（材料加工工程专业论文）高强if钢再结晶温度的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 钢是第三代深冲钢的代表，具有优越的深冲性能，目前，已经被广泛应 用于汽车工业。为了实现汽车的减重和提高安全性，开发了抗拉强度大于 3 5 0 m p a 的高强珲钢。在高强球钢的生产中，要经过热轧、冷轧、再结晶退火 等工序。其中再结晶退火是一个关键的生产环节，直接影响成品板的最终性能。 为确定合理的再结晶退火工艺，首先需要了解高强匹钢的再结晶温度。 本文比较了现有测定再结晶温度的退火试验方法和硬度分析方法，采用盐 浴炉退火法和表面洛氏硬度分析法测定了六种取自冷轧带钢的试验用钢( 第一 组) 和七种自制的不同工艺条件的试验用钢( 第二组) 的再结晶温度。在第一 组的试验中采用两次盐浴炉退火试验，测得两组再结晶条件( 包括退火温度和 相应的等温退火时间) ，根据a r r h e n i u s 关系式算出再结晶激活能q ，从而预报 试验用钢在任意短时条件下的再结晶温度。并将预报结果与另一组再结晶条件 测得的结果比较，验证了上述方法的可行性。试验结果表明，影响高强i f 钢和 b h 钢再结晶温度的主要因素分别是固溶n b 、t i 含量和b 含量。在第二组钢的 试验中，为了考察微合金元素n b 、t i 含量和冷轧压下率对高强球钢组织性能 的影响，采购了c 、n 、s 和n b 、t i 含量都很低的原料纯铁，炼制了包括基准 样的5 个不同t i 、n b 含量的钢锭。进行了热锻、热轧、酸洗、冷轧等一系列加 工处理。在热轧试验中采用a n s y s 有限元分析软件计算了水冷过程的冷却时 间，用来保证预定的终冷温度。基准样被热轧成不同的三个厚度，用来考察冷 轧压下率对再结晶温度的影响。一系列盐浴炉试验和硬度试验结果表明，n b 、 t i 含量较低的试样的5 0 软化和发生完全软化的再结晶温度较低，在本试验条 件下达到i f 钢成分要求的另两种试样的再结晶温度无明显差别。冷轧压下率越 大，发生完全软化的再结晶温度越低；不同冷轧压下率条件下的5 0 软化的再 结晶温度基本相同。 关键词：高强i f 钢，退火，再结晶温度，盐浴炉，微合金元素，冷轧压下率 v 上海大学硕士学位论文 a bs t r a c t i fs t e e l ，a st h et h i r dg e n e r a t i o no fd e e pd r a w i n gs t e e l ，h a sg o o dd e e p d r a w i n g p r o p e r t ya n di sw i d e l yu s e di na u t o m o b i l ei n d u s t r yn o w i no r d e rt or e d u c et h e w e i g h to ft h ec a ra n di m p r o v es e c u r i t y , t h eh i 曲s t r e n g t hi fs t e e lw h o s et e n s i l e s t r e n g t hi sg r e a t e rt h a n35 0 m p aw a sd e v e l o p e d t h ep r o c e s sf o ri fs t e e lp r o d u c t i o n i n c l u d e sh o t - r o l l i n g ，c o l d r o l l i n g ，a n n e a l i n ga n ds oo n a n n e a l i n gi sa ni m p o r t a n t w o r k i n gp r o c e d u r e i td i r e c t l ya f f e c t st h ef i n a l l yp r o p e r t i e so ff i n i s h e dp r o d u c t i n o r d e rt om a k et h es u i t a b l er e c r y s t a l l i z a t i o na n n e a l i n gp r o c e s s ，t