（材料加工工程专业论文）超纯cr12铁素体不锈钢的组织、织构及成形性能研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm a t e r i a l sf o r m i n ge n g i n e e r i n g 洲i i iim , l l ii ii i f li ij y 1716 7 0 4 s t u d y o fm i c r o s t r u c t u r e ，t e x t u r ea n d f o r m a b i l i t y o fu l t r a - p u r i f i e dc r l 2 f e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e l b y y ud e j i a n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i uz h e n y u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 独创性声明 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，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：寺 浆连 日期：沙9 7 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后。) 学位论文作者签名：寸 喙1 逻导师签名： 签字日期： 2 口0 7 ，7 1 签字日期： 东北大学硕士学位论文 摘要 超纯c r 12 铁素体不锈钢的组织、织构及成形性能研究 摘要 本论文选用超纯c r l 2 铁素体不锈钢为实验原料，对实验钢进行冶炼、锻造、热轧、 热轧退火、冷轧以及冷轧退火等实验。通过金相显微镜、e b s d 、x r d 等显微分析手段 以及对冷轧退火板进行成形性能测试，系统研究了不同热轧工艺、不同热轧退火方式以 及不同冷轧压下量对于超纯c r l 2 铁素体不锈钢的组织演变、织构演变以及冷轧退火板 成形性能的影响。 热轧实验表明延长粗轧阶段的道次间隔时i h j 并降低终轧温度是抑制动态回复、促进 静念再结晶的有效手段。有助于细化、均匀化热轧及退火组织，强化热轧退火板的丫纤 维织构。有助于弱化冷轧板的0 【纤维织构、强化冷轧退火板的y 纤维再结晶织构，细化、 均匀化冷轧退火板的再结晶组织、减少 n d 取向晶粒簇的数量，使冷轧退火板的 成形性能和表面质量显著改善。 与连续退火相比，罩式退火能有效弱化冷轧板的0 t 纤维织构、提高冷轧板y 纤维织 构的相对强度。有助于弱化冷轧退火板的0 【纤维织构、强化冷轧退火板的y 纤维再结晶 织构。罩式退火能显著降低织构梯度，提高各取向晶粒分布的均匀性，提高冷轧退火板 的成形性能。 冷轧实验表明增大压下量有助于强化冷轧板的y 纤维织构，弱化冷轧退火板的0 【纤 维织构，强化冷轧退火板的丫纤维再结晶织构。增大压下量有助于提高冷轧退火板的成 形性能，但是当压下量过大时，冷轧板厚度成为恶化其抗皱性的一个主导因素。 关键词：超纯；铁素体不锈钢；组织；织构；成形性能；热轧；冷轧；退火 东北大学硕士学佗论文 a b s tr a c t s t u d yo fm i c r o s t r u c t u r e ，t e x t u r ea n df o r m a b i l i t y o f u l t r a - - p u r i f i e dc r l2f e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e l a bs t r a c t t h ep r e s e n tp a p e rs e l e c t e dt h eu l t r a - p u r i f i e dc r l2f e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e la st h et e s tr a w m a t e r i a l w ec a r r i e do ns m e l t i n g ，f o r g i n g ，e x p e r i m e n t s ，r o l l i n g ，h o tr o l l i n ga n n e a l i n g ，c o l d r o l l i n ga sw e l la sc o l dr o l l i n ga n n e a l i n gt ot h et e s ts t e e l t h r o u g hs o m em i c r oa n a l y z