验对包钢 SPCC 0.55mm 冷轧样在罩式退火过程中组织、微区取向的演变规律及 其影响机理进行探索研究，研究深冲性能与冷轧基料组织、微区取向及退火工艺的关 系，对进一步提高深冲性能具有重要的理论和实际意义。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 1 文献综述文献综述 1.1 国内外CSP研究发展概况 薄板坯连铸连轧工艺（CSP）是 20 世纪 80 年代末开发成功的新技术，自 1989 年 美国纽柯克拉兹维莱钢厂世界第一套薄板坯连铸连轧 CSP 生产线投产以来，该项技术 发展很快，至今已建成和在建的薄板坯连铸连轧生产线（含中厚板坯连铸连轧）已近 30 条，生产能力达 4000 万吨以上，占热轧带钢总产量的 11%。薄板坯连铸连轧技术的 出现是钢铁工业近年来最重要的技术进步之一。CSP 工艺是应用最广泛、技术最成熟的 薄板坯连铸连轧工艺，具有生产成本低、产量高等特点1。 在当前世界钢铁生产能力增加、区域市场趋于饱和的形势下，各钢厂纷纷采取强化 高附加值产品的生产策略，优质深冲钢、超深冲钢便是其中最主要的高附加值产品之 一。冷冲压用冷轧薄钢板广泛用于车辆、船舶、家用电器等行业，尤其在汽车工业中， 车身用冷轧薄钢板约占汽车用钢的 50%以上。现有冷冲压钢板主要缺点是深冲性能欠 佳，特别是变形不均匀并有开裂现象，其原因与钢中固溶的 C、N 原子在铁素体中对位 错的钉扎及脱钉造成的屈服平台有关，也与晶粒大小、织构等有关2。 1.2 CSP生产工艺特点 与传统的厚板坯冷却后重新加热再轧制的工艺相比，具有同样成分的 CSP 热轧钢 板经历了不同的热加工过程。主要表现在：CSP 热轧钢板是经过薄板坯连铸均热连 轧卷曲工序生产的，连铸坯没有经过冷却到室温再加热的过程，具有凝固组织状态的 薄板坯经约 1100的均热后直接进行轧制，并且在轧制过程中采用更大的道次压下 率；薄板坯的凝固时间更短，凝固后的冷却速率更高3；连铸坯板带在轧制后进行快速 冷却。这些工艺上的差别均对CSP 低碳钢成品板的组织和性能产生明显影响。 根据 CSP 工艺的金属学特点，薄板坯高温直接装炉，在变形前材料中的合金元素 处于固溶状态，经变形诱导析出，利于形成细小弥散的析出物，这种特点有利于充分发 挥合金元素的作用，对产品的组织和性能有很大的影响。虽然目前文献对 CSP 工艺的 析出行为进行了研究，并取得了一些成果，但总体来说对析出行为的研究仍然不足，尤 其对整个轧制过程中各道次变形条件下的析出行为研究更少。在累积变形量较低、轧制 温度较高的前面道次，析出物主要在晶界和相界上形成，且尺寸较大，多在 150nm 以 上，形状主要呈长条状，这些粒子在较高的温度下形成以后，因奥氏体化，长大成为粗 大的析出物;随着累积变形量的增加和变形温度的降低，析出物主要呈细小、弥散状分 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 布在晶粒内部，主要呈圆球形或近似圆球形，尺寸约在 20-100nm 左右。分析轧制过程 中的析出行为，可以认为，在变形过程中，随着累积变形量的增加和轧制温度的降低， 产生大量位错和畸变能增加，加速了元素的扩散，在这些地方析出物形核所需的能量较 少，形核较为容易，使析出速度增大3。 根据 CSP 热轧工艺特点，其前三道次的道次变形量均大于 45%，变形温度均在 950以上，属于奥氏体再结晶区轧制，此时在晶界上形成的析出物可以阻止奥氏体晶 粒长大，有利于得到细小的再结晶奥氏体晶粒；后面三个道次的变形温度较低，由于第 二相粒子的固溶阻塞及拖曳作用，显著阻滞形变奥氏体的再结晶，保证了在奥氏体内形 成大量的变形带，这些变形带可以将奥氏体晶粒分割成一些小区域，因而增加了铁素体 晶粒的形核地点，有利于得到更细小的铁素体晶粒组织，而晶粒细化可以同时提高强度 和韧性4。这对某些性能要求是必要的，但对进一步生产深冲性钢板很不利。 