h er e c r y s t a l l i z a t i o n t e m p e r a t u r es h o u l db em e a s u r e d i nt h et h e s i s ，t h ed i f f e r e n c e so ft h em e t h o d st om e a s u r er e c r y s t a l l i z a t i o n t e m p e r a t u r eb ya n n e a l i n ga n dt h em e t h o d so fh a r d n e s sa n a l y s i sa r ec o m p a r e d t h e r e c r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r eo fs i x t e s ts t e e l s ( t h ef i r s t g r o u p ) g e t t i n gf r o m c o l d r o l l i n gs h e e ts t e e l sa n ds e v e nt e s ts t e e l s ( t h es e c o n dg r o u p ) s m e l t e di nd i f f e r e n t c o n d i t i o n sb yo u r s e l v e sa r em e a s u r e db ya n n e a l i n gi ns a l tb a t ha n dr o c k w e l ls u r f a c e h a r d n e s sa n a l y t i c a lm e t h o d i nt h es t u d yo ft h ef i r s tg r o u p ，t w or e c r y s t a l l i z a t i o n c o n d i t i o n sa r em e a s u r e db yt w oa n n e a l i n ge x p e r i m e n t si ns a l tb a t h a c c o r d i n gt ot h e a r r h e n i u sf o r m u l at h er e c r y s t a l l i z a t i o na c t i v a t i o ne n e r g yi s c a l c u l a t e d ，a n dt h e r e c r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r ea ts h o r tt i m ei sd e f i n e d a c c o r d i n gt oc o m p a r et h e r e s u l t sf o r e c a s t e db e f o r ea n dt e s t e di na n o t h e rr e c r y s t a l l i z a t i o nc o n d i t i o n , t h em e t h o d t of o r e c a s tt h er e c r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r ea ts h o r tt i m ei sp r o v e d t h er e s u l to f s t u d ys h o w e dt h a tt h em a i nf a c t o r st oa f f e c tt h er e c r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r eo fh i g h s t r e n g t hi fs t e e la n db h s t e e la r et h ec o n t a i n so fn b ，t ia n db r e s p e c t i v e l y i nt h es t u d yo ft h es e c o