e m e t h o d ss u c ha sm e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p e ，e b s d ，x r da n dt e s t i n gt h ef o r m a b i l i t yo ft h e c o l dr o l l e da n da n n e a l e ds h e e t s ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h ei n f l u e n c eo ft h em i c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o n ，t e x t u r ee v o l u t i o na n df o r m a b i l i t yo fu l t r a - p u r i f i e dc r l2f e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e ld u e t od i f f e r e n th o tr o l l i n gp r o c e s s e s ，a n n e a l i n ga f t e rh o tr o l l i n ga n dc o l dr o l l i n gr e d u c t i o n t h eh o tr o l l i n ge x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h ed y n a m i cr e c o v e rw a ss u p p r e s s e dw h i l et h e s t a t i cr e c r y s t a l l i z a i t o nw a sp r o m o t e db ym e a n so fp r o l o n g i n gr o u g h i n gi n t e r - p a s st i m ea n d l o w e r i n gf i n i s h i n gt e m p e r a t u r e a sar e s u l t ，t h em i c r o s t r u c t u r e so fb o t h h o tr o l l e da n d a n n e a l e ds h e e t sw e r er e f i n e da n dh o m o g e n i z e da c c o m p a n y i n gs t r e n g t h e n e d ? - f i b e rt e x t u r ei n t h ea n n e a l e ds h e e t s a f t e rc o l dr o l l i n g ，t h e0 【一f i b e rt e x t u r ew a sw e a k e ra n dw e a k e r a f t e rf i n a l a n n e a l i n g ，t h es h e e t se x h i b i t e ds t r o n g e r ? - f i b e rr e c r y s t a l l i z a t i o nt e x t u r ea n dw e a k e n e d0 【f i b e r t e x t u r e ，s m a l l e ra n dm o r eu n i f o r mg r a i n s a n dr e d u c e dg r a i nc o l o n i e sw i t h n d o r i e n t a t i o ns ot h a tt h es u r f a c eq u a l i t ya n df o r m a b i l i t yo fc o l dr o l l e da n da n n e a l e ds h e e t sw a s o b v i o u s l yi m p r o v e d c o m p a r e dw i t ht h ec o n t i n u o u sa n n e a l i n g ，b a t c ha n n e a l i n ge f f e c t i v e l yw e a k e n e dt h e a - f i b e rt e x t u r ea n ds t r e n g t h e n e d ? - f i b e rt e x t u r ei nt h ec o l dr o l l e ds h e