1.3 冷轧薄钢板生产的发展历史 钢的冷轧于 19 世纪中叶始于德国，美国于 1859 年制造建成了 25mm 冷轧机，1887 年生产出宽 150mm 的低碳钢带。苏联于 20 世纪 30 年代中期开始冷轧生产，日本 1938 年在东洋钢板松下工厂安装了第一台可逆式冷轧机，开始冷轧薄板的生产，1940 年在 新日铁广畑厂建立了第一套四机架 1420mm 冷连轧机。我国冷轧宽带钢的生产开始于 1960 年，首先建立了 1700mm 单机架可逆式冷轧机，20 世纪 70 年代投产了我国第一套 1700mm 连续式五机架冷轧机，1988 年建成了 2030mm 五机架全连续冷轧机。现在我国 投入生产的宽带钢轧机有 35 套，窄带钢轧机有 1000 套，在这 40 多年中我国冷轧薄板 生产能力增加了 40 多倍5。2006 年，全国热轧薄板产量增长速度最快，共生产 557.21 万吨，比 2005 年增长 84.5%。其余依次是：热轧薄宽钢带 1748.13 万吨，增长 55.5%； 冷轧薄板 1314.57 万吨，增长 53.1%；冷轧薄宽钢带 1290.41 万吨，增长 49%；镀层板 (带)1398.45 万吨，增长 43.6%。 从 1999 年底到 2006 年上半年，我国已有 12 家钢铁企 业的 13 条薄板坯（包括中薄板坯）连铸连轧线相继投产，年产能力约 3500 万吨。 冷轧薄板的生产如此迅速的主要原因是：钢材在热轧过程中的温降和温度分布不均 给生产带来了难题，特别是在轧制厚度小而长度大的薄板带产品时，冷却上的差异引起 的轧件首尾温度差往往使产品尺寸超出公差范围，性能出现显著差异。当厚度小于一定 限度时，轧件在轧制过程中温降剧烈，以致根本不可能在轧制周期内保持热轧所需的温 度。目前热轧工艺技术水平尚不能使钢板表面在热轧过程中不被氧化，也不能完全避免 由氧化铁皮造成的表面质量不良，因此，热轧不适于生产表面光洁程度要求较高的板带 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - 钢产品。冷轧产品的性能好、品种多、用途广。通过一定的冷轧变形程度与冷轧后热处 理恰当配合，可以在比较广的范围内满足用户的要求。 1.4 冷轧深冲钢板的生产工艺概述 CSP 生产区域由精练连铸跨、均热跨和轧制跨、精整跨组成。图 1-1、图 1-2 是包 钢现有热轧钢卷生产工艺6， 图图 1-1 包钢包钢 CSP 平面示意图平面示意图 冷轧的原料是热轧带钢，因而冷轧生产产品的质量好坏与热轧带钢的质量关系很 大。热轧带钢的组织和性能直接影响到冷轧钢板的组织和性能。影响热轧带钢组织和性 能的因素除钢坯加热温度和保温时间之外，主要因素是终轧温度、卷取温度、末道次压 下率。以低碳钢为例，热轧、冷轧低碳钢的组织特征是铁素体晶粒组织和一定数量的渗 碳体，所以决定其性能好坏的组织首先是铁素体晶粒的大小、形状及均匀程度、晶体取 向，其次是渗碳体的尺寸大小及分布的弥散程度。假如冷轧带钢组织有很粗大的晶粒， 在冲压加工后，加工零件表面将形成粗糙表面，甚至导致冲压时开裂造成废品。 58520 373382 连铸机 卷取机 平整机 F1-F6 均热跨轧制跨精整跨 精炼连铸跨 673812 169 444 60 000 加热炉 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 5 - 退火后钢板的铁素体晶粒大小，除与冷轧热处理条件有关外，也与热轧带钢的显微 组织、织构有关。热轧带钢的显微组织特征会保持到冷轧薄板上，冷轧不能消除热轧变 形时得到的粗大晶粒、过细晶粒及晶粒不均，这些都将遗传在冷轧带钢上。 