n dg r o u p ，i no r d e rt or e s e a r c ht h ee f f e c to fd i f f e r e n t c o n t a i n so fn b ，t ia n dc o l dr o l l i n gr e d u c t i o no ns t r u c t u r ep r o p e r t yo fh i g hs t r e n g t h i fs t e e l ，t h er a wi r o nc o n t a i n i n gaf e wc ，n ，s ，n ba n dt ii sb o u g h ta n df i v es t e e l i n g o t si n c l u d i n gs t a n d a r ds a m p l ea r es m e l t e d t h e s ef i v es t e e li n g o t sh a v ed i f f e r e n t c o n t a i n so f n ba n d t i t h e nas e r i e so f p r o c e s si n c l u d eh o tf o r g i n g ，h o tr o l l i n g ，a c i d v i 上海大学硕士学位论文 w a s h i n g ，c o l dr o l l i n ga r ec a r r i e do u t i nt h ep r o c e s so f h o tr o l l i n g , t h ew a t e r - c o o l i n g t i m ei sc a l c u l a t e db ya n s y sf i n i t ed e m e n ta n a l y s i st o 勰吼l r et h er e q u i r e df i n a l c o o l i n gt e m p e r a t u r e t h es t a n d a r ds a m p l ei sh o tr o l l e dt ot h r e ed i f f e r e n tt h i c k n e s s e s t os t u d yt h ee f f e c to fd i f f e r e n tc o l dr o l l i n gr e d u c t i o no nr e e r y s t a l l i z a t i o n as e r i e so f s t u d ys h o w e dt h a tt h e5 0 a n d10 0 s o i l e dr e c r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r eo ft h e s a m p l e sh a v i n gl o wc o n t a i n so fn ba n dt ii s l o w e ra n dt h er e c r y s t a l l i z a t i o n t e m p e r a t u r eo fa n o t h e rt w os a m p l e sw h o s ec o m p o s i t i o nr e a c h e dt h ec o n d i t i o ni f s t e e lr e q u i r e da r ea l m o s tt h es a m e w h e nt h ec o l dr o l l i n gr e d u c t i o ni sh i l 曲e r , t h e 10 0 s o i l e d r e c r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r e i sl o w e ra n dt h e5 0 s o r t e d r e c r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r ei sa l m o s tt h e $ a l t l e k e y w o