（材料学专业论文）q235纳米晶粒钢板的制备、微观结构和力学性能.pdf

摘要 摘要 本文对板条马氏体组织的q 2 3 5 钢板r 64 x 6 02 x 2 6 0 皿n 3 ) 进行了多道 次大压下量( 累积相对压下量9 3 6 ) 冷轧和低温退火处理，制备出超细晶粒 和纳米晶粒钢板。并用光学显微镜( o m ) ，透射电子显微镜( t e m ) ，x r a y 衍 射仪( x r d ) ，扫描电子显微镜( s e m ) ，显微硬度和拉伸实验研究了退火温度 和时间对板条马氏体大压下量冷轧组织和力学性能的影响。 谢乐法和t e m 暗场法两种方法测定纳米晶粒尺寸的结果表明， 谢乐法与t e m 暗场像的弦线法所测结果吻合较好，两者相差1 3 1 6n l n 。 调整退火温度和时间，可获得平均晶粒尺寸为4 7 岫1 到1 8r l r l l 的一系列超 细晶粒钢板和纳米晶粒钢板。 显微硬度实验和室温单轴拉伸实验结果表明，q 2 3 5 钢板条马氏体冷轧 组织在3 5 0 和3 5 0 以下退火，温度和时间对其强度和硬度的影响较小； 在3 5 0 以上退火，温度和时间对组织和性能都有很显著的影响。s e m 断 口观察表明，在5 0 0 和低于5 0 0 退火，拉伸断口存在不同程度的层片 状形貌特征，这种层片特征随退火温度的提高而减弱，6 0 0 退火，拉伸 断口的层片形貌特征消失。与此同时，通过残留加工硬化法研究了板条马 氏体冷轧组织的再结晶动力学，测得其再结晶表观激活能约为1 5 1k j m o l 。 并对这种细化晶粒新方法的细化机制、强化机制和4 0 0 以下退火试样在 拉伸时的脆性行为的原因进行了初步分析。 关键词纳米晶粒钢板；冷轧；板条马氏体；退火；力学性能 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t h lt h i sp a p e r ，t h eu l t r af i n eg r a i n e da n dt h en a n o - g r a i n e ds t e e ls h e e t sw e r e p r e p a r e db yab e wp r o c e s so fs e v e r em u l t i - p a s sc o l dr o l l i n g ( a c c u m u l a t e d r e d u c t i o no f9 3 6 、a n dl o wt e m p e r a t u r ea n n e a l i n go fq 2 3 5s t e e l p l a t e s f 6 嘶。h 麟x 6 0 而曲2 6 0 1 砌r a m 3 ) w i t hs t a r t i n gs t r u c t u r eo fl a t hm a r t e r t s i t e a n d t h ee f f e c t so ft h e a n n e a l i n gt e m p e r a t u r e a n d a n n e a l i n g t i m eo nt h e m i c r o s t r u e t u r ea n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo f t h es e v e l ec o l d - r o l l e ds a m p l e so f l a t hm a r t e n s i t ew e r es t u d i e du s i n go p t i c a lm i c r o s c o p y ( 0 h 仅t r a n s m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o s c o p y ( t e m ) ，x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，s c a n n i n ge l c c 仰o n m i c r o s c o p ( s e m ) ，m i c r o h a r d n e s s t e s ta n dt e n s i l et e s t s t h em i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o ni n d i c a t e st h a t , t h er e s u l t so fx r ds c h e e r m e t h o da r ei ng o o da g r e e m e n tw i t l lt h a to ft e md a r kf i e l dt e c h n i q u e t h e d i f f e r e n c eb c t w e e l lt h e mi s1 3 1 6n m a n d ，b ya d