e t s a f t e rf i n a la n n e a l i n g ， t h es h e e t se x h i b i t e ds t r o n g e rt - f i b e rr e c r y s t a l l i z a t i o nt e x t u r ea n dw e a k e n e da - f i b e rt e x t u r e b a t ha n n e a l i n gd e c r e a s e dt h et e x t u r eg r a d i e n ta n de n h a n c e dt h eu n i f o r m i t yo fg r a i n o r i e n t e d d i s t r i b u t i o n ，s oi ti m p r o v e dt h ef o r m a b i l i t yo fc o l dr o l l e da n da n n e a l e ds h e e t s t h ec o l d r o l l i n ge x p e r i m e n t s s h o w e dt h a t i n c r e a s i n gt h e c o l dr o l l i n gr e d u c t i o n s t r e n g t h e n e d ? - f i b e rt e x t u r e i nt h ec o l dr o l l e ds h e e t s a f t e rf i n a la n n e a l i n g ，t h e s h e e t s e x h i b i t e ds t r o n g e r ? - f i b e rr e c r y s t a l l i z a t i o nt e x t u r ea n dw e a k e r0 【一f i b e rt e x t u r e i n c r e a s i n gt h e c o l dr o l l i n gr e d u c t i o nc o u l di m p r o v et h ef o r m a b i l i t yo fc o l dr o l l e da n da n n e a l e ds h e e t s ，b u t t h et h i c k n e s so ft h ec o l dr o l l e ds h e e t sd e t e r i o r a t e dt h ew r i n k l er e s i s t a n c ew h i l et h er e d u c t i o n i i l 东北大学硕士学位论文 a b s tf s c t w a so v e r s i z e d k e yw o r d s ：u l t r a p u r i f i e d ；f e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e l ；m i c r o s t r u c t u r e ；t e x t u r e ；f o r m a b i l i t y ； h o tr o l l i n g ；c o l dr o l l i n g ；a n n e a l i n g 东北大学硕士学位论丈 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 前言1 1 1 1 不锈钢的发展1 1 1 2 铁素体不锈钢的兴起2 1 2 传统铁素体不锈钢的成形性能特点3 1 2 1 平均塑性应变比( 厂值) 较低3 1 2 2 表面皱折严重一4 1 3 织构对铁素体不锈钢成形性能的影响5 1 3 1 织构检测与分析5 1 3 2 宏观织构对歹值的影响6 东北大学硕士学位论丈 目录 曼曼曼曼i i i 1 曼曼! 曼! 曼曼! 笪! 曼量曼! 曼曼曼曼! 曼! 曼曼! ! ! ! 曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 2 2 3 组织、织构及成形性能检测l6 2 3 实验结果分析18 2 3 1 不同热轧工艺条件下的组织演变1 8 2 3 2 不同热轧工艺条件下的织构演变2 1 2 3 3 不同热轧工艺条件下冷轧退火板的成形性能2 4 2 4 讨论2 6 2 4 1 热轧工艺对组织演变的影响2 6 2 4 2 热轧工艺对织构演变的影响2 7 2 4 3 热轧工艺对冷轧退火板成形性能的影响3 1 2 5 本章小结3 1 第3 章热轧退火对超纯c r l 2 铁素体不锈钢组织、织构及成形性能的影响3 3 3 1 前言3 3 3 2 