r d s ：h i g hs t r e n g t hi fs t e e l ，a n n e a l i n g , r e e r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r e ，s a l t b a t h , m i c r oa l l o yd e m e n t s ，c o l dr o l l i n gr e d u c t i o n v i i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：簿蠢是 日期：鼍塑：i ! 尘 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：主生选薹导师签名：律太垫日期：望量! 。! 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 汽车板及生产技术的发展是随着汽车工业和冶金技术的发展而发展的，而 汽车工业的发展除了其自身技术的发展外，还受到环保、碰撞和腐蚀等法规的 制约。这些法规直接促使了汽车业积极研制环境友好和更加安全的汽车。目前， 各工业大国都在积极开发和使用新型汽车原料，以减轻汽车质量、降低燃油消 耗、提高结构强度、改善n v h ( 噪声、振动、冲击) 指标，这已经成为围绕节 能、安全、环保当今汽车工业3 大主题发展现代汽车工业的大势所趋【1 3 】。环境 友好型汽车的重要标志是油耗低、排放少，而降低油耗、减少排放的重要措施 就是减轻车体的重量，于是这对汽车用材提出了更高的要求。为了满足上述的 要求，现在汽车用钢板的发展趋势是高强化和表面处理化。 2 0 世纪9 0 年代以来，i f 钢板作为第三代冲压用钢已经被广泛应用于汽车 工业，正钢的典型性能特点是无时效和具有良好的深冲性能，其成分和生产工 艺特点是超低c 和n ( 3 0 1 0 巧以下) 和大的冷轧压下率等。与此同时，为 了实现汽车的减重或提高安全性，开发了抗拉强度大于3 5 0 m p a 的高强伍钢， 其主要强化方法是析出强化加固溶强化，主要添加元素有t i 、n b 及p 、m n 、 s i 、c u 等。 1 1i f 钢的概况 1 1 1if 钢的介绍 i f 钢( i n t e r s t i t i a la t o mf r e es t e e l ) 即无间隙原子钢也称为微合金化超深冲钢， 是继第一代深冲钢普通沸腾钢和第二代深冲钢低碳铝镇静钢后的第三代深冲 钢，具有优越的深冲性能。通常钢中添加元素的原子以间隙和固溶两种方式溶 入钢的晶格点阵中。形成间隙固溶时，间隙原子必须比铁原子体积小，因此它们在 铁原子之间比较易移动，同时在钢中铁原子分布有较多的晶格缺陷一位错，间隙 原子较易集中在这些位置。当钢发生变形时，铁原子会由于应力的作用发生位移， 同时位错也会发生运动。如果位错处有间隙原子，就需要很大的能量才会发生移 上海大学硕士学位论文 动，与没有间隙原子处的位错运动相比，变形较小，造成不均匀变形，使钢的塑性降 低。现代冶炼技术可以使钢中的间隙原子c 、n 降低到超低水平，c 3 0x 1 0 6 , n 3 0x1 0 - 6 再加微量t i 或t i n b 来固定钢中残留c 和n ，即可生产出i f 钢。 由于i f 钢没有间隙原子，因此具有优异的深冲性能和菲时效性【4 】。 近年来在对职钢的研究中发现，略微增加m n 、p 、s i 等元素的含量可以提 高钢的机械性能，同时保持环钢的良好的成型性能。t i 、n b 和b 也具有提 高i f 钢强度的作用【5 1 。高强i f 钢是通过适当添加p 、s i 、m n 等元素进行固溶 强化以提高强度，其中p 是强化效果好、价格又低廉的添加元素，但其含量较高时， 超低碳有发生冷加工脆性的倾向，原因是p 容易在晶界发生偏析使晶界脆化，解 决方法是加入b ，它将在晶界处快速偏析而引起强化，同时抑制p 的晶界偏析【6 】。 球钢性能高度稳定，性能参数分散度小，屈强比低，塑性应变比r 值及加工硬 化指数n 值高。球钢优异的深冲性能主要来源于其具有( 1 11 ) 织构【7 8 】。 