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硕士学位论文冷轧双相钢工艺参数及组织性能的研究 摘要 双相钢具有屈服点低、初始加工硬化率高、强度高、延性好等特点，是一种新型 冲压用钢，在汽车制造领域得到了广泛应用。使用双相钢钢板可以减轻汽车( 尤其是 轿车) 钢结构件自重的2 0 左右。研究和开发低成本的热轧双相钢，对当今世界节约 资源、降低能耗和可持续发展具有十分重要的现实意义。 本文设计了五种成分的实验用钢，通过热模拟实验和双相热处理实验，对冷轧双 相钢的工艺参数与组织性能进行了分析。论文的主要工作如下： ( 1 ) 在g l e e b l e 3 5 0 0 热模拟试验机上对实验用钢进行了单道次压缩变形，测定了实 验钢的应力一应变曲线，研究了变形温度和变形速率对奥氏体变形行为的影响，分析 了微合金元素对动态再结晶的作用，并建立了实验钢的临界应变模型。 ( 2 ) 以实验钢为对象进行了三种不同工艺的四道次压缩实验，通过控制形变温度 和形变量的分配，获得了f + m 的双相组织，根据应力应变曲线，研究了不同工艺下 热变形过程的变形抗力变化，并计算了软化率，研究了实验钢热变形动态软化行为。 ( 3 ) 对实验钢设计了四种不同的双相热处理工艺，实验后得到了f + m 的双相组 织，通过对比双相钢的组织形貌、马氏体体积分数以及铁素体的晶粒大小，测定了铁 素体基体的显微硬度，分析了不同双相热处理工艺得到的组织与性能的规律。 关键词：双相钢，组织，再结晶 硕士学位论文 a b s t r a c t d u a lp h a s es t e e li sw i d e l yu s e di na u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n ga san e wt y p eo f p u n c h i n gs t e e l ，w i mt h ef o l l o w i n gp r o p e r t i e ss u c ha sl o wy i e l dp o i n t ，h i 曲i n i t i a lw o r k h a r d e n i n gr a t e ，h i 曲s t r e n g t ha n dg o o dd u c t i l i t y a u t o m o b i l e s ( e s p e c i a l l yc a r s ) c a n d e c r e a s et h ew e i g h to fs t e e ls t r u c t u r ep a r t sb ya b o u t2 0 ，u s i n gd u a lp h a s es t e e l t h e r e f o r e ， s t u d ya n de x p l o i t a t i o no fl o w - - c o s th o t - - r o l l e dd u a lp h a s es t e e lh a v es i g n i f i c a n tp r a c t i c a l m e a n i n gt or e s o u r c e ss a v i n g , r e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n ，a n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t i nt h i s p a p e r , s t e e lw i mf i v ec o m p o n e n t sw a sd e s i g n e d t h ep r o c e s sp a r a m e t e r s ， m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o l d r o l l e dd u a lp h a s es t e e lw e r ei n v e s t i g a t e d b yt h e r m a ls i m u l a t i n ga n dd u a lp h a s eh e a tt r e a t m e n te x p e r i m e n t t h em a i nw o r ki nt h e p a p e ri sa l sf o l l o w i n g ： ( 1 ) s i n g l ep a s sc o m p r e s s i n gt e s tw a sc a r r i e do u t o nt h eg l e e b l e 3 5 0 0t h e r m a l s i m u l a t o r a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t ，t h es t r e s s s t r a i nc u r v eo ft h es p e c i m e n sw a s m e a