图1-3 是冷轧生产工艺流程图1， 图图 1-2 CSP 生产线生产流程图生产线生产流程图 高炉铁水预脱硅 铁水预处理站 210t 复吹转炉 210t 钢水包 100t 铁水罐、镁基脱硫 扒渣 计量、称重 高位料仓 长水口 侵入式 水 口 结晶器震动 钢卷冷却堆放外销 漏斗型结晶器中间包 钢包精练炉 钢包回转台 直通辊式均热炉 液压摆式切头剪 弧形导向、拉矫 铸坯顶弯 铸坯导向、喷淋 冷却液芯压下 温度、尺寸、板形 平直度控制 F1F6 精轧机组 液压压下立辊轧边事故飞剪高压水除鳞 称重、打捆、喷印钢卷检查地下卷取机 层流冷却 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 6 - 图图 1-3 冷轧生产工艺流程冷轧生产工艺流程 1.5 板材的深冲性 冷轧薄板的力学性能决定于化学成分、浇注、热轧、冷轧和退火。减小冷轧薄板性 能波动的技术归结起来，在炼钢方面，主要有铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、真空 处理、钢包精炼及近终形薄板连铸等；在热轧方面，有板坯与钢带的温度分布均匀化、 热装/直接轧制、隔热罩/热卷箱、控轧与控冷；在冷轧与退火方面，有浅槽酸洗、冷轧 新技术、强对流全氢罩式退火、连续退火等。但通常我们用材料的塑性应变比 r 值、加 工硬化系数n 值和屈强比来衡量板材深冲性能的好坏。 酸洗机组 冷连轧机组 电解清洗线 热镀锌机组 横切纵切 退火机组或罩式退火炉 平整机组 彩镀机组 镀锌机组 电镀锌机组 纵切/横切 成 品 库 或酸洗-连轧 联合机组 纵切机组 横切机组 平整重卷机组 热轧钢卷 成品卷 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 7 - 1.5.1 塑性应变比 板材的深冲性能与其力学性能的各向异性密切相关，即力图使其在板平面内具有高 塑性流动性，同时，在板厚方向具有足够的抵抗塑性流动的能力。材料的这一性质可用 塑性应变比r值来定量表示7： r=/N 或 ri=i/N (1-1) 其中 表示垂直于板法线的某一方向上的正应变，为其取向；N表示板法线方向 的正应变。通常沿板平面不同方向上的性能不同，如图 1-4 所示5，常测的 r 值有 0 r ， 45 r ， 90 r ，即 方向与轧向夹角为 0、45或 90。由此可求出平均值 m r 。为此约定将 m r 称为标称塑性应变比： m r =( 0 r +2 45 r + 90 r )/4 (1-2) r=（ 0 r + 90 r 2 45 r ） (1-3) rm值越大，板材在垂直于板法线方向的板平面内具有越强的塑性流动性，同时， 在板厚方向具有足够抵抗塑性流动的能力，因此深冲性能越好。 因此 r 表示的是在轧板面上的各向变形抗力差，为使板材变形均匀防止制耳，一 般要求板材的r 值尽量小。所以理想的超深冲板要求具有高的 r 值和低的 r 值。 图图 1-4 r 值的方向性值的方向性 1.5.2 材料的屈强比 另外一个衡量钢板深冲性能好坏的因素是屈强比。材料的屈强比是指材料的屈服强 度与抗拉强度的比值，即：材料的屈强比=s/b 式中 s材料的屈服强度（MPa） 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 8 - b材料的抗拉强度（MPa） 深冲钢板的屈强比值为0.65。材料屈强比大小，对材料的冲压性能影响是很大 的，而且也是比较重要的。小的屈强比，对所有冲压成形都是有利的。在拉深时，如果 板料的屈服点 s 低，则变形区的应力较小，材料的起皱趋势也小，这时，防止起皱的 压边力和摩擦损失都相应的降低，结果对提高极限变形程度是有利的。在冲压生产中， 对板料的屈强比是有一定的要求的8。 1.5.3 加工硬化系数 金属材料在冷塑性变形后所发生的强度和硬度升高、塑性下降的现象称之为加工硬 化。应变硬化指数 n 是在单轴拉伸力作用下，真实应力与真实应变数学方程式中的真实 应变指数9，测试样的取样方向与测量r 值时相同，并用(3)式计算其平均值： nm=(n0+2n45+n90)/4 (1-4) 1.6 织构 1.6.1 织构测定方法发展史 1924 年 F 韦费提出织构测定的极图描述方法X 射线照相法。1948 年 B.F 德克 尔等首次使用平行光束 X 射线衍射仪透射法等；次年 M.Field 和 M.E.Merchant 发表了 相应的反射法，同年 L.G.