实验方法3 3 3 2 1 实验材料3 3 3 2 2 实验过程3 3 3 2 3 组织、织构及成形性能检测3 4 3 3 热轧后罩式退火和连续退火对比实验的结果分析3 6 3 3 1 退火组织比较3 6 3 3 2 退火织构比较3 7 3 3 3 冷轧退火板的成形性能比较3 9 3 4 讨论4 0 3 4 1 不同退火方式对织构演变的影响4 0 3 4 2 不同退火方式对冷轧退火板成形性能的影响4 3 3 5 本章小结4 3 第4 章冷轧压下量对超纯c r l 2 铁素体不锈钢组织、织构及成形性能的影响4 5 4 1 前言4 5 4 2 实验方法4 5 4 2 1 实验材料4 5 4 2 2 实验过程4 5 东北大学硕士学位论天 目录 4 2 3 组织、织构及成形性能检测4 6 4 3 实验结果分析4 7 4 3 1 冷轧及退火组织比较4 7 4 3 2 冷轧及退火织构比较4 9 4 3 3 冷轧退火板的成形性能比较5 0 4 4 讨 仑5 2 4 4 1 冷轧压下量对再结晶织构的影响5 2 4 4 2 冷轧压下量对冷轧退火板成形性能的影响5 4 4 5 本章小结5 4 第5 章结论一5 5 参考文献5 6 致谢6 0 东北大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 前言 1 1 1 不锈钢的发展 第1 章绪论 不锈钢的历史可以追溯到约一个世纪以前，约在1 9 1 3 年，在英国的哈罩布雷利首 先认识到含铬的铁基合金具有优良的耐腐蚀性，也是布雷利首先指出利用这种性能可以 制造出“不生锈”的刀具。他企图解决步枪枪管的腐蚀和生锈问题，用铬对铁进行合金化， 在金相工作中发现了这些钢能耐侵蚀剂的腐蚀。后来将这些铁素体组织的f e c r 合金称 为不锈钢【l 】。 这个名称后来也用于奥氏体组织的f e c r - n i 钢，这类钢是在德幽几乎同时发展成商 业产品的。在德国，揭示含8 n i 的f e c r 奥氏体合金的耐腐蚀性的也是一个偶然的发 现。1 9 2 1 年埃德瓦德莫勒在实验室中注意到一些有贝诺斯特劳思所制造的合金在酸雾中 暴露数月也不受腐蚀。这些合金因为一加工就丌裂所以被搁置在一边。根据以往的 f e c r - n i 合金的冶金学试验，莫勒设计了一种用水淬的退火热处理工艺，使大量的碳化 铬在固溶体中沉淀，使合金成为可塑性加工的。 贝诺斯特劳斯是埃森克鲁伯工厂弗里德罩克研究室的物理部主任，该研究室成立于 1 8 8 3 年，莫勒是在1 9 0 9 年作为该室的第一冶金学家参加该室工作的。斯特劳斯很快就 在德国和其他国家申请专利，并发展商品生产。到1 9 1 4 年他们的v 2 a 钢 ( 2 0 c r - 7 n i 一0 2 5 c ) 的产量大增。虽然这些奥氏体合会的成分的专利是以斯特劳斯 的姓氏发表的，但莫勒的偶然发现和他的热处理工艺却被看作是奥氏体不锈钢在化工厂 获得工业应用的起点。由于生产和制造技术的进展以及市场的需求，1 9 2 5 1 9 3 5 年间， 铁素体不锈钢( 1 7 c r ) 和奥氏体不锈钢( 1 8 c r - 8 n i ) 两者在英、美、德的氨厂和 硝酸厂都得到大规模的使用。但是，铁素体不锈钢( 特别是含c r 1 6 的铁素体不锈钢) 在性能上的一些不足也逐渐显露，这些不足主要表现为焊接性能差、缺口敏感性高、晶 间腐蚀倾向大等。由于受冶金技术水平的限制，铁素体不锈钢的这些缺点在相当长的一 段时期得不到改善。因此研究人员将研究和丌发的力量主要集中在奥氏体不锈钢上，之 后奥氏体不锈钢的产量不断增加，并大大超过了铁素体不锈钢的产型2 1 。 随着人们对不锈钢的深入研究和应用实践、不锈钢生产和应用技术的不断进步和完 善以及各种精炼技术的问世，特别是2 0 世纪7 0 年代后大容量真空感应熔炼、氩氧脱 东北大学硕士学位论丈1 绪论 碳( a o d ) 、真空氧脱碳( v o d ) ( 包括s s v o d ，即强烈搅拌的v o d 工艺) 、不锈钢 三步冶炼法以及连续电子束熔炼等近代不锈钢冶金生产工艺技术的问世和发展，使得不 锈钢中的碳、氮、氧等间隙元素得到较为有效的控制，所生产的低碳、氮、氧的高纯和 超高纯的不锈钢在各种性能上都有很大提高p ，4 j 。 在不锈钢生产中，超高功率电炉、炉外精炼、连续铸锭( 包括薄板坯连铸) 、热连 轧或新型炉卷轧机、冷连轧、连续酸洗热处理和连续保护气氛光亮热处理，以及各种质 量检测手段等新工艺、新装备、新技术的应用己同益广泛。目前，大型化、高速化、连 续化、自动化成为不锈钢生产工艺、装备的主要发展方向【5 】。 在不锈钢理论研究方面，研究人员更深入地研究了各种合会元素对不锈钢耐蚀性的 作用及影响规律，利用基础科学的进展、学科的渗透、交织，推动了不锈钢的物理冶会 学研究，特别是新材料工程和工艺的研究。