s u r e d ，i n f l u e n c eo fd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n ds t r a i nr a t eo na u s t e n i t ed e f o r m a t i o n b e h a v i o rw a si n v e s t i g a t e d ，e f f e c to fm i c r o a l l o ye l e m e n to nd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nw a s s t u d i e da n dt h ec d t i c a ls t r a i nm o d e lo ft h es t e e lw a se s t a b l i s h e d ( 2 ) t h r e ep r o c e s s e so ff o u rp a s s e sc o m p r e s s i n gt e s to ne x p e r i m e n ts t e e lw a s c o n d u c t e d b yc o n t r o l l i n gt h ed i s t r i b u t i o no f d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n ds t r a i nr a t e ，d u a l p h a s es t r u c t u r e ( f + m ) w a so b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fs t r e s s s t r a i nc u r v e ，t h e c h a n g el a wo fd e f o r m a t i o nr e s i s t a n c ew a sd e t e r m i n e d ，t h es o f t e nf r a c t i o nw a sc a l c u l a t e d a n dt h et h e r m a ld e f o r m a t i o ns o f t e n i n gb e h a v i o ro fe x p e r i m e n ts t e e lw a s i n v e s t i g a t e d ( 3 ) f o u rt y p e so fd u a lp h a s eh e a tt r e a t m e n to ne x p e r i m e n ts t e e lw e r ed e s i g n e d d u a l p h a s es t r u c t u r e ( f + m ) w a so b t a i n e db ym e a n so ft h ea b o v e - m e n t i o n e dt r e a t m e n t t h e m i c r o h a r d n e s so ff e r r i t es u b s t r a t ea n dc h a n g el a wo fm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s c o r r e s p o n d i n gt o d i f f e r e n td u a lp h a s eh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s e sw e r ei n v e s t i g a t e db y c o m p a r i n gt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm o r p h o l o g yo fd u a lp h a s es t e e l ，m a r t e n s i t ev o l u m e f r a c t i o na n dt h eg r a i ns i z eo ff e r r i t e k e y w o r d ：d u a lp h a s es t e e l ，m i c r o s t r u c t u r e ，r e c r y s t a l l i z a t i o n i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 么叁蔓五掰年g 月扣日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：金猛 2 蝴年6 月如日 硕士学位论文 冷轧双相钢工艺参数及组织性能的研究 1 绪论 1 1 引言 钢铁作为传统的结构材料，可以说是目前应用最广泛的材料之一，也是创造现代 文明的基础材料。自从我国钢铁产量于1 9 9 6 年首次突破亿吨大关以来，我国的钢产量 就一直居于世界首位。