舒尔茨立即发表了发散光束衍射几何条件下的透射法和反射法 测定技术。借助透射法和反射法组合可获得板材织构的全极图，从而奠定了 X 射线衍 射仪法测极图的基层。 1952 年，G.B 哈里斯在轧制铀棒织构时提出了反极图法，后经 L.K 杰特尔、M.H. 米勒等完善和发展。1965 年 H.J 邦格和 J、罗依分别提出了三维取向分布函数分析法， 克服了极图、反极图表示织构的某些不足，为织构确切和定量描述开辟了前景。 1.6.2 织构的定义和类型 单晶体在不同的晶体学方向上，其力学、电磁、光学、耐腐蚀、磁学甚至核物理等 方面的性能会表现出显著差异，这种现象称为各向异性。多晶体是许多单晶体的集合， 如果晶粒数目大且各晶粒的排列是完全无规则的统计均匀分布，即在不同方向上取向几 率相同，则这多晶集合体在不同方向上就会宏观地表现出各种性能相同的现象，这叫各 向同性。 然而多晶体在其形成过程中，由于受到外界的力、热、电、磁等各种不同条件的影 响，或在形成后受到不同的加工工艺的影响，多晶集合体中的各晶粒就会沿着某些方向 排列，呈现出或多或少的统计不均匀分布，即出现在某些方向上聚集排列，因而在这些 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 9 - 方向上取向几率增大的现象，这种现象叫做择优取向。这种组织结构及规则聚集排列状 态类似于天然纤维或织物的结构和纹理，故称之为织构。织构测定在材料研究中有重要 作用。 为了具体描述织构 (即多晶体的取向分布规律)，常把择优取向的晶体学方向 (晶向) 和晶体学平面 (晶面) 跟多晶体宏观参考系相关连起来。这种宏观参考系一般与多晶体 外观相关连，譬如丝状材料一般采用轴向；板状材料多采用轧面及轧向。多晶体在不同 受力情况下，会出现不同类型的织构：丝织构、面织构、板织构10。 1.6.3 织构的表示方法及测定方法 为了直观地表示择优取向，必须把这种微观的空间集聚取向的位置、角度、密度分 布与材料的宏观外观坐标系 (拉丝及纤维的轴向，轧板的轧向、横向、板面法向) 联系 起来。通过材料宏观的外观坐标系与微观取向的联系，就可直观地了解多晶体微观的择 优取向。 织构表示方法有多种，如取向的表达方法、转角表示晶体取向、织构的极图表达、 晶体三维空间取向分布函数法等。 取向的表达方法7：在纤维材料或者丝中形成的纤维织构，它们通常是以一个或几 个晶体学方向平行或近似平行于纤维或丝的外观方向，这种晶向就称为织 构轴。 对于板织构，由于轧制变形包含有压缩变形及拉伸变形，晶体在压力作用下，常 以某一个或某几个晶面hkl平行于轧板板面，而同时在拉伸力作用下又常以方向 平行于轧制方向，因而这种择优取向就表示为hkl。 如在立方晶体轧制样品坐标系中用hkl来表达某一晶粒的取向，这种晶粒的 取向特征为其hkl晶面平行于轧面，方向平行于轧向。 晶体学指数表示法表示 晶体空间择优取向既形象又具体，文字书写时简洁明了，是最常用的表示法之一。缺点 是，它只表示出晶体取向的理想位置，未表示出织构的强弱及漫散程度。 晶体三维空间取向分布函数法：极图和反极图均是晶体在空间中取向分布的极射赤 面二维投影，它们尚未能完全描述晶体的空间取向，这就是用它们判定织构时会错判和 漏判的原因。多晶织构材料的晶粒取向分布函数表示法是 1965 年由罗伊 (Roe) 和邦厄 (Bunge)各自独立提出来的。该表示方法以固定在被测多晶材料试样上的立体直角坐标 架 OABC 为参照，于OABC 的Euler 角，表示该晶粒的取向 g，图 1-5 11 即 g=，0（，）2，0 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 10 - 取向分布函数f(g)=f(，)表达了空间取向 g 上的取向分布密度。用 ， 作为空间直角坐标系的三个变量就可以建立起取向空间（称作欧拉空间），如图 1-6 所 示。对于轧制样品，常用的表达晶体取向的直观方式为hkl，表示警惕hkl面 平行于轧面、晶向平行于轧向。 