（材料加工工程专业论文）st15深冲钢再结晶规律研究与应用.pdf

东北大学硕士论文 s t1 5 深冲钢板的再结晶规律研究与应用 摘要 本文以s t l 5 深冲钢为研究对象，主要目的是通过s t l 5 深冲钢实验室再结晶 退火的实验，研究s t l 5 深冲钢再结晶规律，不同退火温度和保温时间对钢的最 终组织和深冲性能的影响，并在此基础上进行s t1 5 深冲钢的工业生产试验，确 定本钢s t l 5 深冲钢的退火工艺制度。初步达到预期目标。论文主要内容包括： 1 以本钢s t l 5 深冲钢为研究对象，研究了不同加热温度、保温时间等因素对 再结晶的影响及对s t l 5 深冲钢退火显微组织和性能的影响。初步确定了本 钢s t l 5 深冲钢加热温度7 0 0 7 2 0 ，保温8 小时以上的退火工艺制度。得 出了当保温温度是7 0 0 时，延长保温时间不会使钢中 1 】l 晶粒和接近于 1 1 1 ) 取向的晶粒明显增加， 1 0 0 ) 晶粒及其他不利取向的晶粒也不会显著减 少的结论。 2 以本钢s t l 5 深冲钢为研究对象进行了工业生产实验。对按实验室实验结论确 定的工艺参数进行适当调整后，制订了本钢s t l 5 深冲钢退火工艺制度：即加 热温度7 l o ，保温l l 小时。工业生产获得了r 平均值达到了2 1 9 2 ；n 值平 均值达到了o 2 4 1 的s t l 5 深冲钢，获得了较理想的深冲效果。 关键词：s t l 5 深冲钢，再结晶，深冲性能，力学性能，r 值，n 值 墨些查兰堡主堕查一三童! l s t u d y a n d a p p l i c a t i o n o f s t l5 d e e pd r a w i n g s t e e lr e c r y s t a l l i z a t i o nr u l e a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , w es t u d i e dt h er e c r y s t a l l i z a t i o nr u l eo fs t l5d e e pd r a w i n gs t e e l t h r o u g he x p e r i m e n ti nl a b o r a t o r y , a n di t s i n f l u e n c et ot h ef i n a lm i c r o s t r u c t u r ea n d d e e pd r a w i n gp r o p e r t i e so fs t l 5a td i f f e r e n ta n n e a l i n gt e m p e r a t u r ea n dd i f f e r e n t p r e s e r v a t i o nt i m e m e a n w h i l e ，o nt h eb a s eo f t h o s ep a r a m e t e r sw ep e r f o r m e dt h e i n d u s t r i a le x p e r i m e n ta n dd e f i n e dt h ep r o d u c i n gp r o c e s so fb xs t e e ls t l5d e e p d r a w i n gs t e e l ，a n dr e a c h e dt h ep r e d i c t i n gd e s t i n a t i o n t h e m a i nc o n t e n t sa r ef l s f o l l o w s ： 1 w es t u d i e dt h er e c r y s t a l l i z a t i o nr u l eo fs t l5d e e pd r a w i n gs t e e l t h r o u g h e x p e r i m e n ti nl a b o r a t o r y , a n di t si n f l u e n c et ot h ea n n e a l i n gm i c r o s t r u c t u r e a n dd e e pd r a w i n g p r o p e r t i e so f s t l5a td i f f e r e n ta n n e a l i n gt e m p e r a t u r ea n d p r e s e r v a t i o nt i m e ，a n dd e f i n e dt h es t l5d e e pd r a w i n gs t e e la n n e a l i n gp r o c e s s a ta n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ( 7 0 0 7 2 0 c ) a n d p r e s e r v a t i o nt i m ea b o v