1 1 2if 钢的发展 1 9 4 9 年由c o m s t o c k 等人提出i f 钢的特点是含碳量很低，加入t i 和n b 之后， 形成t i 和n b 的c 、n 化合物，由于钢中无间隙原子，而使其具有优越的深冲性能。 由于受当时冶炼水平的限制，钢中c 、n 含量较高，须加入的t i 较多，而且t i 价格 昂贵，因此，在生产中受到了限制【5 】。 2 0 世纪6 0 年代，由于真空脱气技术在冶金生产中的应用，钢中c 含量可以降 低到0 0 1 以下，于是商用t i i f 钢面世，同时n b 在改善深冲性能方面的作用也 被发现和应用。那时，几乎所有汽车钢板都是通过罩式退火生产【5 9 】。 约在1 9 7 2 年，n i p p o ns t e e lc o ，和n k k 分别开发了用于汽车板生产的连续 退火机组，球钢在连续退火后具有良好的深冲性能。 约在1 9 7 9 年，连续热镀锌首次用来生产防腐汽车板，从而球钢大量生产。 在八十年代，冶金生产技术得到进一步发展，采用底吹转炉和改进的r i - i 处理可以经济地生产出c 2 0 p p m 的超低碳钢，r h 处理时间缩短到1 0 - - 2 5 m i n ， 从而导致由传统的i f 钢转变为现代球钢。 八十年代以来，i f 钢在国际范围内取得了飞速发展。此时i f 钢的使用范围 2 上海大学硕士学位论文 不再是只用于少数难冲件的格局，已经可以满足汽车用钢板所提出的各种性能 要求，如深冲性、高强度、防腐性、b h 型。 目前在i f 钢中添加适量的m n 、p 、s i 等元素，可以提高钢的强度，生 产高强正钢，高强硬钢板可以满足汽车制造对高强度和良好成型性的要求。 由于高强度钢板的采用，汽车用钢板的厚度减薄，从而对钢板的防腐性能提出更 高要求，促进了高强度表面处理钢板的发展，尤其是热镀锌板。将钢的超深冲、 合金元素的固溶强化和热镀锌的耐腐蚀性三者结合在一起，使强度、深冲性、耐 腐蚀性达到较好匹配，是汽车用钢板的理想材料【9 - 1 1 1 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 从近十年汽车板的发展来看，主要围绕超深冲成形性、防腐蚀性能和开发高 强钢板。解决超深冲成形性主要通过降碳和提高钢纯净度。近几年来，钢中含碳 量的国际先进水平已降到20x1 0 4 1 0 x1 0 4 。 目前，世界许多大钢铁公司都对球钢进行了研究和开发。例如，日本的川 崎、新日铁：美国的a r m c o 、i n l a n d ；德国的t h y s s e n 、h o e s c h 等。研究的主要内 容有：i f 钢化学成分、轧制工艺、退火制度对深冲性能的影响，织构形成机理、 强化机理、析出物形态、加工脆性、相变机理等，计算机模拟钢加工过程的 性能及织构这些研究工作对球钢生产具有重要的指导作用。i f 钢的织构是影 响深冲性能的重要因素，m a r t h a 、p a t r i c i a 通过一系列的热轧试验研究了不同工艺 参数下热轧织构特点。 低碳钢铁素体区热轧或称相变控制热轧正逐渐被用来生产超薄钢板以替代 传统的冷轧退火工艺。铁素体区热轧与冷轧工艺相比较，提高了生产效率、降低 了能耗、提高了产品的表面质量【1 2 】。传统热轧工艺和铁素体区轧制工艺的比较 见图1 1 所示。t a k e h i d es e n u m a 在研究轧制退火工艺过程中织构的形成时，进行 了q 区和y 区热轧对比，发现经同样的后续冷轧和退火，q 区的热轧板比y 区热 轧板r 值高出了1 5 ，并且在板中部形成了更有利于深冲性能的再结晶织构。因此， 3 上海大学硕士学位论文 经不同温度轧制并退火处理后，i f 钢的再结晶行为，受轧制温度影响很小【1 3 】。 ，传缓工艺t 鬟= i = 芑 多l l l f t 缀l 搬轧 亳氏体绣 之皇 威贰月 髫取翔再飞 一j y 图卜1传统热轧工艺和和新工艺 美国内陆公司成功开发了超低碳烘烤硬化口钢板。简称b h ( b a k e h a r d e n a b l es t e e l ) 钢板，是兼有优良深冲性能和高烘烤性能的优质汽车用薄板， 其特点是冲压成型前强度较低，易进行成型加工，冲压成型后在烘烤过程中屈服强 度增加。b h 钢板不影响成型件形状的稳定性，而且提高了抗凹陷性，有利于汽车外 板减薄。