取向表达的两种方式hkl和(，)之间可按以下确定关系转换 7： h=sinsin k=cossin l=cos u=coscos-sinsincos v=-cossin-sincoscos w=sinsin 图图 1- 5 Euler 角角， 图图 1- 6 取向空间取向空间 2 2 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 11 - 在很多情况下并不需要分析取向分布函数所能提供的全部数据，而只需分析在某一 过程中取向空间内一些特定取向线上取向分布函数值的变化过程，因此取向分布分析也 可以简化为向线分析。 把取向分布函数 f(g)在取向子空间表达出来就是取向分布函数的图象表达。表达方 法为垂直于取向空间的某一欧拉角坐标轴的方向，从取向空间中截取若干个等间距的取 向面（从 0开始间隔 5），然后在各取向面上给出取向密度的等密度线。取向分布函数 的图像能表达晶体取向的分布情况。但它提供的信息量较大，使人们难于很快对取向分 布函数所表达的织构有一个概括的了解。所表达的信息量有许多并不重要。表 1-1 为立 方晶系中的重要取向。 表表 1-1 立方晶系中的重要取向立方晶系中的重要取向 名 称 hkl 1 2 立 方 001 0 0 0 旋转立方 001 45 0 0 铜 型 112 90 35 45 黄铜型 011 35 45 0 高 斯 011 0 45 0 S 123 59 37 63 R 124 57 29 63 236 79 31 33 025 0 22 0 111 90 55 45 黄铜R 111 0 55 45 1.6.4 深冲钢板中常见的织构类型 钢板的织构往往聚集在取向空间的某些取向线上，图 1-7 所示为钢板中常见的织构 取向线在邦厄（Bunge）系统欧拉空间中的位置。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 12 - 图图 1-7 钢板中的织构取向线钢板中的织构取向线 取向线和 取向线是深冲钢板中存在的两种主要织构取向线。 其中 取向线在 ODF 图中的位置为 1=0、=0-90、2=45，主要织构类型为 001、112、111。 取向线在 ODF 图中的位置为 1=0-90、=54.7、2=45，主要织构类型为 111和111，对于 IF 钢还往往出现554织构（1=0-90、=61、 2=45，与111非常接近）。 取向线往往用来描述电工硅钢片中的织构，在 ODF 图中的位置为 1=0、=0- 90、2=0，主要织构类型为001（立方织构）和110（高斯织构）。 热轧钢板表面往往出现 取向线上的织构类型，它在 ODF 图中的位置为 1=0- 90、=45、2=0，主要包括110（高斯织构）和110（旋转高斯织 构）。 取向线代表了001晶面平行于轧面的织构，是深冲钢板最不希望出现的织构类 型，在 ODF 图中的位置为 1=0、=0、2=0-90，主要织构类型为001100立方 织构和001旋转立方织构。 1 2 取向线：RD 取向线：ND 取向线：RD 取向线：ND 取向线：ND 取向线：TD 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 13 - 取向线表示的是晶向平行于板带横向的织构，在 ODF 图中的位置为 1=90、=0-90、2=45，主要织构类型包括001、111、554和 110。 虽然深冲钢板的冷轧和退火织构通常主要分布在 和 取向线上，但在一定的工艺 条件下，也会出现 、 和 取向线上的织构类型，ODF 图的 2=45截面对于深冲钢 板的织构分析具有重要的意义12 ，13。图 1-8 是体心立方晶体 2=45ODF 截面图和八种 主要织构组分。 图图 1-8 体心立方晶体体心立方晶体 2=45ODF 截面图和八种主要织构组分截面图和八种主要织构组分 一般来说，冷轧的变形织构主要是：001、112、111、 111。