e8h o u r s a n dr e a c h e dt h ec o n c l u s i o nt h a t e x t e n d i n gt h ep r e s e r v a t i o nt i m en e i t h e r i n c r e a s et h em o u n t o f 1 11 ) g r a i na n d a p p r o x i m a t i v e 1 11 ) g r a i n o b v i o u s l y n o rd e c r e a s et h em o u n t o f 1 0 0 ) g r a i n o ro t h e rg r a i no b v i o u s l ya ta n n e a l i n g t e m p e r a t u r e7 0 0 2 w ec a r d e do u ta ne x p e r i m e n to fs t l 5d e e pd r a w i n gs t e e li nt h ei n d u s t r i a l p r o d u c t i o n l i n ea n d a d j u s t e d c o r r e c t l y t h e p r o c e s sp a r a m e t e r s f i o m e x p e r i m e n tr e s u l t si nt h el a b o r a t o r y a n dd e f i n e dt h es t l5d e e pd r a w i n g s t e e la n n e a l i n gp r o c e s sa ta n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ( 7 1 0 c ) a n dp r e s e r v a t i o n t i m ea b o v e11h o u r s i nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，t h es t e e l sr - v a l u ei so v e r 2 19 2 ，n - v a l u ei so v e r0 2 4 1w i t h g o o dd e e pd r a w i n g r e s u l t s k e yw o r d s ：s t l 5d e e pd r a w i n gs t e e l ，r e c r y s t a l l i z a t i o n ，d e e p d r a w i n gp r o p e r t i e s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s rv a l u e ，av a l u e 东北大学硕士论文 声明 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。 论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作过的同 志对本研究所做的任何贡献均以在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 本人签名： 日期： 东北大学硕士学位论支 第一章绪论 第一章绪论 1 1 深冲板的理论综述 1 1 1 深冲板的发展历史 钢铁生产中的高质量薄板产品，一直伴随着汽车工业的发展而发展。为了适 应汽车工业对薄板品种和质量的要求，冶金工业通过不断改进和完善生产技术， 逐步形成了具有不同功能的汽车薄板系列化产品。随着汽车部件整体化的提出， 对钢扳的成形性能的要求随之提高，通常钢板强度的提高会带来成形性能的下降， 因此汽车工业要寻求的是既有高的强度又有好的成形性的钢板，而满足这要求 的就是深冲钢板。 1 1 。1 。1 冷轧深冲板 冷轧汽车薄板的发展历史是围绕着深冲性能的提高而展开的。汽车是典型的 冲压件组合体，深冲性是汽车制造业的首要需求。纵观冷轧汽车薄板的发展历史， 可将其分为三代产品。 以普通沸腾钢为代表的第一代产品具有较弱的( 1 1 1 ) 织构和几乎与之相当的 其它织构，r 值不高，仅为1 o 1 2 。它比各向同性，无择优取向的正火钢的深 冲性好，但是沸腾钢中含有较多的氧和固溶氮，具有明显的应变时效性。 铝镇静钢( a k 钢) 是第二代产品的代表。通过往钢中加a l 脱氧并控制a 【n 的固溶和析出，获得较强的( 1 1 1 ) 织构，其深冲性良好，r 值为1 4 1 8 。同时， 由于n 被固定成a 1 n ，在罩式退火或连续退火加上过时效处理中，绝大部分c 析出 成为f e ：，c ，所以经平整后性能稳定。现在，由铝镇静钢衍生而发展的各系列深冲 板广泛使用于汽车工业中。 超低碳、超深冲的无间隙原子( i f ) 钢的发现并成功地走向实用，标志着第三 代冷轧深冲钢板的出现。