例如超纯化，既可解决奥氏体不锈钢的晶问 腐蚀，又可克服铁素体不锈钢的脆性问题：超细晶粒双相不锈钢，既有超塑性，又使钢的 强度和韧性显著提高。此外还加强了对不锈钢应用理论的研究，如表面膜和钝化机理、 应力腐蚀和氢腐蚀机理及冶金学因素的影响、腐蚀疲劳机理、磨蚀机理掣昏引。 不锈钢的另一引人注目的进展是将不锈钢钝化处理和彩色着色相结合进行；开发用 载波钝化法在无铬的硫酸着色液中生产彩色不锈钢的工型9 】：用碱液电解阳极氧化，或 酸液浸溃，获得各种色彩的表面：通过不锈钢表面离子注入、离子混合注入以及等离子浸 入钦、氮、忆等金属和非金属离子等方法，对不锈钢的表面进行改性处理，这不仅提高 了钢的抗应力腐蚀、抗稀酸盐腐蚀、抗氯离子腐蚀的能力，而且还提高了钢的表面耐磨、 耐介质冲刷的性能【l0 1 。 此外，还对方波电势脉冲着色技术进行了研究：对载波钝化机理做了深入研究；对载 波电场下钝化着色膜的生长机理做了初步的探索研究】。 在全世界范围内，随着不锈钢生产技术和应用技术的日渐成熟，近2 0 年来不锈钢 的生产和应用范围得到了迅猛发展，越来越引起世人的重视。在主要产钢国家中不锈钢 的产量和产值己超过钢材总产量的2 ，总产值的1 0 ，在经济上占据了重要地位。 1 1 2 铁素体不锈钢的兴起 面向2 l 世纪，开发节约稀缺、昂贵元素的钢种和开发可以在恶劣环境中使用或具 有特殊性能的不锈钢，发展超纯化、多元化、微合金化的不锈钢己成为当今不锈钢市场 的主流。尤其我国是不锈钢资源贫乏的国家，缺镍少铬，而世界各国对争夺镍铬资源开 发控制权的竞争愈加激烈，镍铬资源的供应己成为我国发展不锈钢产业的重要限制因 东北大学硕士学位沦丈 1 绪论 素。因此调整不锈钏的生产和消费结构，大力发展铁素体不锈钢，可以有效节约镍资源 和降低消费成本，促进不锈钢产业的健康发展。 铁素体不锈钢是指铬含量在1 1 3 0 ，具有体心立方晶体结构，在使用状态下以 铁素体组织为主的不锈钢。现代铁素体不锈钢已达到不含镍或仅含少量的镍，是一种节 镍经济型不锈钢。虽然早期的铁素体不锈钢存在一些缺点和不足，但随着对不锈钢的深 入研究、不锈钢生产和应用技术的不断进步和完善以及各种精炼技术的问世，现在已能 生产出低碳、氮、氧的高纯和超高纯铁素体不锈钢，从而使铁素体不锈钢的一些缺点和 不足得到了一定程度的克服，同时还进一步发展了许多新的可焊性能好，加工性优良的 铁素体不锈钢。 丌发和生产现代节镍、无镍的超纯铁素体不锈钢品种( c + n 】 1 5 0 x 1 0 曲) ，取代部 分奥氏体不锈钢已经成为世界各国不锈钢企业的必然选择【1 8 乏0 1 。国外如同本j f e 钢铁株 式会社、韩国p o s c o 钢铁公司成功开发了多种超纯铁素体不锈钢并已推向市场。例如， 同本川崎制铁株式会社开发了r 4 3 0 x t 、r s x 1 、r 3 0 2 、r 2 4 2 、r 4 4 5 m t ，j f e 钢铁株 式会社丌发了4 4 3 c t ，韩国浦项钢铁公司也把超纯4 0 0 系铁素体不锈钢的研发作为其六 大研究方向之首。 目前，现代铁素体不锈钢已广泛应用于厨房设备、家用电器、建筑装饰、交通运输、 环保、市政建设等几乎遍及与人们生活密切相关的各个领域，在汽车、厨房设备等用途 中，其产量与消费量还有超过铬镍奥氏体不锈钢的趋势。 组织和织构控制技术是生产成形性能优异的铁素体不锈钢的关键所在，对其组织演 变、织构演变以及成形性能等进行系统的基础研究，对于开发铁素体不锈钢生产工艺、 乃至提高整个低铬系铁素体不锈钢的成形性能都具有重要的理论指导意义和实际使用 价值。 1 2 传统铁素体不锈钢的成形性z 月匕l c , 特点 1 2 1 平均塑性应变比( f 值) 较低 金属薄板的成形性能可用平均塑性应变比( f 值) 和凸耳参数( a r 值) 衡量。塑性 应变比是指将金属薄板试样单轴拉伸到产生均匀变形时，试样标距内，宽度方向的真实 应变与厚度方向的真实应变之比。它反映金属薄板在其平面内，承受拉力或压力时，抵 抗变薄或变厚的能力。薄板的厂值越大，在深冲过程中愈不易变薄，有利于提高拉深变 形程度和保证产品质量 2 1 , 2 2 1 。凸耳参数是指将薄板深冲时，由于材料不均匀流入，在高 东北大学硕士学位论文 1 绪论 r 值方向，圆筒零件的凸缘出现凸耳趋势的一种量度，它表示材料的平面各向异性。薄 板的甜值越大，凸耳愈严重，拉深后的切边高度愈大，材料消耗越大。两者均可通过 拉伸试验得到。分别沿与薄板轧向呈o o ，4 5 0 ，9 0 0 的方向上制取标准试样，经一定程度 的拉伸后可以测得相应的塑性应变比，值。f 值和r 值可分别由式1 1 、1 2 计算得出： f：roo+2xr450+r900( 1 1 ) r = 一 ii1 ) 4 a r - - r o o - _ - 7 9 0 。一r 4 5 。 ( 1 2 一) f 一。 