变形织构对于某些产品是很重要的。如冷轧深冲汽车钢板，退火后希望获 得的织构是111，因为这种织构的冷轧汽车钢板冲压性能好。 112 111110（旋转高斯织构） 111 001 （立方结构） 001 110 (高斯织构) 111 554 111 2=45 1 001 （旋转立方织构） 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 14 - 1.6.5 织构对深冲钢板成型性能的影响 对于一般用作冲压板的低碳钢的要求主要是好的表面质量和足够的塑性，而对于超 深冲板材除上述要求以外，对板材的晶粒尺寸以及织构都有严格的要求，以保证板材的 超深冲性能。 深冲钢板中晶粒111晶面平行于轧板板面时冲压性好，而100晶面平行于轧板板 面冲压性差。冲压性可用塑性应变之比r表示，即在平行于板面的其它方向上变形越 大，板面垂直的方向上的变形越小r值越大。钢板在冲压压力作用下，当晶粒的111 面平行于板面时，由于体心立方金属中沿方向的变形抗力最大。与板面垂直的方 向上的变形抗力最大，板面垂直的方向上的变形困难，而在平行于板面的方向上变形抗 力相对很小，从而有利于深冲压变形，尤其是拉胀变形。（体心立方晶向与111 晶面垂直， 体心立方晶向与100晶面垂直）；体心立方金属中沿方向的变 形抗力最小，当晶粒的100面平行于板面时，板面垂直的方向上的变形容易，而在平 行于板面的方向上变形抗力相对很大，塑性应变之比r值小。 而111织构就是取向线织构，所以只要提高深冲钢板中的取向线的比率也就 提高了深冲钢板的成型性能。 热轧板晶粒尺寸的增长强烈影响了部分取向，且不会影响到取向12。低碳钢形 变织构主要由不完整的取向和完整的取向组成。前者相当于自001伸展至 111的RD， 后 者 相 当 于 位 在111至111之 间 的 ND。 在冷轧织构的演变过程中有两个阶段。低变形条件下（70%），取向部分很均 匀，且形成了取向的111；在高变形条件下（70%），取向的112 和取向的111进一步增长，同时伴随着001和111保持不变 14。 退火织构直接影响深冲板的成型性能，所以退火工艺是深冲钢板形成有利织构的 重要工序，较低温度时，再结晶在AlN完全析出后才开始，退火织构含有强的111织 构组分。ALN析出相对于001晶粒长大的阻力较大，而对于高储能的111取向晶粒 长大的阻力则很小。ALN粗化缓慢，则对001晶粒长大的阻滞作用愈能持久。所以退 火有利于提高深冲钢板的成型性能。一般低碳钢的110形核率高于IF钢，111形核 率低于IF钢，低碳钢的111形核率低于111。由于变形储能是再结晶形 核的驱动力，所以储能高的织构组分在再结晶过程中更易优先形核，而最终的退火织构 则由形核率高，数量大的织构组分占主导地位。IF钢退火织构的111组分尤其是 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 15 - 111比低碳钢强，而110组分又比低碳钢弱，这是IF钢成型性能比低碳钢优越 的重要原因。 0.2%C-Mn钢中细的碳化物颗粒有利于细化铁素体晶粒组织的变形。它们的钉扎作 用抑制了晶界的迁移，这样可以阻止非常细微的晶粒细化。同时也可以阻止主要的再结 晶，这些细的碳化物颗粒会导致再结晶温度的增大，拓宽了先前轧制和退火处理的温度 范围 15。研究发现14，观测到的强取向是典型的轧制织构，没有形成新的HAGBs （high-angle grain bundaries，大角度晶界）是不能使取向向取向转变的原因。 1.6.6 织构对塑性应变比的影响 大量研究表明，板材内的织构与rm值有着密切的联系 16。对于那些rm值高的材料 而言，板材各晶粒的111面大多平行于轧面，即材料具有强的111型织构；而当板材 各晶粒的100面大多平行于轧面时可使板材的rm值降低。实践证明：上述两种织构的 强度比I111/I001与rm大致成直线关系(见图1-9)，板材织构是影响r值的主要因 素。 