它具有极为强烈的 1 11 ) 织构和纯净的钢质以及较为粗 大的铁素体晶粒，从而获得超深冲性，r 值可达1 6 2 8 。目前坦= 界各国都在竞 相研制和丌发由i f 钢所繁衍的超低碳系列汽车板，预计不远的将来，超低碳系列 的第三代产品将逐步取代第二代产品，使冷轧汽车薄板达到一个新水平。三代玲 轧汽车薄板的性能比较见表1 1 。 查些查芏塑主堂堡垒查 一蔓二主j 生! 竺一 表1 1 三代冷轧汽车薄板的性能比较 t a b l e l 1t h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no f t h r e eg e n e r a t i o n so f d e e pd r a w i n g s h e e t 钢种 o s ( m p a ) 盯b ( m p a ) 万( ) 。n 1 1 1 2 热轧深冲板 作为深冲用钢板，一直使用成形性良好的冷轧钢板作汽车内外壁板和行走部 件。但近些年来，为了降低生产成本、提高生产率，一些钢铁公司自8 0 年代就开 始用热轧板代替冷轧钢板的研究，并取得了可喜的成果。 在研究汽车用深冲性优良的热轧钢板方面，日本、法国、加拿大等主要汽车 板生产国相继作了大量研究工作，提出了许多生产汽车用深冲热轧板的方法。研 制并生产了一些深 中加工性能可与冷轧钢板媲美的热轧钢板，有的已投入了实际 应用，取得了明显的经济效果。我国自9 0 年代也开始研究深冲用热轧钢板，并在 试验室和大生产中生产出一些样品。 目前提高热轧深神用钢板性能主要沿两个途径：一是设法提高热轧板的有利 织构f l 儿) ，这类板称为热轧深冲板；一是设法提高热轧板的延展性以满足成形性 的要求，这类板称为热轧拉延板。众多研究表明：i f 钢在铁素体热轧时，可获得 对深冲性能有利的 u l 织构，从而实现以i f 钢生产高r 值的热轧深冲板的可能。 近些年。热轧i f 钢的研究在国际上十分活跃，由于热轧i f 钢通过不同的轧制温 度和卷取温度生产出的产品可以满足对深冲性能的不同要求，还可以通过调整成 分满足用户对强度的不同要求，因此热轧i f 钢在深冲性能和强度方面可以实现系 列化。并可以取代大厚度的冷轧深冲板和一些强度较低的热轧板。同时热轧i l ? 钢 由于c 、n 等杂质含量低( c + n 3 4 0 m p a ) 、超深冲镀锌板以及宽幅 ( 1 8 5 0 m m ) 热镀锌钢板也不能生产，无锌花、小锌花热镀锌板还处于研制阶段。 上述国内无法生产的品种只能依靠进口。 为了减轻车重和提高安全性，近年来；汽车用钢板向高强度化发展成为一种 趋势，其中有加磷钢板、低合金钢板、双相钢、b h 钢和t r i p 钢板等。其典型的 化学成分和机械性能可参见表1 2 和1 _ 3 。 。 表1 2 冷轧高强度钢的典型成分w t ) t a b l e l - 21 3 1 a i e a lc o m p o s i t i o no f c o l d r o l i n gm g hs t r e n g t hs t e e l o v t ) 钢类cs im npa i n 其它 微合金钢 含磷钢 烘烤硬化钢 o 0 5o 0 20 3 o 0 1o 0 50 ，0 0 5 o 0 4 n b o 0 50 0 20 5 0 0 70 0 5 o 0 0 5 0 0 0 50 0 20 2 o 0 3 5o 0 40 0 0 4 一 高强无间隙原子钢0 0 0 30 , 010 3 50 0 5 0 0 30 0 0 3o 0 4 n i 00 l b 双相钢 o 1 o 20 70 0 5 o 0 4o 0 0 5 一 相变诱导塑性钢0 1 51 21 5o 0 1 0 0 50 0 0 5 一 超低碳钢0 0 0 2o 0 101 2 0 0 0 30 0 30 0 0 2 0 0 3i l _ _ 一 t a b l e l - 3 t y p i e a l m e c h a n i c s c a p a b i f i t yo f c o l dr o l i n gh i g hs t r e n g t h s t e e l 微合盒钢 320*4002 8 1 3o - 1 7 一 含磷钢 280*4203 2 i 6o 1 9 一 烘烤硬化钢 2 1 0 +3 2 0 4 0 高强无问隙原子钢 双相钢 相变诱导塑性钢 超低碳钢 2 2 0 ” 3 5 0 * + 4 0 0 2 0 0 + 3 9 0 6 0 0 6 4 0 3 0 0 3 7 2 7 3 2 4 6 1 60 ，2 24 8 1 90 2 l o 940 2 oo 2 44 0 备注：罩式炉退火+ + 连续退火 后两种钢板我国正在开发中。高强度系列汽车板巾，目前国内只能生产 3 7 0 m p a 级含磷钢板，4 9 0 m p a 级高强钢板尚处于研制阶段。为进一步满足国内汽 车板的需求，宝钢、武钢都计划在“九五”期间开发完善并形成系列，同时试制 以超低碳钢为基础的高强度深冲钢板。 ， 综上所述，在汽车用钢板生产方面，我国现有水平与国外先进水平相比差距 很大，具体总结如下”： 1 钢板产量无法满足汽车工业的需求。目前汽车生产所用的钢板仍主要依赖 进口。