l1 ) 么 虽然，传统的低铬铁素体不锈钢已具有良好的冷成形性，但是，与c r - n i 奥氏体不 锈钢相比还有一定差距，如图1 1 所示。主要表现在n 值较低，但与低碳钢相近，已无 太大提高余地，而，值与低碳钢相比，尚有很大挖掘潜力，有待进一步提高。而我国生 产的用于汽车排气系统的4 0 9 型不锈钢，其f 值普遍较低，仅为1 0 左右。因此，提高 其f 值仍有很大的发展空间。 r 值 图1 1 铁素体不锈钢与奥氏体不锈钢、低碳钢n 值及，值的比较【2 3 1 f i g 1 1c o m p a r i s o no fn - v a l u e sa n dr - v a l u e sb e t w e e nf e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e la n da u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l 1 2 2 表面皱折严重 铁素体不锈钢在深拉、深冲成形过程中应变量较大时会在制品表面产生一种皱折缺 陷。这种缺陷常发生在平行于板的轧制方向上，表现为狭窄的凸起条纹，如图1 2 所示。 皱折的产生不仅损伤了成形部件的表面外观，必须经过研磨和抛光，而且严重时难以去 除，降低了成品率，大大增加了生产成本。关于皱折产生的原因较为普遍接受的观点有 两种，一种认为在热、冷加工过程中某些织构沿轧向分布，在应变过程中，由于塑性变 形的各向异性，在板材厚度方向产生应变差别从而引起皱折；另一种认为，铁素体不锈 东北大学硕士学位论丈 1 绪论 钢在钢锭凝固时产生成分偏析的柱状晶，这种成分的不均匀性，在随后的热加工和热处 理过程中很难完全消除，而且随加工量的增加，沿轧向呈带状分布，由于这种化学成分 的偏差导致材料变形性能的不均匀，从而产生皱折现象【2 4 粕】。 图1 2 铁素体不锈钢深拉制品的表面皱折 f i g 1 2s u r f a c er i d g i n go fd e e p d r a w i n gp r o d u c ti nf e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e l 1 3 织构对铁素体不锈钢成形性能的影响 1 3 1 织构检测与分析 在立方晶体轧制样品坐标系中，常用平行于轧面的晶面 h k l 和平行于轧向的晶向 ( 即m i l l e r 指数 h k l ) 表征某一晶粒的取向。一般认为，许多晶粒取向集 中分布在某一或某些取向位置附近时称为择优取向。择优取向的多晶体取向结构称为织 构【2 7 1 。织构分为宏观织构与微区织构两种。宏观织构的主要检测手段主要有x 射线衍 射术和中子衍射术，测量区域较大，测量结果富有宏观的统计意义。微区织构的检测手 段主要有透射电子显微镜技术、选区通道花样术、蚀坑术及电子背散射衍射技术1 2 引j ( e l e c t r o nb a c k s c a t t e r e dd i f f r a c t i o n ，简称e b s d ) 等，测量较小的局部区域。本论文中， 利用x 射线衍射术测量宏观织构，利用电子背散射衍射术测量微织构。 织构的分析方法主要有极图分析法、反极图分析法和取向分布函数( o r i e n t a t i o n d i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ，简称o d f ) 分析、法【3 2 , 3 3 】。本论文中，采用o d f 法分析织构。o d f 法把晶体取向与试样外观坐标的关系用三维取向空问表达出来，这一取向空间就是欧拉 空间( e u l e r i a ns p a c e ) ，欧拉空间的坐标用欧拉角表示，如邦厄( b u n g e ) 系统定义的欧 拉空间为( 0 鲫l 翌兀，0 兀，0 ( p 2 s 2 兀) 1 3 4 】。立方金属的织构往往聚集在取向空间的某 些取向线上，图1 3 即示出了常见的织构取向线在邦厄系统欧拉空间中的位置。和i f 钢 东北大学硕士学位论文 1 绪论 等深冲用钢一样，铁素体不锈钢的轧制及轧制后退火织构也主要分布在c l 和y 取向线上。 其中，0 【取向线在o d f 图中的位置为q l = 0 0 、0 = 0 9 0 0 、 9 2 = 4 5 0 ，主要织构类型为 0 0 1 ) 、 11 2 、 1 1 1 。丫取向线在o d f 图中的位置为 9 1 = 0 9 0 0 、 0 = 5 4 7 0 、 9 2 = 4 5 。，主要织构类型为 1 1 1 ) 、 1 1 1 ) 。此外，还会出现 5 5 4 、 f 3 3 4 等织构组分。为了方便的分析这些织构，常用o d f 的恒 9 2 = 4 5 0 截面图表示， 如图1 4 。 