j u s t i n ga n n e a l i n gt e m p e r a t u r e a n dt i m e , t h eu l t r af i n eg r a i n e da n dt h el l a n o g r a i n e ds t e e ls h e e t sw i t ha v e r a g e g r a i ns i z ef r o m4 7p m t o1 8i nw e r eo b t a i n e d s e mo b s e r v a t i o no f t h et e n s i l ef r a c t u r ei n d i c a t e dt h a t , w h e na n n e a l e db e l o w 5 0 0 ，t e n s i l ef r a c t u r es h o w e dd e l a m i n a t i o n , w h e na n n e a l e da t6 0 0 ，t h e d e l a m i n a t i o nc h a r a c t e r d i s a p p e a r e d t h e nr e c r y s t a l i z a t i o nd y n a m i c s o f c o l d - r o l l e dl a t hm a r t e n s i t ew a ss t u d i e db yt h em e t h o do fr e m a i n e dw o r k h a r d e n i n ga n dt h er e e r y s t a l l i z a t i o na p p a r e n te n e r g yw a sa b o u t1 5 1k j m o l i n a d d i t i o n , t h em e c h a n i s m so ft h er e f u t i n ga n ds t r e n g t h e n i n g , a n dt h er e a s o r 塔f o r t h eu l t r ah i g hs t r e n g t ha n dh i g l lb r i t t l e n e s sr e s u l t e df i r o mt h en e wm e t h o df o r r e f i n i n gg r a i no f l o w c a r b o ns t e e lw e r ea l s od i s c u s s e d k e yw o r d sl l r t l o g r a i n e ds t e e l ；s e v c t ec o l d - r o l l i n g ；l a t hm a r t e n s i t e ；a n n e a l i n g ； m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 研究开发新一代钢铁材料是促进经济、社会高速发展的强大动力之一， 新型钢铁材料的研究和开发非常活跃。自1 9 9 7 年日本启动了“超级钢铁计 划”以来【n ，研发目标是使晶粒直径d 1 岫，强度和韧性提高1 0 0 。1 9 9 8 年韩国紧跟日本钢铁研究动向，启动了“2 l 世纪高性能结构钢发展”十年 项目 2 1 ；1 9 9 8 年末中国启动了“新一代钢铁材料的重大基础研究”项目， 确定未来钢铁材料研究以高纯洁度、高均匀度和超细晶为主要目标，以节 省资源、降低成本和可回收利用为研究的基本原则，开展对钢材的微米和 亚微米晶粒形成理论和高洁净度基础理论的系统研究1 3 1 。在新一代钢铁材料 的重大基础研究项目中确定4 0 0m p a 级碳素钢长型材的研究目标是利用 q 2 3 5 钢的基本成分，在不添加微合金元素的条件下，使屈服强度增加一倍， 实现这一目标的主要途径是细化晶粒而不改变基本组织。中日韩三国研究 开发新一代钢铁项目，其目的之一是通过利用各种现代化技术对传统的钢 铁材料进行处理，使其获得最佳的综合使用性能，以充分挖掘钢铁材料的 潜力。 文献 4 1 报道，目前世界人均薄钢板消费量为5 0 公斤，发达工业国家为 2 0 0 多公斤，而我国仅有1 0 多公斤。依据发达工业国家的发展规律，可以 看到我国的薄钢板消费量正处于急剧上升的阶段。大批薄钢板经过冲压成 型和冷弯成型用于实际消费。美国在1 9 6 7 年，薄钢板产量为4 5 0 0 万吨， 销售总值达6 0 亿美元，而由薄钢板制造的产品销售总值商达7 0 0 亿美元， 即l 美元的薄钢板经过成型制造的成品开创出了1 2 美元的附加值。我国的 薄钢板产量正逐年增长，由薄钢板产生的经济价值对我国经济建设具有重 大的意义和深远的影响。 现在市场要求薄钢板成型件结构要最优化、品种多样化，这就需要薄 钢板具有优异的性能。