1 9 9 3 年全国生产冷轧薄钢板3 8 2 万吨，供汽车工业用冷轧薄钢板仅为4 2 4 万吨。其中：宝钢冷轧薄钢板产量为2 1 0 万吨，供汽车工业用量为19 2 万吨；武 钢产量为1 0 4 2 万吨，供汽车工业用量为9 4 万吨，鞍钢产量为6 7 8 万吨，供汽车 工业用量为1 3 8 万吨。1 9 9 3 年进口冷轧钢板为2 7 8 万吨。1 9 9 6 年国内共生产汽车 用冷轧钢板6 3 0 万吨。总之，国产冷轧薄钢板数量远远满足不了汽车工业需要。 2 钢板品种和规格达不到引进轿车的要求。能够自行生产的汽车用钢板品种 只能达到需求的1 3 ，特别是从国外引进轿车生产线的多样化，使得这矛盾更为 突出。以下五点是轿车用钢板实现国产化需解决的难点。 ( 1 ) 宽度在l8 0 0 m m 左右的宽面板和表面质量要求特别高的“0 5 ”级表面的 冷轧板不能批量生产； ( 2 ) 以减轻汽车自重的高强度冷轧钢板系列级别较少： ( 3 ) 稳定大批量生产超低碳深冲l f 钢板。以便冲压出形状特别复杂的零件； 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 4 ) 生产烘烤硬化钢板，以提高汽车零件的抗凹陷性能： ( 5 ) 各类镀层钢板不得不大量进口： 3 钢板质量稳定性差，主要表现在力学性能和成型性能的不均匀性和波动较 大，以及表面质量差。 1 1 1 5 本钢深冲板的生产现状 本钢自冷轧厂投产以来，从生产普通冷轧板向生产冷轧深冲板方向发展，随 着冷轧厂生产的逐渐完善，生产的冷轧深冲板品种正在不断增加，现已开发和生 产的品种有：一般商品级s t l 2 ( s p c c ) 、冲压级s t l 3 ( s p c d ) 、深冲级s t l 4 ( s p c e ) 汽车用冷轧低碳深冲钢板和钢带，这些钢板均具有良好的延展性，并且随冲压级 别的提商而提高，适用于从简单成型，弯曲或焊接加工直至深冲压成形及复杂加 工的汽车零部件的制作，这三个冲压级别的低碳冷轧板是汽车行业用量最大的钢 板品种，主要用于制作轿车、客车的外覆盖件及内部件，如沈阳金杯客车制造有 限公司生产的轻型客车用本钢生产的冷轧深冲板来制车架横梁，本钢生产的冷连 轧低碳深冲钢板( 带) 成份控制严格，硫、磷等有害元素含量低、钢质纯净、加 工性能优良，尺寸精度高，其实物质量已基本达到国内同类产品水平。本钢在此 基础上又开发生产了热镀锌深冲板。热镀锌深冲板主要用于车门、翼子板、底板； 等大面积冲件。由于汽车外覆盖件除要求良好的耐腐蚀性之外，还要求良好的涂 漆性，所以汽车厂需要小锌花、无锌花或锌铁合金化的热镀锌板，本钢目前只生 产了建筑用普通锌花热镀锌板，其它品种的热镀锌板有待开发。 1 1 2 钢板的深冲性能 所谓钢板的深冲性能”“，是指在冲制成型时，钢板耐冲压的程度，亦即成型性 能的好坏。通常用冲废率大小来表示，这是用户在实际冲压时所能取得的指标。 但不能以此作为生产汽车板交货的条件，必须用反映钢板冲压性能好坏的些指 标来综合反映钢板的冲压性能。其中尤以尹、h - 、ar 值最能反映钢板冲压性能的 好坏。 深冲钢板的各项性能要求受多种因素驱使而有不断提高的趋势，鉴于此，填 有优良成形性的极低碳钢( e l c ：( ) 0 1 c ) ，超低碳钢( u i n f ) 0 0 5 ( 1 ) ，以 及无间隙原子钢( 叭1n0 0 5 c 且问隙原子完全稳定) 等深冲用钢，对板材的深冲 性能提出了更高的要求。 查些查芏翌主堂竺丝圭 1 1 2 1 塑性应变比f 值 第一章绪论 材料的f 值的大小反应了材料的垂直各向异性， 即在厚度方向变形的难易程度。f 值大，厚度方向不 易变形，其压延性能( 即拉一压变形) 也越好；因为 在压延变形中，材料的失效形式是具有宽板拉伸情况 的凸缘部分的强度，由于宽板拉伸是一个特殊的变形 几何部分，是不能转移和传递应力的，因此玎值对其 没有意义，在这个时候，只能考虑危险面的强度，由 于f 值不为1 ，因此m i s e s 准则将改为： 仃? - 2 r 1 0 + r p i 吼+ 蠢= 呱2 图1 - 1r 值的方向性 f i g 1 1o r i e n t a t i o no f rv a l u e 可以发现：当尹值越大，对于一定屈服强度的材料其等效应力的极值越大，即 材料的成形极限越大，成形性能越好。因此f 值可以认为是压延成形的关键指标。 材料的这一性质用式( 卜1 ) 所示塑性应变比r 值来定量表示； r = s q 或r = 。| n 其中占表示垂直于板面法线的某一方向上的正应变，i 为其取向；占。表示板 面法线方向的正应变。塑性应变比f 值也被称为厚向异性系数( n o r m a l a njs o t r o p y ) 。由于通常在板平面内的不同方向上具有不同的性能，如图卜1 所示， 为此约定将按式( 卜2 ) 所得f 值称为标称塑性应变比，或平均塑性应变比。 尹= ( r 矿+ 2r 幅- + r g o ) 4( i - 2 ) 其中f o 、r 4 s 和- 分别为板材在与轧制方向成0 。、4 , 5 。和9 0 。方向的 塑性应变比。