近几年来，我国钢铁的生产一直处于持续增长的趋势，2 0 0 0 年，钢产量达到1 2 6 亿吨【1 1 ，2 0 0 1 年达n 1 5 3 亿吨【2 】，2 0 0 2 年全国累计粗钢产量1 8 2 亿 吨 3 1 ，2 0 0 1 年增长1 8 6 6 2 0 0 6 年，我国的钢、铁、材产量均突破了4 亿吨，又一次 实现了历史性突破【4 】。与我国1 9 4 9 年钢材产量1 5 8 万吨相比，在不至w j 6 0 年的时间钢产 量增长了千倍以上，特别是1 9 9 6 年至u 2 0 0 2 年，平均年增长率达1 5 7 5 以上。据中国统 计学会冶金统计分会统计2 0 0 2 年全世界6 5 个主要产钢国家和地区的粗钢总产量为 8 8 6 7 4 8 亿吨【3 】，而中国( 大陆) 的粗钢产量占世界粗钢总产量的2 0 4 7 。从品种和质量 上看，目前己形成能冶炼包括高温合金、精密合金在内的1 0 0 0 多个钢种，轧制包括板、 带、管、型、线、丝等各种形状的4 万多个品种规格的钢材。每年生产的钢材有8 5 是按国际标准和国际先进标准生产的，其中有1 1 3 的实物质量达到国际水平【l 】。 但是，从我国钢铁行业的国际竞争力来看，中国钢铁行业依然存在企业规模相对 较小，产业集中度低；整体产能过剩，落后产能比重大；产品综合档次质量低，缺少 过硬品牌；仍是全国资源高消耗、污染物排放大户，生产效率低、技术装备和工艺普 遍比较落后，在管理水平、人员素质上同一些钢铁强国如日本、韩国、美国以及欧洲 的一些国家相比，还存在明显的差距，整个行业不只一次成为国家宏观调控的重点， 这些劣势不利于经济全球化的竞争【5 】。虽然我国已是公认的钢铁大国，但并不是钢铁 强国，少数高技术含量、高附加值的产品，如冷轧硅钢板、高强度超深冲汽车板、集 装箱板、高品质家电板、高强度和超高强度硬线和棒材及造船板等仍然依赖进口，虽 然总的来看，国产钢材的市场占有率较高，但实物占有率要高于价值占有率，显示出 我国钢铁产品附加值较低，以及对国外高附加值产品的依赖。在钢铁贸易中，多年来 我国一直是钢材净进口国，钢材进口量远高于出口量，从价值量来看，进口的钢材 以高附加值为主，而出口钢材的附加值相对较低。因此，中国正出台多项措施，力促 钢铁业推进增长方式的转变【6 】，提高我国钢铁企业集中度，大力发展大型高效的钢铁 企业，以实现规模效应；同时，加大技术改革力度，提高技术装备水平，扩大高技术 含量、高附加值产品的比例就成为目前急需解决的问题。 事实上由于工业的高速发展，人类对资源和环境的使用需求迅速增加，各国加大 了对矿产、能源以及其它非可再生资源的争夺。人们发现在未来的五十至一百年内， 人类赖以生存的大多数资源和能源将面临枯竭，面对这样严酷的现实，人类不得不认 1 1 绪论硕士学位论文 真考虑可持续发展问题，并寻求新的发展战略。在钢铁工业，为了满足未来可持续发 展的需要，开发和低能耗、低资源占用、低污染、长寿命、高综合性能的钢材已是必 然。 钢材在现代工业中的一个重要用途是汽车制造，自从1 8 8 5 年，德国工程师卡尔奔 驰在曼海姆研制成世界上第一辆装有汽油机的三轮车以来，汽车便成为了公路运输的 重要手段和人类最便捷的交通工具。如今汽车工业已有一百多年的历史，汽车作为公 路运输的重要手段和人类最便捷的交通工具，如今己进入社会经济生活的各个领域， 发挥着难以代替的巨大作用，汽车制造业也与机械、电子、石油、化工及建筑业一样， 成为国民经济最主要的产业之一，汽车的人均占有量一定程度上反映社会经济繁荣和 生活质量水平。汽车工业的发展与原材料工业有着密不可分的关系，目前世界上汽车 保有量约5 亿多辆，年产5 0 0 0 万辆左右，每年消耗占世界钢铁材料总产量的2 4 左右。 汽车用钢品种构成为：钢板约占5 0 以上( 轿车约占7 0 以上) ，优质钢占3 0 ，型钢占 6 ，带钢占6 5 ，钢管占3 ，金属制品及其它占1 嘣。7 1 。另外据统计，生产一辆汽车 的费用按比例分配为：原材料5 3 、制造3 0 、设计开发5 、其它1 2 。因此，高质 量原材料的准备就显得十分重要。汽车工业需要的原材料主要为钢材，约占总用材量 的7 0 。钢材与铝和塑料等材料相比，有较好的可锻性、焊接性、着色性和成本低、 强度高、便于再循环利用等综合优势。而钢材中用量最大的是薄钢板，一辆轿车约使 用薄钢板6 0 0 - - 8 0 0 k g ，薄板成形件5 0 0 多件 8 】。由此可见，汽车行业是高质量钢板的 最大用户，也是对钢板品质要求最高的部门。 汽车工业在不同发展阶段，对汽车板要求的侧重点也不尽相刚啦! o 】：2 0 世纪5 0 、 6 0 年代主要是要求车身制造冲压零件避免开裂，冶金工厂开发适于汽车工业的汽车板 产品，生产成形性优良的钢板。2 0 世纪6 0 年代后半期，汽车产量剧增，生产过程高速 化、连续化和自动化，冲压技术追求提高零件精度和尺寸稳定性，冶金工厂开发了低 屈服强度钢板、高成形性钢板等。自6 0 年代开始加强钢板表面质量控制，为提高材料 利用率，开始大量应用钢卷。2 0 世纪7 0 年代两次石油危机，使汽车工业开始重视开发 节能汽车，而社会对环境的重视和对废气排放与节能要求也促使汽车工业进行轻量化 研究，至8 0 年代高强度钢板已实用化。