b h 钢板的强化是通过固溶强化来实现的，在涂漆烘烤过程中，钢中固溶的 c 、n 原子对冲压成型时产生的形变诱发位错起钉扎作用，使屈服强度提高约 4 0 m p a 。同时，国外还开发了含c u 高强度i f 钢板，通过添加c u 并采用合适的退火制 度，获得高r 值的强度达5 9 0 m p a 的高强度深冲钢板【5 】。 1 2 2 国内研究现状 我国对i f 钢的研究，北京科技大学起步较早，为提高i f 钢的深冲性能王先进教 授发明了w - c 法，即预先形成织构，然后再经过冷轧和退火，发展有利织构，使深冲 性能得到明显提高，r 值达3 2 5 ，并获得了专利。北京钢铁研究总院也对高r 值进行 了研究。宝钢、武钢、和鞍钢等大钢铁企业也都进行生产试验和研究。一般认为 随冷轧压下率的增大，r 值增加。河北理工学院刘占英教授通过冷轧t i i f 钢试验， 发现冷轧压下率在7 5 8 0 时，r 值有最大值，如果继续增大r 值反而下降，并对 这一现象进行了解释【1 4 1 。刘教授还通过试验，得到两次冷轧和退火可使r 值达2 8 4 上海大学硕士学位论文 以上，并对两次冷轧压下率的分配进行了试验研究。并得出结论：在总压下率一定 的情况下，第一次冷轧压下较小，第二次冷轧压下率较大，可使r 值提高，反之则不能 提高。 我国汽车板生产已初具规模，已经能够生产全部普通强度 1 8 0m p a 的c q 级， 冲压d q 级和深冲d d q 级，并试制了e d d q 和s e d d q 级i f 钢汽车板及一些高强 b h 钢，含磷r p 钢等。 我国的薄板坯连铸连轧生产线属世界领先水平。目前我国已有7 条薄板坯连 铸连轧生产线投入生产。在这些薄板坯连铸连轧生产线上，采用铁素体区热轧，生 产薄规格的热轧带钢，实现“以热代冷 ，深冲钢生产将会取得显著的经济效益和 社会效益，同时也会使我国的i f 钢生产提高到新的生产水平【1 5 , 1 6 。 1 3 高强度i f 钢的生产工艺 i f 钢的生产工艺流程为转炉冶炼一i m 真空脱气一连铸一热轧一冷轧一退 火一平整。生产过程的每一步工序，都对钢的性能产生影响。为了获得优异 的深冲性能，应特别掌握下列三个关键因素【1 7 】： ( 1 ) 发展强的( 1 1 1 ) 退火织构，以获得高的深冲性能； ( 2 ) 获得足够租大的均匀的铁素体晶粒，以获得低的0s 0b 和高的加工硬化指 数n ； ( 3 ) 控制第二相粒子( 碳、氮化物) 的析出，以控制时效效应，改善塑性。 1 3 1 冶炼技术 钢成分设计的基本思想是将钢中间隙固溶的c 、n 原子完全消除。为获 得钢成品钢材的高延展性、高r 值以及优良的表面性能，要求钢中碳、氮、全 氧及夹杂物的含量尽可能低。大量研究表明：i f 钢中的碳、氮含量和微合金元素 含量对钢的性能有至关重要的影响，现在先进的炼钢工艺已把钢中的碳氮含量 降低到3 0 1 0 击以下。通过热力学分析和对析出物的t e m 分析表明，由于碳硫 析出物的存在，s 在固定c 原子方面起到了积极的作用，据此，保持钢中适度的s c 比，可充分发挥s 的作用，以形成有利的能固定c 的产物 1 8 , 1 9 。 5 上海大学硕士学位论文 ( 1 ) 砸钢的冶炼成分控制 正钢根据各企业在冶炼、连铸、轧钢过程及钢中的其他元素控制标准而定。 典型的i f 钢成分见表1 1 【1 7 1 。 表l - li f 钢的典型成分( ) 项目 cs im npsh lt i0n 企业 0 i - 0 2 0 标准0 0 0 3 0 0 30 0 0 60 0 0 7 内控0 1 - 0 。2 0 0 0 0 30 0 2 0 0 0 60 0 0 7 目标 0 1 5 0 0 0 30 0 20 0 0 50 0 0 5 0 - 0 0 50 - 0 0 8 0 - 0 0 40 一o 0 8 0 0 30 0 6 0 0 0 3 0 0 0 0 3 0 0 0 0 2 5 0 0 0 4 0 0 0 4 0 0 0 3 ( 2 ) 冶炼工艺路线 i f 钢的典型冶炼工艺路线为：铁水预处理脱硫一复吹转炉一r h t b 精炼一 板坯连铸。铁水脱硫，采用喷吹金属镁粉粒和钝化的活性石灰对铁水进行脱硫， 要求处理后入转炉的铁水中s o 0 0 3 。复吹转炉冶炼采用精料废钢和活性石 灰( 硫的质量分数o 0 4 0 ) 冶炼，冶炼全程底吹氩气，钢包内预加活性石灰，出钢 过程不脱氧，只进行锰合金化处理，采用无碳包衬的钢包盛装钢水。