f 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的抵抗塑性流动的能力，因此深冲性能越好。 1 1 2 2 应变硬化指数万值 材料的”值表明材料加工硬化能力，对胀形成形具有重要意义。因为当材料满 足盯= s ”的关系时( - - 般材料都满足此关系) ，在胀形( 即拉一拉变形) 的情况 下材料的失效形式是危险点的颈缩。，对于万值大的材料，其危险点( 即应变大 的区域) 由于应变强化，能够产生更大的变形抗力，使得变形区域容易向附近转 查苎垄堂堡圭堂竺垒查 ： 一羔二主二堕堕一 移，从而延缓了颈缩的出现，促使整个板面的应变均匀，提高材料的成形性，因 此可认为材料的西值是衡量胀形的关键指标，也是衡量材料成形性能的重要指标之 一。 应变硬化指数n 是金属薄板在塑性变形过程中，形变强化能力的一种量度， 它的值是在双对数坐标平面上，试验材料真实应力一真实应变关系曲线的斜率。用 ( 卜g ) 式计算其平均值。 a m = f 眦+ 2n 4 , - 附r ) 4 ( 1 3 ) 其中i l ，、n 。和r l w 分别为板材在与轧制方向成0 。、4 5 。和9 0 。方向的 应变硬化指数。 1 1 2 3 平面各向异性系数r 值 平面各向异性系数r 值表示厚向异性系数r 值在板面上随方向的变化，r 值通过式( 1 4 ) 计算。 a r = ( ( r o + ) 一2 丘s ) 2 ( 1 4 ) r 值的大小决定了杯型拉深件杯口部位凸耳的形成程度，而不影响板料的成 形性能“。r 值愈大，扳面内各向异性愈严重，表现在拉深件边沿不齐，形成 凸耳，影响成形件质量和成品率。 j i 1 1 3 深冲板的质量要求 随着汽车制造技术的发展，包括计算机综合制造技术的应用以及汽车品种的 升级换代，汽车对深冲板的品质要求不断提高，以便在汽车制造中可减少废品， 利于操作和提高效率，并可在使用过程中达到美观、安全、耐用和高效能。为满 足现代汽车制造和使用要求，深冲板必须具备的基本品质是： 】良好的板面平直度和板形。严格的尺寸精度和性能均匀性； 2 优良的成形性能，即：高的塑性应变比r ，高的伸长率，低的屈服强度盯， 低的时效指数； j 良好的焊接性能； 4 部分零件用钢板应具有吸声减震效果； 5 优良的表面形貌和光洁度： 6 高的耐腐蚀性能； 7 良好的抗凹能力和足够的抗变形强度。 r 查些查兰堡主兰苎篓墨 1 1 4 影响深冲性能的因素 第一章绪论 1 1 4 1 微观组织对板材冲压性能的影响 材料内部的微观组织决定了材料的冲压性能的高低，下面从金属的晶粒尺寸、 晶粒的形状和织构三方面来讨论对材料冲压性能的影响。 金属的晶粒大小，即晶粒度，对板材的冲压性能有相当重要的影响。当晶粒 增大时盯。降低，盯。巩之值也随着减小，所以晶粒尺寸增大时，可使板材的冲压 性能提高；但晶粒粗大会引起冲压制品的表面出现桔皮状。此外，晶粒粗大，则 杂质偏析会加大，使金属的变脆的倾向性加大，一般认为板材的晶粒尺寸在6 8 级为宜。 晶粒形状对金属冲压性能有明显影响。大量实验证明，具有饼形晶粒的板材， 其冲压性能比具有等轴晶粒的好得多。 有人研究证明，只有f 1 1 1 1 晶面平行板面的再结晶晶粒才具有高的塑性变形比 ( f ) 值，即良好的冲压性能。这种再结晶织构多以饼形晶粒出现，可见板材冲压 性能的好坏与织构有密切关系。实验证明1 ：与板面平行的 1 1 1 晶面越多尹值就 越大一冲压性能就越好；而与板面平行的 1 0 0 晶面越多，。f 值就越小，冲压性能 就越坏。可见。在 方向不易产生变形，而在 方向易产生塑性变形，又 因为 方向与 1 1 1 晶面垂直，则当 1 1 1 晶面与板面平行时，在厚度方向上就 不易变形，也就是f 值大。同样，因 方向垂直于f 1 0 0 晶面，若 1 0 0 j 晶面与 板面平行，则在厚度方向上就易产生变形，尹值就小。因此为提高板材的深冲性能， 应设法增加平行于板面的 1 1 1 织构，减少平行于板面的 1 0 0 ) 织构。 1 1 。4 2 化学成分对深冲性能的影响 深冲板从冶炼到成品的生产过程，实质是一个保证成品的钢板具有高的r 值和 n 值的过程a 因此冶炼应尽可能的减少增加强度的元素，控制好对成品的，值和n 值有利的元素a 1 ：热轧和冷轧主要是控制好第二相的析出和固溶的速度和时间， 以便得到高的，值和n 值的组织和织构形态。 为改善钢板综合性能，特别是成形性能，在冶炼过程中化学成分的控制尤为 重要： 碳( c ) 含量及其在钢中的存在形式决定着钢的强度和其它性能，碳使强度增 加，塑性下降，因为存在较硬而脆的渗碳体阻碍铁素体基体变形：对成形用钒h ：j5 而言，需要的足低的屈服强度、高的伸长率；以往的研究表明，随着钢中围溶碳 9 东北大学硕士学位论文第一章绪论 含量增加，使得平行于钢板法向的 1 1 1 织构密度下降，值下降；特别是当c ( 0 0 1 时，材料的r 值、万能够急剧上升【1 5 】。 硅( s i ) 与氧( d ) 的亲合力较强，是炼钢过程中的还原剂和脱氧剂，以固溶形 式存在于钢中，可以提高钢的强度和硬度，且与许多元素亲和力强：m n 在钢中主 要以固溶态存在；研究表明 1 6 1 ，在深冲板，随着m n 、所的增加，材料的强度 增大，塑性下降，r 下降，尤其是危害性更大，应尽量降低含量。 