图图 1-9 rm值与钢中织构比率值与钢中织构比率111/001的关系的关系 钢中织构的形成受合金成分以及诸如变形条件(变形程序、变形温度、变形速度、 变形几何条件、样品尺寸和润滑条件等)、材料的某些性质(初始晶粒度、初始织构、冶 金质量、第二相及弥散度、相变、晶体结构、微量元素及含量、层错能等)和退火工艺 的影响。表1-2、表1-3为钢板中各织构对塑性应变比的影响17。 1.010100100 0.4 2.4 1.6 2.0 1.2 0.8 2.8 平均应变比率 I111/I001 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 16 - 表表 1-2 钢板中各织构对塑性应变比的影响钢板中各织构对塑性应变比的影响 织构 类型 001 001 112 111 111 554 110 110 对 塑 性 应 变 比 的 影 响 特 点 使塑性应变比平 均值rm非常小， 严重恶化了深冲 钢 板 的 成 型 性 能。所以001 织构是应该严格 避 免 的 织 构 类 型。 多方研究表明 18,19,20 该 织 构 使r0，由 于深冲板的塑 性应变比特点 一般总是r 0，所以该织 构在冷轧深冲 钢板中并没有 起到主导影响 作用。 111织构使rm 值很大、成型性 能良好。 554与 111的 取向非常接近， 所以其影响特点 与111 类似。该类织构 是深冲钢板生产 中公认理想有利 织构。 此两种织构在110晶面 内相差90，所以这两种 织构对塑性应变比的影响 特点关于=45对称。该 类对深冲钢板塑性应变比 的影响特点是r0或r90值 很大，但r45值很小，这 会导致r值明显偏大。 经研究 21 表1-3说明 110织构对塑性应 变比的影响力度远远大于 其他织构，而且造成r 值特别大。 表表 1-3 不同织构类型对低碳深冲钢板不同织构类型对低碳深冲钢板 rm、r 值的影响 值的影响 织构类型 rm r 111 2.62 0.01 111 2.62 0.01 554 2.61 1.09 112 2.07 2.69 001 0.41 0.75 110 5.04 8.95 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 17 - 1.7 生产工艺对冷轧薄板织构和性能的影响 为保证低碳钢冷轧冲压钢板的深冲性能（特别是r值），需要从冶炼、热轧和冷轧 等各方面加以控制。冶炼时应严格控制化学成分，保证低碳、适量的Al和钢质纯净； AlN保持固溶状态；冷轧时施以大压下，为退火过程中有利织构的形核和发展创造条 件。 在冷轧过程中，对冷轧冲压钢板r值有影响的工艺因素有总压下率、压下分配、润 滑和张力等，其中总压下率是最主要的影响因素。研究表明，采用罩式退火工艺生产的 冲压钢板，根据碳含量的不同，其获得高r值的最佳冷轧压下率为：低碳钢约为70%，微 碳钢约为80%，超低碳钢约为90%(可以考虑退火后的试样进行平整，再进行性能检 查)。 从生产工艺角度考虑，退火以后的板材织构取决于轧制、再结晶以及晶粒长大过 程。在大多数情况下，轧制工艺主要影响织构的强弱，再结晶温度以及再结晶时的气氛 条件常常是决定形成不同织构的关键因素。如果在再结晶完成以后继续进行退火，则在 晶粒长大的同时板材的织构将发生变化。尽管在目前的科学技术发展水平下，人们还无 法随心所欲地获得所需的最终板材织构，但是板材织构对生产工艺过程的强烈依赖性也 为人们提供了很大的选择，使人们可以通过各种不同的生产工艺获得比较有益的织构而 防止形成不利的织构。再结晶退火以后的超低碳钢中常有很强的线织构，即111 晶面平行于轧板板面。 1.7.1 热轧工艺对织构和性能的影响 热轧为冷轧及随后的再结晶提供了起始织构，高的终轧温度和低的卷取温度是有利 的热轧工艺，一般采取的终轧温度为800900，卷取温度为500700 22。当终轧 温度在Ar3以上时，热轧带的晶粒分布通常体现为微弱织构或随机分布。而当终轧温度 在-两相区时，低（微）碳钢热轧带将出现明显织构，而且温度越低织构度越强。