为满足日益提高的要求，开发新技术、新工艺，挖 掘钢板的潜力，改进薄钢板的各种性能成为材料科研工作者急需攻关的目 标。现代材料科研工作者采用新技术、新工艺，通过细化晶粒制备出来的 燕山大学工学硕士学位论文 纳米晶粒钢板，不仅具有高强度和高韧性的优点，而且还具有传统钢铁材 料无法比拟的其他物理性能。本文研究制备的纳米晶粒钢板，可被广泛应 用作汽车蒙皮、各种箱体、压力容器、压力管道、日常生活所需的一些器 皿等领域。故高性能的超细晶粒和纳米晶粒钢板是新一代钢铁材料之一， 将取代现有的传统钢板去满足各领域提出高要求，它具有广阔的应用前景。 本课题是国家自然科学基金钢铁联合基金( 5 0 2 7 1 0 6 0 ) 资助项目和河北 省自然科学基金( 5 9 5 1 6 5 ) 资助项目的内容之一，主要研究低碳板条马氏体的 大压下量冷轧和低温再结晶处理制备超细晶粒和纳米晶粒钢板，以及其微 观组织、力学性能与退火工艺的关系。 1 2 晶粒尺寸对钢铁陛能的影口f l - - h a l l - p e t c h 关系 钢铁作为传统材料之一，多年来科研工作者为提高其使用性能开展了 广泛的研究工作，研究和生产实践表明，具有高强度兼有高韧度的钢铁材 料是最理想的材料。然而，实际上钢铁材料这两方面的性能是相互矛盾的， 要提高钢铁材料的强度必然降低其韧度，要提高钢铁材料的韧度必然降低 其强度。影响钢铁材料强度和韧度的主要原因是其化学成分和组织结构。 研究表明，材料组织细化处理是提高金属材料室温强度及改善低温韧性的 最有效手段，在不有意加入任何合金元素的基础上，材料组织细化处理是 开发低碳钢极限性能的最有效的方法。 2 0 世纪5 0 年代，p e t e h 采用锭铁( i n g o ti r o n ) 和低碳钢作为试验材料， 通过热处理制得了平均晶粒尺寸分布在1 0 - 2 5 0 “m 范围内的材料，对其进 行细晶强化研究，得到了屈服强度与晶粒尺寸彳“2 之间的线性关系【5 l ； 盯，= c r o + 耐“2( 1 - 1 ) 式中仃。为材料的屈服强度，仃。是内摩擦力，七为与材料有关的常数，d 为 材料平均晶粒尺寸，盯。则包含了位错运动时的点阵阻力、固溶强化、沉淀 强化等因素，这就是传统的h a l l p c t c h 公式。之后w b m o r r i s o n 对h a l l p c t c h 关系进行了研究，他选用化学成分在0 0 0 5 0 2 0 c 、0 0 0 1 0 8 3 m n 、 0 0 0 6 0 1 8 s i 范围的低碳钢，通过试验制备出平均晶粒尺寸为1 6 - 4 0 0i t m 的 材料，研究表明随着晶粒的细化，钢铁材料的强度得到显著增加 6 j 。 h a l l p e t c h 公式运用于从屈服应力至断裂范围内的流变应力，但是，适 2 第1 章绪论 用范围也不是无限的。通常认为适用于0 3 - 4 0 0i s m 尺寸的晶粒，也适用于 马氏体板条束。用于板条束时，泛用的h a l l p e t c h 公式被修正为n a l y e r 公 式j ，即 o r ，= o r o + k d 1 ( 1 2 ) 式中盯，为马氏体的屈服强度；o r 。是内摩擦力，c r 0 则包含了位错运动时的 点阵阻力、固溶强化、沉淀强化等因素；k 为与材料有关的常数；d 。表示 马氏体平均板条束直径，并且可通过下式计算， 屯：三 f 出1 眦义引 2 石 上 4+ 一a p r 国1 一义刮 ( 1 3 ) 其中国为马氏体板条束宽度，d 。为马氏体板条束长度。 晶粒尺寸与材料塑性和韧性之间有着密切的关系 6 1 。根据裂纹形成的断 裂理论，晶粒尺寸d 与裂纹扩展临界应力口，的关系为 盯r 。孥d “2 ( 1 - 4 ) 盯，“一 k 。 式中g 为切变模量， ，。为比表面能，即裂纹扩展对每增加单位面积所消耗 的功，k ，为p e t c h 斜率。当v 。一定时，d 越小，盯，越高。凡提高仃，值的 因素都能改善材料的塑性。晶粒尺寸d 与韧性的关系为 一! 疋= l n b l n c l n d 2 ( 1 5 ) 其中，卢、b 、c 为常数，瓦为延脆转变温度( ) 。 有文献报道，当钢铁材料的晶粒尺寸达到o 1g m 以下时，应力集中消 失、变形均匀，可望达到钢铁材料的理想强度，同时材料表现出很高的韧 度【酊。因此，细化晶粒一直是钢铁材料领域的主要研究方向之一。 1 3 钢铁组织超细化技术研究现状 目前细化晶粒的方法有多种，但如何低成本地制备出致密的、大尺寸 的超细晶粒u f g ( u l t r a - f i n eg r a i n ) 和纳米晶粒n g ( n a n o g r a i l l ) 结构材料是 这类材料能否得到工程应用的技术关键问题，也是表征这类材料的结构与 燕山大学工学硕士学位论文 性能之间本征关系所急待解决的科学问题1 9 1 。新一代钢铁材料的主要制备技 术思路之一就是细化晶粒。而关于“超细晶”l i f o 尺寸范围的认定也有一 个发展的过程，在2 0 世纪6 0 年代，尺寸小于1 0 岫的细晶被认为是超细 晶组织，而目前认为尺寸小于4 肛m 的细晶才是超细晶组织。