硫( s ) 为钢中有害元素，对加工变形复杂的深冲用钢尤为严重，硫化物夹杂( 主 要是m n s ) 在轧制过程中沿轧制方向成条状分布，从而使钢板的横向冷弯性能变坏， 产生各向异性，因此其含量应尽可能低。另外，s 还会引起钢板的热脆性。 磷( p ) 对深冲性能的影响规律是：随着p 含量的增加，d 。、巩增加，r 、聍和 d 降低【2 6 】。但根据r y o d a 等人的研究表明【1 7 】，在脱c 、的薄板中加入 0 0 5 一o 0 8 的p ，反而能够提高，值，其原因是p 的加入引起热轧板晶粒尺寸、 二相粒子分布及固溶c 含量的变化所致。 铝( a i ) 一般是作为脱氧剂加入的，作用是去除钢液中的氧：另外，它还可以 以第二相的形态来控制成品钢板的组织和间隙原子的位置来改善钢板冲压性能， 减少时效，防止在冲压过程中产生滑移线，它的含量少起不到作用；含量多使成 品钢板的晶粒变细，强度增高；冶炼时应按加入量进行适当控制。 1 2 再结晶退火概述 1 2 1 再结晶现象 冷变形后的金属加热到一定温度后， 的新晶粒，而性能也发生了明显的变化， 再结晶。 在原来的变形组织中重新产生了无畸变 并恢复到完全软化状态，这过程称作 再结晶是一种形核和长大过程1 ，即通过新的可移动的大角度晶界的形成段 随后的移动，从而形成无应变的新晶粒组织的过程。经过再结晶，冷变形所导致 的各种性能改变都消失掉，金属材料的性能恢复到变形前的水平。 在工业生产中，再结晶退火工艺就是利用再结晶现象来消除因冷加工变形引 起的会属材料组织与性能的影响。 查苎垄兰堕主兰堡垒查堑二主竺垄一 1 2 2 再结晶形核与长大 1 2 2 1 再结晶的形核机制 再结晶形核是一个复杂的问题，存在着很多不同的看法。大量的实验表明： 再结晶晶核总是在塑性变形引起的最大畸变处形成，并且回复阶段发生的多边形 化是为再结晶形核所作的必要准备。根据对不同冷变形程度的不同金属材料发生 的再结晶时的实验观察，提出两种再结晶形核机制。 1 亚晶长大形核机制： 亚晶长大形核一般在大的变形度下发生。 1 ) 亚晶合并形核，即相邻亚晶粒的某些边界上的位错通过攀移和滑移， 转移到周围的晶界或亚晶界上，导致原来的亚晶界的消失，然后通过 原子扩散和位置的调整。终于使两个或多个亚晶粒的取向变为一致， 合并为个大的亚晶粒，成为再结晶的晶核。 2 ) 亚晶界移动形核，它是依靠某些局部位错密度很高的亚晶界的移动， 吞并相邻的变形基体和亚晶而成长为再结晶晶核。 无论是亚晶合并形核，还是亚晶界移动形核，它们都是依靠消耗周围的高能 量区才能长大成为再结晶晶核的，因此随着变形度的增大，就会产生更多高能量 区，从而有利于再结晶晶核的形成。 2 晶界凸出形核机制： 晶界凸出形核又称为晶界弓出形核。当金属材料的变形度较小( 约小于4 0 ) 时，荐结晶晶核常以这种方式形成。由于变形度小，所以金属的变形很不均匀， 有的晶粒变形度大，位错密度也大，有的晶粒变形度小，位错密度也小，再结晶 退火时，晶界中的某一段就会向亚晶粒细小、位错密度高的一侧弓出，被这段晶 界扫过的区域，位错密度下降，成为无畸变的晶体，即再结晶晶核。 1 2 2 2 再结晶晶核长大 再结晶晶核形成后，可以自发、稳定地生长。即可以借其周围的大角度品界 移动而生长，晶核生长时总是向畸变区域推进。晶界移动的驱动力是无畸变的新 品粒与周围基体的畸变能差，当旧的畸变晶粒完全消失，全部被新的无畸变的再 结品晶粒所取代时，再结晶过程完成。即各个再结晶晶核长大到互相接触时就 形成完全山大角度晶界所分界的无应变新晶粒组织。 查些查芏堡主堂堡垒圭 墨二主竺堡一 1 2 3 影响再结晶的主要因素 再结晶的主要影响因素有温度、变形程度、原始晶粒尺寸、微量溶质原子和 分散相粒子等“1 。 1 温度： 根据再结晶动力学研究，再结晶的速度( 嘴) 可用下式表示： v 再2a e - q r 盯 ( 1 5 ) 式中a 为比例常数 月为气体常数 q 月再结晶的激活能 r 为再结晶的绝对温度 由公式( 1 5 ) 可以看出加热温度越高，再结晶速度越快，产生一定体积分数 的再结晶所需时间也越短。 2 变形程度： 金属的冷变形程度越大，其储存的能量也越高，再结晶驱动力也越大。因此， 变形程度大不但使再结晶温度低，同时等温退火时的再结晶速度也越快；但当变 形程度大到一定程度后，再结晶温度就基本不变了。增加冷变形会促进金属的再 结晶。 3 原始晶粒尺寸： 在其它条件相同的情况下，金属的晶粒越细，则变形的抗力越大，冷变形后 储存能量越高，再结晶温度则较低。 金属的晶粒越细小，晶界总面积越大。经同样程度的冷变形后，由于位错在 晶界附近塞积而导致晶格强烈弯曲的区域越多，从而能提供更多的形核场所，因 此再结晶的生核率更大，再结晶的速度加快，所形成的新晶粒也越细小。 4 微量溶质原子： 微量溶质原子的存在对金属的再结晶有巨大的影响。微量溶质原子的存在会 阻碍金属的再结晶，提高余属的再结晶温度。 由于溶质原子与位错及晶界间存在着交互作用，使溶质原予倾向于偏聚在位 错及晶界处，对位错的滑移与攀移和晶界的迁移起着阻碍作用，不利于再结品形 核j 长大。 