对复吹转炉冶 炼的粗钢成分要求见表1 2 。 表1 - 2 复吹转炉冶炼粗钢成分要求( ) ( 3 ) r h t b 真空精炼 二次精炼是近年来发展和普及的一项冶炼新技术。由转炉或电弧炉冶炼的 钢水再在钢包中进行以调温、脱气、去夹杂、变性处理、成分微调及均匀化为 目的第二次冶炼，称为精炼，或叫二次冶金。随着钢铁生产装备的不断进步，提供 了生产“洁净钢的可能性。通常采用顶吹氧循环式真空脱气方法( r h 厂r b ) 【2 0 2 1 】 精炼i f 钢。通过该技术，可以使钢中的有害元素及夹杂得以控制和去除，提高钢 的纯净度，确保钢中的成分得到有效控制。i f 钢冲压时，在外力作用下，间隙原子 6 上海大学硕士学位论文 或夹杂周围是微空洞有可能合并、长大以至断裂。所以，礤钢精炼工序的任务是 钢水的洁净化、夹杂物的形态控制，偏析控制的最优化以及微合金化和成分微 调。研究表明，i f 钢冷轧板表面缺陷是由夹杂物引起的，夹杂物为s i 0 2 、a 1 2 0 3 、 m g o 、n a 2 0 、k 2 0 系的复杂氧化物，其来源很可能是中间包覆盖渣与浸入式水1 ：3 内堵塞物的结合物。在轧制过程中，夹杂物的脆性部分被碾碎，呈颗粒状零散分布； 塑性部分被碾平，不均匀地分布在铁基体表面上。所以，二次精炼技术对于礤钢 是必要的。同时在二次精炼时对成分进行控制： 1 脱 c 】。 采用6 级8 个泵连续抽真空，真空压力可达o 1k p a 以下，钢水循环量为 1 3 0 t m i n 。r h t b 处理i f 钢时，采取轻处理和深度处理相结合的真空精炼处理方 法，即钢水到r h 真空精炼之后，先采用大泵抽真空，当真空度达到1 2k p a 后连续 对钢水处理1 3 1 5m i n 。之后采取进一步降低真空度( 0 1k p a ) ，降低p c o 分压，加 强钢液循环等措施进行深度脱碳。完成脱碳脱氧任务后，再进行脱氧及钛合金 化。 2 i n 】的控制。 进行全程保护，防止处理过程增 n 是伍钢冶炼过程中 n 】控制的有效手段。 3 严格控制合金元素含量【2 2 2 4 1 。 球钢的碳氮含量很低，通常在钢中加入的合金元素主要为t i 和n b ，t i 和n b 与碳氮结合成碳氮化物，以第二相粒子的形式析出，使钢成为无间隙原子状态，提 高了钢的深冲性能。但如果钢中的合金元素过多，不仅增加成本而且还使固溶的 钛( 或铌) 量增多，再结晶温度升高，对产品的性能不利。因此冶炼时应注意适当控 制合金元素的添加量，对于加钛巧钢，过剩钛含量以0 0 2 - 4 ) 0 4 为宜；n b + t i 复 合处理的i f 钢，过剩铌以 0 0 2 为宜。 1 3 2 热轧工艺 热轧板的组织和析出物的形态对钢最终性能有很大的影响。热轧得到粗 大均匀的铁素体组织和粗大的析出物，有利于r 值和塑性的提高；细小弥散的析出 物阻碍再结晶和晶粒的长大，对r 值不利。当成分不变时，热轧板的组织和析出物 7 上海大学硕士学位论文 的形貌取决于热轧参数，低的板坯加热温度、高温终轧、终轧后快冷、增大热轧 压下率、增大变形速率、高温卷取等都有利于提高巧钢的深冲性能。 ( 1 ) 板坯加热温度及加热速度 为了获得粗大的第二相质点，在加热时应防止其溶解，因此加热温度不宜过 高。所以在保证终轧温度的前提下，加热温度应尽量低，一般应在1 0 5 0 - - 1 2 0 0 c 之 间。由于i f 钢属于超低碳钢，导热性较好，允许采用较快的加热速度进行加热，一 般加热速度应控制在1 3m i n m m 之间。 ( 2 ) 热轧 在奥氏体区变形时，随变形温度的降低流变应力增加，而在两相区变形时，随 变形温度的降低流变应力降低。t i 钢的铁素体动态再结晶受变形温度的影响 最大，在铁素体变形高温区可以发生动态再结晶，铁素体区变形高温区域的变形 抗力显著降低。正钢在奥氏体再结晶区热轧时，其道次变形量不能太小( 2 。在这样的 应力状态下，几乎所有的金属材料都能产生塑性变形。因此，这种试验方法不 仅可测定塑性金属材料的硬度，也可测定沾火钢、硬质合金甚至陶瓷等脆性材 料的硬度。压入硬度试验方法又分为布氏硬度、维氏硬度、洛氏硬度等。 布氏硬度试验时一般采用直径较大的压头，因而所得压痕面积较大。