f i b e r ： ，r d ly - f i b e r ： n d l hq - f i b e r ： 胩d l乏- f i b e r ： n d 。 o n b e r ： n d g - f i b e r ： it d 图1 3 常见的织构取向线住欧拉空间中的位置 f i g 1 3s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no ff i b e rt e x t u r e si nt h et h r e ed i m e n s i o n a le u l e ra n g l es p a c e 9 2 - - 4 5 。 图1 4 恒9 2 = 4 5 。o d f 截面图和主要的织构组分 f i g 1 4t h ec o n s t a n t ( p 2 = 4 5 0o d f s e c t i o na n dt h em a i nt e x t u r ec o m p o n e n t s 1 3 2 宏观织构对f 值的影响 y a z a w a 等人将c r l 8 、c r l 2 两种铁素体不锈钢冷轧退火板的f 值及再结晶织构与i f 钢进行了比较【3 5 】。结果表明，铁素体不锈钢与i f 钢一样，其f 值也与 小d 再结晶 织构的强度成正比。不同的是，在 n d 再结晶织构强度水平相当的条件下，铁素 体不锈钢具有比i f 钢更高的f 值。并且，铁素体不锈钢的f 值与 n d 再结晶织构 东北大学硕士学位论丈 1 绪论 强度的比值随着铬含量的增加而增大，如图1 5 。 铬原子在塑性变形过程中能够抑制某些滑移系的丌动，增强了变形各向异性，从而 提高铁素体不锈钢的f 值。铬原子对滑移系的抑制作用是通过两种机制完成的：( a ) 和 低碳钢一样，铁素体不锈钢的塑性变形也是通过在特定的晶面和晶向上发生滑移来完成 的。体心立方金属的任何一个晶面都不具有显著的原子密度优势，因此， 1 1 0 ) 、 1 1 2 ) 、 1 2 3 ) 晶面都可以成为滑移面， 晶向为滑移方向。但是，固溶的铬能降低钢的堆垛 层错能，从而使得在f 1 1 2 ) 晶面上很难引起a 2 位错向a 6 半位错的扩展，即 1 1 2 滑移系受到铬原子的抑制。i n o u e 3 6 】在把 1 1 0 和 1 1 2 滑移系设 为激活的情况下，利用相同的织构数据计算了钢板的f 值。其研究结果也表明，在各种 约束条件下只有 1 1 0 滑移系都能丌动，并且当滑移只限制在 1 1 0 滑移系 时，f 值最高。( b ) 体心立方晶格中各晶面的弹性模量的顺序为 0 0 1 ) 1 1 0 ) 1 1 1 。 铬原子易于在弹性模量最小的 0 0 1 晶面上取代特定位置的铁原子，从而限制滑移系的 数量。 羔 至 g 乏 1 i l i n t e n s i t y xr a n d o m ) 图1 5 成品退火板的f 值与 1 1 1 强度的关系 f i g 1 5r e l a t i o n s h i pb e t w e e n l 11 ) i n t e n s i t ya n dm e a s u r e da v e r a g er - v a l u eo ff i n a la n n e a l i n gs h e e t s r a a b e 和k a n g 等学者在对铁素体不锈钢冷轧退火板的再结晶织构进行研究时发现， 与i f 钢规则的、贯通的y 纤维再结晶织构不同，铁素体不锈钢易于形成不均匀的、明 显向 3 3 4 组分偏转的丫纤维再结晶织构，这种织构不利于f 值的提耐3 7 ，3 8 1 。另 一方面，由于铁素体不锈钢在热轧过程中没有或很少发生嘶相变，因此热轧板通常会 形成显著的热轧织构( 如 0 0 1 ) 织构) ，并且在厚度方向产生很大的织构梯度。经 冷轧和退火后，厚度方向仍存在较大的织构梯度，不利于f 值的提高。 可见，提高铁素体不锈钢冷轧退火板的丫纤维再结晶织构的强度，降低向 3 3 4 ) 组分偏转的程度，降低厚度方向的织构梯度，是提高f 值、改善铁素体不 锈钢成形性能的关键。 东北大学硕士学位论文1 绪论 1 3 3 微织构对表面皱折的影晌 国外许多学者对铁素体不锈钢冷轧退火板的微织构与表面皱折进行了研究，其中， p a r k 和k i m 等人对4 0 9 l 和4 3 0 两种铁素体不锈钢的冷轧退火板进行了研烈 l 。他们发 现，在两种冷轧退火板的中心层都存在大量的塑性应变比较低的 0 0 1 ) 、 f 1 1 2 晶粒簇( g r a i nc o l o n y ) ( 见图1 6 ) 。他们认为是这两种晶粒簇在尺寸和分布 上的差异最终导致了两种冷轧退火板表面皱折形貌的不同。4 0 9 l 铁素体不锈钢的晶粒 簇较粗大，皱折较严重。而4 3 0 铁素体不锈钢在热轧过程中发生了部分。