由于出口汽车数量增加，为减轻北美、北欧寒 冷冬季融雪盐对车辆的腐蚀，自7 0 年代中期开始开发表面处理钢板。2 0 世纪8 0 年代后 期，人们更加重视保护地球环境，汽车废气排放法规、安全法规更加严格，提高燃油 效率日显重要，用户对汽车综合性能要求更高。减轻车重、降低能耗的发展需求导致 了高强度钢板在汽车工业中的广泛应用，并取得了显著效果。近年来，汽车界受到环 境保护和交通安全的要求影响，汽车用钢材正在发生变化】。目前汽车工业发达国家 使用高强度钢板的数量，已经达到了钢板总重的3 0 ，使用的高强度钢板已形成不同 强度级别的品种系列。 2 硕士学位论文 冷轧双相钢工艺参数及组织性能的研究 我国的第一辆汽车的诞生是在1 9 3 1 年，由当时位于辽宁的民生制造厂历时两年多 生产的。而新中国的汽车工业发展至今，已走过近5 0 年历程。虽然我国的汽车工业与 发达国家相比还十分落后，但是据统计2 0 0 0 年我国全年累计生产汽车2 0 7 万辆【1 2 j 。随着 我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，汽车工业获得了广阔的市场空间，特别 是轿车工业，将因轿车进入家庭的时代潮流的涌起而获得迅速发展。据国务院发展研 究中心估计，我国汽车产业将会保持2 0 3 0 年的快速增长，2 0 1 0 年我国汽车保有量将 达至1 5 6 6 9 万辆，2 0 2 0 年将高达1 3 1 0 3 万辆。通用汽车总经理也曾表示过：可以断言，在 未来的2 0 年至2 5 年之内，中国将成为世界最大的汽车市场。根据我国近年来发展速度 测算汽车产量和汽车保有量的增加，1 0 年后我国将年需轿车3 0 0 万辆，亚洲年需轿车 5 0 0 万辆【1 3 】。所以随着我国汽车工业的快速发展和汽车保有量的不断增长，道路、停 车场、交通安全和燃油紧张等问题也日趋突出，因此汽车的减重、节能、小型化、安 全、环保等问题自然备受人们关注，而高强钢汽车板的大量采用对解决上述问题都有 帮助。因此汽车钢板业是近年来低合金钢和微合金钢研究开发最活跃的领域之一。 2 0 世纪后期，钢的微合金化取得了突破性进展，形成一门崭新的科学，是冶金领 域的高新技术之一，借助于经济全球化的推动，微合金化技术正趋向全球化。中国的 微合金化技术发展，不论从何种角度去观察，也是中国经济增长的内在要求，有着深 刻的必然性，这项技术的拥有带来了新的发展机会，但是，中国在微合金钢的开发和 应用上，还落后于世界的发展，如果能及时跟上发展，就可能融入世界冶金技术发展 的主流：如果跟不上形势，将只能被迫在较低的技术层面中寻找自已的位置，并可能 较长时间地担当世界最大钢材进口国的角色，中国的“入世 ，又使这一形势变得更 加严峻。为了适应现代汽车的发展趋势，近几年在世界范围内，汽车用钢板的新品种 花样繁多，层出不穷。用钢板制造汽车车身制件应达到两个目的：一是“变形 ，使 其成为所需要的几何形状及尺寸精度；二是“变性，使其变形后应满足所需要的强 度、刚度及表面形貌等使用要求。 任何新材料的出现，往往与生产上的需要密切相关。双相钢的产生和发展正是汽 车工业的发展和需要采用高强度高成形性板材的直接结果。国内外科技工作者较多地 采用固溶强化、析出强化和组织强化等机理，生产出多种高强度、高塑性钢，通过微 合金化处理( 化学成份控制) 和控轧控冷得到铁素体加马氏体双相组织。 以前高强度钢板在小汽车总用钢量中的总消耗量不超过2 0 ，制约这类钢的使用 可归因于其成型性差、回弹性大、边部开裂、侧边翘曲、可焊性差、着漆性差等缘故。 这类钢板主要用于制作汽车的结构部件，对其要求的性能主要有成型性、可焊性和疲 劳性能。根据汽车工业的特殊需要，以往己研制出了不同类型的热轧钢种：沉淀硬化 钢、贝氏体钢以及相诱导塑性钢( t r i p ) 。沉淀硬化钢最通常是用于车轮之类的结构件， 但是，由于其成型性差，已逐渐被具有良好成型性、抗疲劳性能及高强度的双相钢所 3 1 绪论硕士学位论文 取代。但是对双相钢而言，微合金化所用合金的种类不同，加入合金的量不同，其成 本大不相同，不同的化学成份有着不同的生产工艺，不同的生产工艺又带来不同组织 和性能。这就意味着同样是双相钢，在市场中的竞争力大不相同。我国应尽快研制、 开发与生产双相钢，力争这项新技术与新材料在我国尽快得到实际使用，为国民经济 服务。本文研究的双相钢，在保证高强度、高韧性和良好成型性的前提下，降低双相 钢的生产成本，研究工艺参数与组织性能之间的关系，这些对于提高双相钢的市场竞 争力具有十分重要的意义 1 4 - 1 5 】。 1 2 双相钢研究应用概况 1 2 1 国外双相钢研究应用概况 双相钢第一个专利是1 9 6 8 年在美国提出的，但直至0 1 9 7 5 年，h a y a m i 和f u r u k a w a 对这类钢的显微组织、化学成分、机械性能和成形性作了完整的描述后，双相钢的巨 大潜力才被人们所认识。这为汽车减轻自重、高强度冲压构件的制造和简化冲压工艺， 开辟了一条崭新的途径 16 1 。 目前，达到工业水平的热轧双相钢和冷轧双相钢抗拉强度已分别达n 5 0 0 - - - 8 0 0 m p a 和4 0 0 一- - 1 0 0 0 m p 的水平。