5 分散相粒子： 1 2 东北大学硕士学位论文 分散相粒子的存在既可能促进基体金属的再结晶， 取决于基体上分散相粒子的大小及其分部。 l - 2 4 再结晶晶粒大小的影响因素 第一章绪论 也可能阻碍再结晶，主要 经再结晶后形成的晶粒通常呈等轴状，其大小受许多因素的影响，主要有： 变形程度、退火温度、原始晶粒度及杂质和合金成分等。 1 变形程度： 变形程度对金属再结晶晶粒大小的影响如图1 2 所示： 1 ) 当变形量很小时，不发生再结晶，晶粒度不变。 2 ) 达到“临界变形度”( 2 l ( p o 左右) ，晶粒特别粗大。 3 ) 当变形量大于“临界变形量”，晶粒逐渐细化，变形程度越大，晶粒 越小。 变形觏一 图l - 2 金属的冷变形度对再结晶晶粒大小的影响 f i g l - 2 t h ee f f e c t o f m e t a l v a r i o u s d e g r e e s o f c o l dr o l l i n g o i ls i z e o f c r y s t a lg r a i n 2 退火温厦： 提高退火温度不仅使再结晶后的晶粒长大，而且还影响临界变形程度的具体 变形值。退火温度越高，临界变形度越小，再结晶的晶粒也越大。 3 原始晶粒度： 当变形度一定时，材料的原始晶粒度越细，则再结晶后的晶粒也越细，这是 由于细晶粒金属存在着较多的晶界，而晶界利于形核，所以原始晶粒细的会属再 结晶退火后仍可得到细晶组织。 4 合余元素及杂质： 溶于基体中的合金元素及杂质一方面增加变形余属的储存能，另一方面m 删 1 1 ti较尺寸 、 查些查堂堡主壁垒笙主 一墨二! - _ 壁! ! ：一 晶界的运动。不同元素有不同的作用，有的起细化作用，有的不能或反之。 1 2 5 冷轧带钢的退火 冷轧带钢退火的目的在于降低强烈的冷加工硬化和改善薄板的成型性能。通 常，退火在再结晶温度以上进行，这样可得到软的、有良好冷成型性能的组织。 1 2 5 1 退火过程对退火带钢组织和力学性能的影响 冷轧带钢退火时，材料内部进行着各种不同的反应，这些反应产生了有一定 力学性能特征的特定组织“。对组织产生极其重要作用的过程是冷轧铁素体组织 的再结晶，如果退火温度在开始再结晶温度以下，则开始伴随组织软化的回复。 在用于生产薄板的钢中，碳大多数情况下先以渗碳体的形式存在，渗碳体在 退火过程中溶解，其析出行为强烈依赖于冷却过程。此外，加热和退火过程中， 合金元素的氮化物和碳化物也能析出，并在一定情况下改变其分布。铝镇静钢罩 式退火时，带钢加热过程中的a 1 n 析出( 6 0 0 9 5 0 ) 对退火板组织的形成起着 决定性作用。 在冷轧带钢退火时发生变化的组织参数中，最引人注目的是铁素体晶粒度和 晶粒形状。铝镇静钢薄板的组织特征是拉长的铁素体晶粒，这是在再结晶前就已 在拉长的铁素体晶界上形成的氮化铝晶格中再结晶的结果。 铁素体晶粒的晶体学取向是另一个受退火过程强烈影响的组织参数。铁索体 织构直接决定着度量薄板深冲能力的薄板厚度方向各向异性值r 。当无织构薄板中 r 值计为1 0 时，根据处于 1 1 1 择优织构和 1 0 0 ) 不利织构之间的晶体取向，r 值 可在2 9 o 1 之间波动“。必须确定钢的化学成分和有利取向晶体的形成和长大 条件以使退火后的薄板具有有利的织构。 位错密度这一组织参数是直接与冷变形和再结晶相关联的。对于具有良好冷 成型性能的软钢薄板来说，希望再结晶有尽可能小的位错密度，高的位错密度或 者可通过冷轧时产生位错的部分消除( 回复退火或部分再结晶) 获得，或者可通 过伴随有贝氏体或马氏体转变从退火温度开始的急冷获得“。 作为重要的组织参数应提到第二相。它的弥散和分布从多方面影响着退火薄 板的力学性能。例如在铁素体组织中不同的第二相粒子，根据析出条件，渗碳体 可以以粗大或细小的弥散粒子存在。除了晶界析出外，主要还找到顺序排列的粒 子，这些粒子表明其在热轧带钢中就已产生。在铝镇静钢薄板中，通常形成对罩 式退火钢纵构发展极为重要的六方晶系的氮化铝。象铌或钛等微合会化元素以步 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 方型m x 粒子析出，其弥散度由形成温度决定。间隙固溶原子碳和氮的浓度也间接 取决于碳化物和氮化物的形成，碳和氮的浓度对退火后冷轧带钢的力学性能产生 影响。 在由薄板组织决定的、对成品加工和使用很重要的力学性能中，首先要提到 的是屈服强度、抗拉强度和断裂延伸率“1 。从高的冷成型性能角度来说，屈服强 度应尽可能的低，这样才能得到高的加工硬化指数n 和大的均匀延伸率。n 值并不 适应于用来表示加工硬化行为，因为用微分加工硬化系数d k ，d 巾表示的真实应力 一延伸曲线的斜率在很宽的变形范围内对不同的钢种都是很相似的“。与此相反， 数值上与均匀延伸率相对应的1 1 值表现出与抗拉强度有很密切的关系。随着抗拉 强度的增加，n 值降低，同时成型性能、特别是拉伸应力条件下的成型性能下降。 但对于一定的组织形成和组织状态，也会与这一特征出现偏差。 已经指出了依赖于织构的深冲性能的厚度各向异性的意义。