因此，可将钢 铁材料的组织超细化等级按晶粒尺寸大致分为微米级超细晶 ( m i c r o g r a i n ) ，其晶粒尺寸范围为l - 4u m ；亚微米超细晶，其晶粒尺寸为 d 1 ，代入 可得： f = i i + k d 一1 7 2 其中 f = f + f 式中：f 为热运动分量，属于短程阻力，l 为长程阻力。 气2 + f 。o 式中：为位错阻力，l 。为其它晶体缺陷阻力。 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 对于长程位错阻力， l u p = 硒b d 、” 其中，口= o 1 1 0 ，g 为金属弹性模数，b 为位错柏氏矢量。则： f = ( f 竹+ a g b p l7 2 ) + 材“2 ( 1 1 0 ) 由此可见，晶界的主要作用是阻塞位错运动，晶粒越细，晶界越多， 阻塞位错滑移的作用越大，结果使钢铁材料的屈服强度升高。 1 5 3 晶粒细化强化 纳米晶粒和超细晶粒钢板在常温条件下其强韧性随着晶粒尺寸的减小 而增加，h a l l p e l c h 公式给出了晶粒尺寸与强度的关系，式中参数c r n 文献【7 】 中作如下表述： o r o = 盯，+ 0 0 + 盯p + 仃d + 盯封+ 盯r ( 1 - 1 1 ) 式中：o r ，为内摩擦力( 晶格阻力) ，盯，为固溶强化项，盯。为沉淀强化项， 为林位错项，仃。为亚结构( 亚晶) 强化，口，为晶体织构强化。 公式( 1 1 ) 中斜率k 反映的是晶界对位错运动的阻碍作用，在形变过程 中，晶界特性将受到诸多因素的影响，如溶质原子浓度、种类、第二项粒 子与晶界的交互作用。因此，纳米晶粒钢铁材料的强化必将与固溶、沉淀 和位错强化行为相关。 研究表明，当钢铁材料晶粒进入微米、亚微米甚至纳米尺寸时，表现 出与粗晶材料有很大的差别。在微观组织方面，位错运动平均自由程减小， 晶界、相界对材料性能的影响比粗晶条件下更为显著。超细晶条件下，间 隙原子的固溶强化和第二相的沉淀强化也可能发生一些变化。 影响钢板抗拉强度的主要因素中包括钢板晶粒大小及其取向，晶粒越 细，单位体积中的晶粒数便愈多，变形时同样的变形量便可分散在更多的 晶粒中发生，不致造成局部应力，推迟裂纹的产生和发展，钢板在断裂前 要消耗大量的功；晶粒越细，晶界总面积越大，需要协调的具有不同位向 的晶粒越多，由于各相邻晶粒之间存在位向差，当一个晶粒发生塑性变形 时，周围的晶粒如不发生塑性变形，则必须以弹性变形来与之协调，这种 弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力，由于晶粒间的这种相互约束， 使得钢板的抗拉强度提高。 1 8 第1 章绪论 1 5 4 非平衡晶界结构 许多透射电镜观察表明，晶界不仅是位错滑移传播的障碍，并且对塑 性变形产生影响。在宏观屈服区之前，晶界是点阵位错地主源。在宏观变 形的初始阶段，点阵位错主要受制于晶界，形成特别的晶界缺陷称为非固 有晶界位错( e x t r i n s i cg r a i n - b o u n d a r yd i s l o e a t i o n - e g b 聊，包括这些缺陷的非 平衡晶界产生长程内应力对材料的变形行为产生了重大影响【7 6 1 。在文献 7 7 】 中，作者采用了位错塞积理论，但塞积群长度等于晶粒直径，位错产生于 一些取向占优势的晶界处，滑动过整个晶界，在另一边晶粒晶界产生位错 塞积。当外加应力足够大，推动领先位错滑过晶界，滑移传播至邻近晶粒 中，随应变增加，e g b d 在晶界上形成，成为一种非平衡结构，产生长程 应力。这种长程应力的位错塞积结构引起应力集中因子的变化，也影响了 h a l l - p e t e h 参数。 文献 7 6 】中把晶界的非平衡结构分为三类：( 1 ) t r i p l e l i n ed i s c l i n a t i o n d i p o l e s ；( 2 ) 柏氏矢量垂直于晶界平面的e g b d 的无序组态；( 3 ) 柏氏矢量与 晶界平面相切的e g b d 位错组态。经过理论推导，对t r i p l e 1 i n e d i s c l i n a t i o n d i p o l e s ：当a = o 5 d 时，d i s e l i n a t i o nd i p o l e s 位于t r i o l el i n e 上，则 告= 去+ 1 2 0 ) c r o s 矿( i - 1 2 ) j l 。t ，d s 1 “ _ ：譬+ 譬+ 型掣一2 f 分：t a n ( 1 - 1 3 ) _ 2 瓦+ 百+ 亍一7 咭厂蚀尹 其中，式( 1 - 8 ) 的后三项远远小于第一项，可以近似为1 i = 詈，从而得： “l f ：一2 d o 而”c o s + ( 2 d b r l ) 1 ，2 d “( 1 - 1 4 ) ( 2 d d t i a t f 2 一币一+ j - 。 式中：d 是晶粒直