双相钢的发展，满足了运输机械的三大要求，即：在维 持较高抗拉强度和疲劳强度的前提下，尽可能减轻结构的重量：具有较高的工艺塑性， 塑性加工硬化指数n 低：提高成本不多，其中加入合金元素简单、数量少、价廉，生产 工艺简单，便于大量生产。从延伸率和抗拉强度两方面来选材，比较汽车工业中常用 的3 类钢材，即一般低碳冷轧钢、低合金高强度钢和双相钢相比较，双相钢具有明显 的优越性( 图1 1 ) ，由图1 1 可看出，双相钢在维持高强度的条件下，其延伸率比冷 轧低碳钢和低合金高强度钢都好。 墙工戚整蛙一 4 盂 z 纛 墨 魁 篙 毋 、 麓 键 霰 # 麓 总琶捧旱，骺 图1 1汽车工业常用的冷轧低碳钢、低合金高强度钢与双相钢的比较 在当前的发展情况来看，北美、日本、西欧处于双相钢研究和生产发展的前沿。 硕士学位论文 冷轧双相钢工艺参数及组织性能的研究 日本已有五家钢铁公司生产双相钢：美国1 9 8 5 年供应汽车工业的双相钢即达1 0 0 万吨 以上，占低合金高强度钢总需求量的3 4 ：西欧各国也在积极开展双相钢的研究和试 制。 北美以美国和加拿大为代表，对双相钢进行了深入研究和大量生产。早期的美国 受到连续退火设备的限制，所以在钢中加入v 、m o 合金元素提高淬透性，经双相区加 热后，空冷到室温形成热处理双相钢。最具代表性的是有含m o 双相钢和含v 双相钢。 热轧双相钢则是以美国c l i m a x 公司开发的c s i m n c r - m o 系中温卷取双相钢a r d p 为 代表。通用汽车公司和福特汽车公司用双相钢制造轮辐，除质量减轻11 ，疲劳寿命 也达到普碳钢的2 倍。同时，麻省理工学院、加利福尼亚大学、匹兹堡大学、科罗拉 多矿业研究院也参与了双相钢的研究工作。另外，美国开发的f e s i c 系的f e r m a r 牌号的双相钢筋在预应力混凝土中使用时，由于其延性好而在混凝土中具有良好的相 容性和能量吸收能力，可提高强度2 0 4 0 。加州大学g 托马斯教授在双相钢棒 材、线材以及后道冷加工工序方面作了大量研究，并用于汽车轮胎钢丝，其强度和韧 性均能满足要求【1 7 以9 】。 日本在双相钢上的研究和应用一直处于世界领先地位。由于日本有先进的连续退 火生产线，多以热处理双相钢生产为主，采用c m n 或c s i m n 系，其成本非常具有优 势。日本的热轧双相钢以低温卷取为主，大大减少了c r 、m o 、v 等合金元素的加入量， 用其制造的车轮成形性好，构件的疲劳寿命也大幅提高。代表有川崎制铁研发的 h h l y ，日本钢管开发的n k h a ，新日铁的s a f h 、e g s a f h ，以及住友金属的s h x d 热轧双相钢【l9 1 。这些公司生产的双相钢中，强度级别低的、薄规格的主要用于制作车 身外部面板、车盖板、车项内板、门外部面板、行李盖板等，以改善冲压成形性和压 痕抗力；强度级别高的钢用于撞击横梁、保险杠加强体、车轮的轮辐和轮盘，以减薄 规格，降低路面噪声和汽车总重量，从而降低油耗【l 丌。 西欧双相钢生产与北美类似，主要以热轧双相钢为主。代表有意大利特柯赛德钢 公司的m n s i c r - m o 系、m n v 系；法国尤西诺钢公司的u s i l i g h t 8 0 等。 汽车用双相钢 的开发与研究进展 意大利特柯赛德公司已用热轧双相钢制成菲亚特1 3 1 汽车车轮，用 热处理双相钢制成a i f a 汽车挡风板和加强体构件，其车轮疲劳试验表明，双相钢的 疲劳寿命是普通钢的1 倍至2 倍。 近年来，镀锌双相钢也得到迅速发展，日本j f e 钢铁公司成功丌发了7 8 0 m p a 和 9 8 0 m p a 高强度级别合金化热镀锌双相钢。m i t t a l 钢铁公司也将镀锌双相钢提到了重要 地位，该公司成功生产了g a ( g a l v a n n e a l e d ) 5 9 0 d p 、7 8 0 d p 、9 8 0 d p 以及 g i ( g a l v a n i z e d ) 6 0 0 d p 、7 8 0 d p 1 9 】。 1 2 2 国内双相钢研究应用概况 5 l 绪论 硕士学位论文 中国在双相钢的研制方面相对国外来说起步较晚，我国的一些科研、教学和生产 单位，从1 9 7 8 年起对双相钢的变形特性、轧制变形模式、强化原理及断裂特性进行了 研究l l6 | ，“七五”期间也将双相钢的开发与应用研究列入了国家科委重点攻关项目。 鞍钢承担并完成了6 4 0 m p a 级直接热轧双相钢的开发与应用研究项目，本钢完成了 5 9 0 m p a 热轧双相钢的研制，武钢完成了5 4 0 m p a 级热轧双相钢的研n t l 9 】。 鞍钢研制的s x 6 5 是当时国内强度级别最高的冲压用钢，力学性能达到2 0 世纪8 0 年代国际先进水平。该钢种在鞍钢半连轧热轧机组生产在鞍钢半连轧热轧机组生产线 上生产，采用了中温卷取。鞍钢还用罩式退火炉试制了5 4 0 m p a 级冷轧双相钢s x 5 5 ， 0 0 2 3 8 0 m p a 、o b 5 4 0 m p a 、a 2 6 。 