平面各向异性r 也由铁素体织构决定。从金属物理方面可证明，有织构薄板的屈服强度和弹性模 量也是具有方向性的值“。对于上述三种性能，图卜3 给出了在罩式炉中退火铝 镇静钢薄板的计算值和在拉伸实验中得到的实验值与轧制方向所成角度之间的关 系。 差 1 ，f ， 、 、 ， 涮壁值 ”簋值 图卜3 由织构计算出的和由拉伸试验测量出 的罩式退火薄板s t l 4 力学性能的各向异性 f i g l 一3t h ec o m p a t eo fc a l c u l a t ef r o mt e x t u r ea n dm e a s u r ef r o m d r a wt e s to f a n i s o t r o p i s mo fs t l 4m e c h a n i c sp e r f o r m a n c ei n 肌a n n e a l i n gs h e e t 1 5 6 4 2 0 i 1 譬 查苎垄兰堡主兰堡垒查二= 墨二主上蔓垒一 对影响薄板的加工行为和使用的屈服强度来说，时效行为有着重要的作用。 时效倾向性由退火过程中直接溶解的间隙原子浓度和间隙原子的扩散行程决定。 1 2 5 2 罩式退火时的组织形成特性 罩式退火时首先起作用的是缓慢的加热。对于铝镇静钢，存在着前面已经提 到过的使细小的氮化铝粒子的析出与冷轧组织的再结晶相互作用的可能性。将高 温卷取或低温卷取的钢的再结晶变化进行比较【25 1 ，低温卷取的热轧带钢中氮化铝 析出物被过冷，以致钢中固溶的铝和罩式炉加热时出现的舢n 析出对再结晶产生 了强烈的迟滞作用。在冷变形组织中，主要在被强烈拉长的晶粒界上形成的氮化 物所控制着铁索体的再结晶，使得仿佛在a l n 粒子晶格中由相对粗大的铁素体晶 粒产生了伸长的“饼形”组织。由于取向选择，铁素体晶粒表现出f l j l ) 择优取向 的特征。当在罩式炉中高温条件下停留较长时间时，晶粒开始长大，在这一过程 中，有上述择优取向的晶粒优先长大，从而又产生织构强化。此外，随着退火的 强化还可得到非常小的位错密度。在带卷从退火温度开始的缓慢冷却过程中，随 着温度的降低，过饱和固溶体中的碳有了析出的机会，其最终状态是以含量非常 低的间隙固溶碳原子和氮原子为特征的。 。 罩式炉退火的冷轧带钢的典型组织具有如下特征： 。 1 ) 粗大、伸长的铁素体组织 2 ) 有利的织构 3 ) 很小的位错密度 4 ) 氮稳定结合成氮化铝 5 ) 相对粗大的渗碳体析出物 由此得到力学性能是：低的屈服强度和抗拉强度，非常好的冷成型性能和平 整前显著的、通过平整消失的屈服平台。如果热轧带钢高温卷取，那么，虽然择 优取向及其对厚向异性的有利作用明显下降，但由于在热轧带钢中形成了较为粗 大的渗碳体，退火薄板能够得到更低的屈服强度。 1 3 深冲板的织构分析 衡量深冲性能的重要指标之一是塑性应变比，即r 值。塑性应，叟比是一个j 品 体学取向密切相关的参数4 “。r 值大小取决于晶粒的择优取向( 即织构) ， 111 ) 品面平行于钢板轧面的晶粒比例比较高，对应的t 值也较高，而 1 0 0 品粒的比例 1 6 查些查兰翌主兰堡垒查蔓二苎鳖堡一 较高对钢板的r 值不利”。 研究表明晗，冷轧汽车板深冲性能好坏，取决于 1 1 1 ) 织构的强弱。这 种织构之所以有利于冲压，是因为体心立方( b c e ) 晶格结构的 1 1 1 强度最大，而 这种强度最大的方向垂直于薄板上下表面。使钢板具有较大的抵抗钢板减薄能力， 在高应变比条件下，钢板不易致裂，成形性能良好。i f 钢之所以具有非常高的r 值，是由于其晶粒 1 1 1 面高度平行于板面的缘故。 。 因此，为了得到优良的成品性能，需要研究成分、工艺与织构之间的内在联 系和规律，以便在大生产中确定尽可能合理的工艺制度。 织构分析的方法主要有：x 射线衍射、中子衍射、电子衍射和金相蚀坑法等。 其中x 射线衍射法是最常见的而且便于定量分析的方法。 1 3 1 再结晶织构的形成机理及影响因素 变形后的金属在加热过程中会发生再结晶。根据加热工艺的不同可以发生回 。复、再结晶、晶粒长大及二次再结晶等现象。再结晶是一个生核和核长大的过程， 而核在什么地方形成以及哪些核能长大，很大程度上要受到变形晶粒取向的影响， 进而形成再结晶织构。体心立方金属的再结晶织构通常是( 1 1 1 、 1 l l 织构、以及高斯织构 0 1 1 ) 和立方织构 0 0 1 ) 等。 n a t s u k o h a s h i m o t o 曾探讨过i f 钢在再结晶中织构的形成“。作者用电子背散 射图( e b s p ) 研究了i f 钢再结晶织构在形成过程中的真实形貌。将变形晶粒依照 5 种不同的取向进行了分类：( 1 ) n d ，并且r d ：( 2 ) n d ，并且r d ；( 3 ) 围绕 1 1 2 ；( 4 ) 围绕 0 0 1 ； ( 5 ) 漫散取向。它们的占有率为1 2 ：4 ：4 ：5 ：2 。其中( 1 ) 和( 5 ) 型变形晶粒在再结 晶的早期阶段发生再结晶，形核点位于晶界和晶内，经再结晶后( 1 ) 类晶粒的取 向为n d ，并且r d ，而( 5 ) 类晶粒的再结晶