以相变，奥氏 体的出现弱化了组织的带状特征，使晶粒簇更加细小、分散分布，因而皱折轻微。他们 认为 0 0 1 、 1 1 2 晶粒簇源于具有显著 n d 织构特征的初始柱状晶凝 固组织。热轧过程中晶粒逐渐向稳定取向转动，再结晶受到抑制，最终导致了晶粒簇的 产生。 h i g h l i g h t e do r i e n t a t i o n ：d e v i a t i o na n g l eo f1 5 。 异性，从而造成表面 二 。 东北大学硕士学位论文 1 绪论 构作为母体织构( m a t r i xt e x t u r e ) 并引入晶粒簇，利用晶体塑性有限元的方法( c r y s t a l p l a s t i c i t yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 模拟了试样经2 0 拉伸变形后的皱折形貌，如图1 7 。其 结果表明， 0 0 1 晶粒簇比周围基体塌陷严重， 1 1 1 ) 和 1 1 2 晶粒簇使 试样沿宽度方向产生波动， 0 0 1 ) 昆n 粒簇较低的塑性应变比以及 l1 1 ) 和 1 1 2 两晶粒簇不同的剪应变共同导致了皱折的发生。 ( c ) 垂 图1 7 计算得到的试样2 0 拉伸变形的形状 f i g 1 7c a l c u l a t e ds h a p eo fs p e c i m e na f t e rt e n s i l es t r a i n i n go f2 0 ( a ) i n i t i a lm e s h ，( b ) d e f o r m e dm e s h ，( c ) m a t r i xt e x t u r e 可见，提高铁素体不锈钢冷轧退火板的组织均匀性、提高各取向晶粒分布的均匀性、 弱化带状晶粒簇是减轻皱折的关键。 1 4 影响铁素体不锈钢性能的因素 1 4 1 化学成分的影响 ( 1 ) 碳、氮间隙元素的影响 铁素体不锈钢性能上的几乎所有缺点，如脆性转变温度高，缺口敏感性大，焊后耐 蚀性下降等都与碳、氮含量密切相关。这是由于碳、氮在铁素体组织中的溶解度非常低 ( 9 2 7 * ( 2 时的含氮量为0 0 2 3 ，含碳量仅为o 0 0 4 ) ，在高温加热后即使在急冷的过程 东北大学硕士学位论文 1 绪论 中也易于形成有害的m 2 3 c 6 等碳氮化合物。所以，应严格控制碳和氮的含量。碳、氮是 奥氏体形成元素。在铁素体不锈钢中，即使增加极少量的碳也会使y 和0 【相界明显向 右移动，即向铬含量高的方向移动【4 3 1 ，如图1 8 。 1 4 0 0 p 1 2 0 0 翟 霜l o o o ol o2 03 0o1 0 c r 。 幽1 8 碳和氮对f e - c r 系相图丫、) , c t 相界的影响 f i g 1 8e f f e c t so fc a r b o na n dn i t r o g e no nt h e ( a ) 丫a n d ( b ) 3 c tp h a s eb o u n d a r y 太原钢铁公司的李晓波研究了铁素体不锈钢的碳、氮含量与抗皱性之间的关烈4 4 1 。 他发现，随碳、氮含量的升高，钢板的抗皱性能得到明显改善。这主要是因为随着碳、 氮含量的升高，热轧时y 相的析出量也随之增加，由于在一、+ c t 两相区进行轧制的结果，使 热轧板的带状组织得到破碎，从而减轻表面皱折。同本川崎钢铁公司的y a z a w a 等人则 研究了碳、氮含量对超纯c r l 8 铁素体不锈钢的f 值和皱折的影响【4 5 】( 见图1 9 ) 。其结 果表明：一方面，降低碳、氮含量均能使f 值得到提高。不同的是，当碳含量降低时， f 值提高的幅度较大，而当氮含量降低时，f 值提高的幅度较小。另一方面，降低碳、 氮含量将使表面皱折加重。可见，对于超纯铁素体不锈钢，提高f 值和减轻皱折在对碳、 氮含量的要求上存在冲突。 ( a 图1 9 碳、氮含量对f 值和皱折的影响 f i g 1 9e f f e c t so f c a r b o na n dn i t r o g e nc o n t e n t so nt h ef v a l u e ( a ) a n dr i d g i n gg r a d e ( b ) ( 2 ) 铌、钛稳定化元素的影响 降低钢中碳、氮间隙原子含量的另外一个有效途径是添加铌等强碳氮化物 素。铌碳氮化物的稳定性从高到低依次为t i n 、n b n 、t i c 、n b c 。一般来说，t i 东北大学硕士学位论天1 绪论 i 相就已经形成了。当钢中的n 形成t i n 后，n b c 就更稳定了。从而使钢中的c 、n 受 双重稳定化，对消除c 、n 原子有害作用更有利。c 、n 的稳定度用：稳定度= ( t i 6 + n