宝钢在1 9 9 2 年采用2 0 5 0 热连轧机试轧了一炉双相钢，用与北京吉普车车轮的生 产。1 0 多年来，宝钢双相钢开发取得了实质性突破，成功开发了d p 5 0 0 、d p 5 9 0 等。 2 0 0 4 年宝钢又在全国率先开发出6 0 0 m p a 级热镀锌双相钢( 包括纯锌和合金化产品) ， 已为菲亚特轿车供货。但双相钢性能的稳定性还有待进一步提高。 武钢开发的r s 5 0 和r s 5 5 两个4 9 0 m p a 和5 4 0 m p a 级钢种，与日本同类钢相比，强 度、塑性、屈强比基本相当，在第一汽车集团公司c a l 4 1 汽车上使用，用于制作纵梁、 横梁和轮辐，其冲压性能良好。哈尔滨工程机械厂应用r s 5 5 钢生产q y 8 汽车起重机 垂直支腿和吊臂等焊接结构件，使用效果良好。另一种r s 5 0 型双相钢组织是f + b ( 体 积分数为7 1 3 ) ，以b 代替m 。这种钢主要是为了克服f + m 双相钢在制造轮网和 轮辐时，延伸凸缘性差、疲劳强度低等缺点而试制的。另外，该公司还开发了s 0 7 0 m n 冷轧双相钢，用于北京吉普车作冲压件原材料，实验结果比较理想。 上海大学与上钢三厂合作也在中板轧机上开发试制了s i m n 系、s i m n c r 系热轧 双相钢中板l l 引。 1 3 双相钢介绍 双相钢是指低碳钢或低碳合金钢经过临界区热处理或控制轧制工艺而得到的主 要由铁素体( f ) + 少量( 体积分数 2 0 ) 马氏体( m ) 组成的高强度钢，也称马氏体双相 钢，这是2 0 世纪7 0 年代中期发展起来的一种新材料。双相钢的研究与应用，是低碳合 金领域的重大发展之一。双相钢因其具有良好的强塑性匹配及冷变形性能，最早用于 汽车冲压件，后来高强度钢筋、非铅淬火高强度钢丝和非调质高强度螺栓等非冲压件 采用双相钢的生产受到人们的关注 1 7 1 。 1 3 1 双相钢显微组织 双相钢由低碳钢或低碳微合金钢经两相区热处理或控轧控冷而得到，其显微组织 主要为铁素体和马氏体，硬软两相的性能、组成、比例以及在铁素体基体上分布的位 6 硕士学位论文冷轧双相钢工艺参数及组织性能的研究 置，将决定着钢材的各种力学性能【删。图1 2 显示的是双相钢的微观组织结构【2 l 】。研 究表明，已获得的双相钢有无序组织和定向排列纤维组织两大类。无序组织又可分为 弥散分布型( 塑性良好的铁素体上弥散分布着高强度岛状马氏体) 、纤维状双相钢混 合型( 平行针状马氏体与铁素体交错而呈纤维状) 、高密度位错亚晶结构型( 具有高 密度位错的亚晶结构马氏体呈网状或群落状位于铁索体晶界) 3 种情况m 。 铁索体 马氏体 图1 2 双相钢的微观组织结构 1 3 2 双相钢的综合机械性能 1 7 2 2 1 ( 1 ) 双相钢具有高强度、高韧性，即具有很好的强度和韧性配合。另外双相钢具 有较高强屈比( 吼咖2 ) 和很高的加工硬化率，而且无不连续屈服现象。这些使其具 有良好的成形加工性能，避免了成型零件表面，起皱尤其是避免了深度拉伸和深冲压 加工时的局部径缩及断裂现象，特别适用于冷拔、冷轧、冷冲压等冷加工成形。 ( 2 ) 双相钢具有均匀延伸率而且总伸长率大。于同样强度的低合金高强度钢相比， 双相钢的均匀伸长率和总伸长率要高1 3 或1 倍。 ( 3 ) 双相钢板材具有顺板面纵向与横向力学性能差异小的特点，即具有小的各 向异性。 ( 4 ) 双相钢具有良好的抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能，这是由于处于铁素体中的 马氏体作为高硬度的第二相阻止了裂纹的扩展，从而提高了双相钢的冲击韧性。 ( 5 ) 双相钢具有良好的焊接性能。 1 3 3 双相钢的种类及生产工艺 双相钢的种类有多种，按化学成分可将双相钢分为三种：( 1 ) 普通低碳钢，含碳量 一般不超过02 ；( 2 ) 低碳锰钢，总加入微量元素v 、t i 、n b ；( 3 ) 低碳硅锰钢，钢中 加入合金元素c r 和m o ，其中碳含量不超过01 。 目前，生产双相钢的方法主要有直接热轧法和热处理法，所以按双相化工艺来分， 1 1 绪论 硕士学位论文 双相钢可分为热轧双相钢和热处理双相钢【2 3 1 。 ( 1 ) 热轧双相钢的生产工艺 采用合适的化学成分配合控制轧制与控制冷却工艺，可以直接热轧成双相钢钢板 或钢带。目前，主要有中温卷取型和低温卷取型两种工艺流程。 中温卷取型直接热轧双相钢生产工艺原理是适当加入c r 、m o 等元素合金化，控 轧后奥氏体在连续冷却过程中先析出一定数量的铁素体，然后在介于a _ f 和a _ b 转 变之间的“窗口 卷取，最后快冷到室温使残余奥氏体发生马氏体相变以获得f + m 组 织。这种方法需要选用合理的成分和合理的控轧控冷工艺制度。卷取温度在5 0 0 - 6 0 0 左右。为实现这一工艺，轧后连续冷却转变曲线应有较大的a f 相变区，而a _ p 相变推迟到曲线右方，同时在铁素体转变结束和贝氏体转变开始前有一个亚稳无相变 区间，以保证无相变卷取。 低温卷取型热轧双相钢生产工艺：中温卷取热轧双相钢必须加入c r 、m o 合金元 素提高奥氏体稳定性，抑制a _ p 相变，从经济效益考虑，成本比较高。