在 出现明显织构的热轧带中，表面织构与中间层织构具有显著差别，表面织构往往表现为 110和110之间的取向线织构和4 4 11和112之间的 取向线织构，这些织构是由于热轧带表面层的剪切变形造成的。001织构组分 在表面和中间层都存在，但其在中间层的织构度明显比表面层强。 原始热轧条件决定了冷轧及退火织构和微观组织。在低碳钢的动态再结晶和相变热 轧过程中，表面层的变形是剪切变形，中心层的变形是类似冷轧的平面变形。由于热轧 后的水雾冷却且与轧辊直接接触，所以表面层比中心层的温度降的快，表面动态再结晶 低，储存的变形能就比中心层高。仅在中心层取向线上的001和111之 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 18 - 间出现了弱的类似冷轧平面变形织构，而在表面层织构的分布几乎是随机的 23。传统 大部分热轧过程在奥氏体区，这些应变和温度梯度会导致亚表层更早的转变和更强的再 结晶，有时中心层会出现取向。非铁素体热轧低碳钢和IF钢就是一例。这种产品的 铁素体热轧通常会在中心层导致更多的热轧板织构 24。铁素体热轧经随后的冷轧及退 火在成品的织构组成上表现为强烈的111退火织构，使材料具有良好的深冲性能 25。热轧温度越高，板内热轧板织构越均匀。铁素体热轧经常在同一板卷内热轧织构非 常均匀，再结晶织构对热轧板均匀性要比晶粒微观结构更敏感。面内热轧的均匀性对不 变轧制和退火织构来说是必要的预备条件，且对后来的整个板卷的深冲性能也是必要的 24。 关于卷取温度与冷轧板r值的关系，从图1-10中可以看出，在相同的冷轧压下量 和相近的终轧温度下，不同卷取温度、r值不同，低的卷取温度能获得高的r值。碳化 物颗粒的尺寸也决定于卷取温度，卷取温度高将得到颗粒粗大的碳化物，这是因为卷取 后缓慢冷却过程中，铁素体中的碳含量不断降低，碳化物析出聚集。析出的碳化物一般 在温度降低过程中强烈生长成大颗粒，另外小颗粒碳化物也不断凝聚成大颗粒，这种大 颗粒碳化物在冷轧时被轧碎并被拉长成条状分布，导致钢板呈各向异性，特别是使横向 性能降低，这对冲压成形是不利的。为此，热连轧机后辊道没有冷却设备。其冷却能力 要保证轧后钢板能以67/s的冷却速度迅速冷却到550-580进入卷取机，这样不仅 使ALN全部均匀固溶，而且也使碳化物呈颗粒状分布26。 图图 1-10 r与卷取温度的关系与卷取温度的关系 终轧温度860-882， 冷轧压下率为60（沸腾钢F）和75（镇静钢S） 卷取温度/ 482 539 593649 704 0.5 1.0 1.5 S S F r 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 19 - 1.7.2 冷轧工艺对织构和性能的影响 冷轧工艺对薄板深冲性能影响比较大，冷轧时钢板的组织发生了重大变化。低碳深 冲钢板冷轧退火过程中形成的再结晶织构与形变织构有着密切的关系。形变织构主要与 化学成分和压下量有关，在某一变形量下，其深冲性能达到最佳，即有一最佳变形量， 但碳含量不同，最佳变形量也不同27。冷轧压下率对r值的影响见图1-11，随冷轧压下 率的增加，各方向的值有不同的变化27。 图图 1-11 冷轧压下率对冷轧压下率对 r 值的影响值的影响 1r90，2r0，3rm，4r45，5r 由图1-11可见， r值随冷轧压下率的增加而增加，在压下率为73%左右出现峰 值，随后随冷轧压下率的增加而减小。冷轧压下率对r0值的影响与对r90值的影响相 似，只是峰值略为提前。r45值随冷轧压下率的增加而增加，无峰值出现。rm值在冷轧 压下率为73%左右处出现峰值，r值则随冷轧压下率的提高而减小。 1.7.3 退火工艺对织构和性能的影响 退火是将钢加热至临界点Ac1以上或以下温度，保温以后随炉缓慢冷却以获得近于 平衡状态组织的热处理工艺28。退火是决定钢性能的一道关键工序，在退火过程中要完 成铁素体再结晶、晶粒长大和再结晶织构的充分发展。冷轧后的IF钢可以通过3种途 径来完成再结