日本的新日 铁、川崎制铁等几家钢厂充分利用热轧或热轧后的冷却过程中使铁素体从奥氏体中析 出，然后在输出辊道上采用快速冷却，将热钢带迅速冷却到m s 温度以下，并进行卷 取，最终获得f + m 。卷取温度一般低于3 0 0 ，以避免贝氏体形成，同时也避免铁素 体的时效和马氏体的自回火。 热轧双相钢省去了附加热处理工艺，简化了生产流程，但是其生产的稳定性以及 马氏体和铁素体比例难以控制，在生产薄规格的产品时，温度波动导致性能波动较大。 同时，由于钢中的合金元素偏多，成本较高，而且合金元素的引入，热轧变形抗力增 大，导致设备负荷较大。 ( 2 ) 热处理双相钢生产工艺 热处理双相钢生产是采用热轧或冷轧带材为原料，初始组织主要为铁素体加珠光 体。目前有两种热处理方法，即a d p ( a u s t e n i t ed u a lp h a s e ) 法和i d p ( i n e r c r i t i c a ld u a l p h a s e ) 法。a d p 法是将钢带加热到完全奥氏体化，再缓慢冷却析出大部分铁素体，然 后采用快速冷却使残余奥氏体转变马氏体形成双相钢。i d p 法是将钢带加热至u a + f 两相 区，然后控制冷却速度使奥氏体相变为马氏体或其他低温转变产物。 目前，热处理双相钢主要采用连续退火生产线生产。将钢带加热到两相区保温一 段时间，确保部分奥氏体形成，随后缓冷，这使得一定数量的奥氏体转变为“新”铁 素体；碳、锰等合金元素充分向奥氏体转移，强烈地增加了未转变奥氏体的稳定性， 从而增加了最终性能的稳定性，通常称为双相结构的“自稳定”。随后的快速冷却一 直持续到马氏体转变的低温区( 大约3 0 0 c 以下) ，在低温区等温过时效足够时间，使 铁素体中固溶原子向相界面转移，纯净的铁素体可以明显降低屈服强度。 而热处理原料的组织状态又与它的轧制工艺有密切关系。例如：p a n d a t 2 4 】等人发 硕士学位论文冷轧双相钢工艺参数及组织性能的研究 现同种钢加热至a c 3 以上再冷至两相区轧制，得到的铁素体多，板条马氏体细， 热至a c 3 以下的两相区直接轧制并淬火，得到的马氏体多，马氏体板条间距减小， 体位错密度提高。 1 4 双相钢强化机理 而加 铁素 双相钢是一种新型钢材。只要是低碳钢( 碳素钢、低合金高强度钢) ，均可通过 适当的轧制工艺，轧后冷却工艺或重新热处理工艺，使钢材获得铁素体加马氏体或贝 氏体的双相组织。这种组织状态的钢具有强度高、屈服点低、连续屈服、加工硬化率 高和延伸率高等特点。这些特点使得双相钢具有良好的冷加工成型性。双相钢的这些 优点是由它的显微组织决定的。一般双相钢是指马氏体加上铁素体基体的组织。马氏 体呈岛状分布在铁素体晶粒之间。双相钢的强度是由马氏体和铁素体的强度，以及马 氏体的体积分数来确定。由间隙和置换元素的固溶强化，铁索体晶粒尺寸和弥散析出 物等因素决定铁素体强度的提高。由马氏体的固溶强化及组织的细化等因素决定马氏 体强度的提高，而马氏体体积份数对双相钢的强韧性亦有很大的影响：当增加1 的 马氏体体积份数时，可使双相钢的强度提高1 0 m p a 2 5 1 。马氏体相变是以铁素体晶粒为 环境的。一方面这种相变的切变和体积膨胀都要引起相邻铁素体发生应变，使邻近铁 素体晶粒的可动位错密度比普通正火钢中铁素体的高；另一方面，由于铁素体强度低 与奥氏体，它对马氏体相变约束小，这要影响到马氏体的精细结构，使马氏体强度低 于相同含碳量时的单相马氏体。铁素体中可动位错密度较高，就可以在较低的外加应 力作用下开始运动而引起连续屈服。铁素体开始变形后，由于马氏体有更高的强度， 它要阻止由相邻铁素体扫来的位错通过，使之在相界面上塞积。随着形变应力的增加， 塞积位错数目增多，低碳马氏体内部的位错将开动而暂时松弛塞积端的应力集中，从 而协调了两相间的变形，推迟颈缩的形成，延迟微裂纹的萌生。这使得材料获得比传 统的铁素体一珠光体组织有更好的延伸率和更高的强度【z 刨。 1 5 研究目的、意义和内容 1 5 1 研究的目的和意义 双相钢主要用于汽车生产，因为双相钢较低合金高强钢( h s l a ) 有更好的延伸率， 此外，它的高加工硬化率，低屈强比和连续屈服等力学性能都特别适合于汽车零件的 制造。双相钢将对会节约能源，提高生产率，降低汽车生产成本有显著的作用，在汽 车制造方面有广阔的应用前景。 为了进行双相钢组织和性能的研究，在阅读相关文献的基础上，本文的研究拟通 过以下方法解决存在的问题： 9 1 绪论 硕士学位论文 ( 1 ) 通过微合金元素n b 、c r 和m o 的添加，设计不同成分的实验钢，研究出合金元 素对双相钢组织性能的影响，为以后减少合金元素的添加，降低生产成本建立基础。 ( 2 ) 对实验冷轧双相钢的各工艺参数、组织及性能之间的关系进行系统性的分析 和总结，寻找到之间的规律。 ( 3 ) 通过综合考虑，调整工艺参数、减少整体生产成本、并且保证实验冷轧双相 钢达使用性能要求。 1 5 2 主要研究内容 本文的主要研究工作是在借鉴前人的研究成果的前提下，结合我国某钢厂的实际 生产情况，以实验室冶炼双相钢为研究对象，采用g l e e b l e 3 5 0 0 热模拟试验机、热处理 炉等设备，结合各种方法，对奥氏体热变形行为、热模拟轧制以及双相热处理进行研 究，进而摸索出合理的生产工艺，总结出组织性能的影响规律，为生产应用打下基础。 ( 1 ) 根据双相钢合金设计原则确定实验钢各成分含量，进行实验钢种冶炼。 ( 2 ) 研究双相钢的奥氏体的高温热变形行为以及不同变形条件对变形抗力的影响， 据此，可大致了解热轧生产过程中奥氏体的动态再结晶。 ( 3 ) 对实验钢采用四道次热模拟轧制，研究不同的轧制工艺对各钢种组织的影响， 研究了双相钢高温时的力学性能和软化行为，分析了工艺参数和力学性能的关系。 ( 4 ) 对实验钢制定了不同的热处理工艺，研究了不同的双相热处理工艺对双相钢的 组织形貌，两相体积比和晶粒大小的影响，并且找出不同组织和性能之间的影响规律。 1 0 硕士学位论文冷轧双相钢工艺参数及组织性能的研究 2 实验材料与方案 2 1 实验用钢的合金成分设计 在钢的发展历史上，人们长期追求的目标是提高钢的强度、塑性和韧性，以满足 使用需求。材料的成分是组织的主要决定因素之一，成分主要通过组织间接影响力学 性能。在金属材料开发中，合金成分设计是一个新材料品种开发的第一步，合金设 计是根据合金化理论，合理选择合金成分和工艺，从而得到预想的组织和性能的一种 科学方法。 合金设计所讨论的主要内容是合金的组织、性能与工艺、成分之间的关系。从使 用的角度出发，选用适当的组织是为了达到所要求的性能【2 8 之9 1 。 2 1 1 合金成分设计的基本原则【2 7 - 2 8 1 合金设计最根本的原则是满足使用需要，而这种需要不是单项强度性能，而是包 括强度、韧性等主要性能和相关性能。对于双相钢而言，合金设计中必须遵循以下的 基本原则： ( 1 ) 通过相变来获得铁素体马氏体的双相组织，严格控制组织的相对量。 ( 2 ) 马氏体中的碳含量不能高于0 3 ，以获得强韧性较好的位错马氏体。 ( 3 ) 尽量改善加工工艺性能，生产工艺力求简单合理，以利于降低成本。 ( 4 ) 充分发挥各组成相的优点。 ( 5 ) 合理使用资源，充分利用富有金属，有效地发挥残存元素的作用，尽量节约 稀有贵重元素。 2 1 2 合金元素的作用陟3 1 】 双相钢中合金元素的加入是为了获得铁素体一马氏体组织和提高其综合性能创造 好基础条件。一般双相钢中合金元素的含量不高，合金元素的种类也不多，所使用的 主要合金元素包括硅、锰、铝、磷以及铬、钼、钒、铌、稀土等元素。各合金元素对 双相钢性能的影响，主要表现在临界区热处理时它们对奥氏体淬透性、马氏体形态及 分布和铁素体的形态及性能的影响。主要合金元素对相变规律的影响如图2 1 所示。 2 实验材料与方案 硕士学位论文 p 憾 鹳 时间，t 图2 1主要合金元素对相变规律的影响 ( 1 ) 碳的影响 主要是形成所需数量的马氏体和保证钢的强度3 2 1 。碳是重要的淬透性成分并控制 了马氏体相的硬度和形貌。 热轧双相钢一般都含有较低的碳( 0 1 ) 和较高的合金元素，其目的是使钢具有 必要的淬透性，同时也可以减少轧制工艺、冷却速度以及盘卷工艺的变化引起的性能 波动。 ( 2 ) 锰的影响 m n 推迟珠光体转变，可提高淬透性，起到固溶强化和细化铁素体晶粒的作用。 m n 降低a 3 、a 1 临界点，在推迟珠光体转变的同时，也推迟铁素体转变。 ( 3 ) 硅的影响 s i 能促进先共析铁素体析出，对珠光体形成的影响不大，价廉，且s i 提高a 3 、a 1 临界点并有强烈的固溶强化作用。 ( 4 ) 铬的影响 c r 能强烈推迟珠光体和铁素体转变，可增加钢的淬透性。c r 虽是弱固溶强化元素， 但能增大奥氏体的过冷能力，从而细化组织、得到强化效果。 ( 5 ) 钼的影响 钼是碳化物形成元素，钼显著地推迟珠光体转变，而对先析铁索体析出的推迟作 用较小。o 5 的钼可使珠光体转变时问从1 0 秒推迟至l j l 0 0 0 0 秒以上。钼对b 。点的降低 作用大于铬，而对m 。的降低作用大于铬，小于锰故对奥氏体亚稳定区的作用也大 于铬。所以，在锰和硅的基础上加入适量的钼有助于先析铁素体的析出和增大奥氏体 亚稳定区的范围对实现热轧双相钢的工艺条件是有利的。 1 2 硕士学位论文冷轧双相钢t 艺参数及组织性能的研究 ( 6 ) 铌和钛的影响 n b 和t i 的添加抑制了奥氏体的再结晶，大量存在的晶界、位错、变形带提高了铁 素体的形核率和长大速率，加速了铁素体相变，可以达到细化晶粒和简化工艺的目的 的影响。 2 1 3 实验材料成分确定 双相钢在化学成分上的主要特点是低碳低合金。主要合金元素以s i 、m n 为主， 另外根据生产工艺及使用要求不同，有的还加入适量的c r 、m o 、v 元素，组成了以 s i m n 系、m n m o 系、m n s i c r - m o 系、s i m n c r - v 系为主的双相钢系列。所以根据 热轧双相钢的合金设计原则和组织控制的要求以及合金元素在双相钢中所起的左 右，设计了以下四种实验钢合金成分，具体成分见表2 1 。 表2 1 实验钢的化学成分 化学成分钢号 ( ) 1 4 号钢5 8 号钢6 “号钢7 “号钢8 4 号钢 co 1 00 0 9o 1 10 0 8 9o 1 0 m n1 8