压痕 面积大的一个优点是其硬度值能反映金属在较大范围内各组成相的平均性能， 而不受个别组成相及微小不均匀性的影响。因此，布氏硬度试验特别适合用于 测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或组成相的金属材料的硬度。压痕较大 的另一个优点是试验数据稳定，重复性强。布氏硬度试验的缺点是对不同材料 需要更换压头直径和改变试验力，压痕直径的测量也较麻烦，因而用于自动检 1 4 上海大学硕士学位论文 查时受到限制；当压痕直径较大时不宜在成品上进行试验。 维氏硬度硬度试验的优点是不存在布氏硬度试验时要求试验力f 与压头直 径d 之间所规定条件的约束，也不存在洛氏硬度试验时不同标尺的硬度值无法 统一的弊端。维氏硬度试验时不仅试验力可以任意选取，而且压痕测量的精度 较高，硬度值较为精确。唯一的缺点是硬度值需要通过测量压痕对角线长度后 才能进行计算或查表，因此，工作效率比洛氏硬度法低得多。 洛氏硬度试验的优点是操作简便、迅速，硬度可直接读出；压痕较小，可 以在工件上进行试验；采用不同标尺可以测定各种软硬不同的金属和厚薄不一 的试样的硬度，因而广泛用于热处理质量检验。其缺点是压痕较小，代表性差； 若材料中有偏析及组织不均匀等缺陷，则所测硬度值重复性差，分散度大；此 外，用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接比较。由于洛氏硬度试 验所用试验力较大，不能用来测定极薄试样、渗氮层及金属镀层等的硬度，因 此，人们应用洛氏硬度试验的原理，提出了表面洛氏硬度试验方法，两者的检 测原理完全相同【4 0 1 。 由于本试验中的钢板比较薄，测量硬度时候的检测力不易过大，所以选用 表面洛氏硬度测量方法。 一般情况下，将原始试样和完全软化试样的硬度差定义为1 0 0 ，则当硬 度降低5 0 时就定义为再结晶的条件( 即再结晶温度或再结晶时间) 。把测得 硬度值和试验条件联系起来，找出硬度下降到总硬度下降量的5 0 对应的点， 就是高强i f 钢再结晶的温度点或时间点。 2 3 金相试验方法 本研究通过磨出退火处理后试样的晶相，观察其再结晶情况，来验证上面 试验得到的再结晶温度。 为了在光学显微镜下分析研究金属材料的显微组织，必须将金属材料制成 一定形状和尺寸的试样。通常总是把金属( 原材料、成品或零件) 所需要分析 的部分切取下来，制成金相试样。金相试样的制备一般分为取样、镶嵌、磨光、 抛光和浸蚀五个步骤 4 l 】。 上海大学硕士学位论文 ( 1 ) 取样 金相试样往往只是整个金属材料的一小部分，在取样时要注意两个问题： 一是方便制备，二是有代表性。所谓有代表性，就是要注意化学成分和加工处 理状态的均匀性。对铸锭和铸件，应考虑冷凝过程中不可避免的偏析现象；对 表面化学热处理后的金属材料，则必须从表面到心部组织发生变化的部位j 对 有缺陷的金属材料，则应抓住关键部位取样。 取样截取方法视材料的性质不同而异，但均应保证不使被观察面的组织发 生变化。对软金属，可用手锯或锯床切割；对硬而脆的材料可用锤击方式；对 极硬的材料，则可采用砂轮切片或电火花切割机；在大工件上取样，可用氧气 切割等等。 本试验试验中取样原则是按照轧制方向剪取一个长方形小金属片。 ( 2 ) 镶嵌 如果试样大小合适，便于用手握持磨制，则无须镶嵌。对于尺寸过小的金 属丝、片、管和不规则形状物，以及有特殊要求的试样，必须先将其镶嵌起来 再磨制。本试验中因试样为小金属片，所以需要镶嵌。镶嵌的方法很多，如低 熔点合金镶嵌，电木粉或塑料镶嵌和机械夹持等，本试验使用电木粉镶嵌。使 用该方法时，应注意镶嵌机的温度和压力对组织的影响。 ( 3 ) 磨制 磨制是为了得到平整的磨面，为抛光做准备。一般磨制过程分粗磨和细磨。 粗磨：粗磨一般在砂轮机上进行。对很软的材料，可用锉刀锉平。砂轮粗磨 应利用砂轮的侧面，并使试样沿砂轮径向作往复缓慢移动，施加压力要适度、 均匀。在磨制过程中要不断用水冷却试样以防止由于温度升高造成试样内部组 织变化。最后，将试样倒角，以免细磨及抛光时划破砂纸或抛光布。但对需要 观察表层组织的试样，不能倒角。 细磨：粗磨后的试样表面仍有较深的磨痕，需进行细磨。用手握持试样，在 金相纸上单方向推移磨制，拉回时提起试样，使之脱离砂纸。我国金相纸按粗 细分为粗砂纸、1 号、o 号、0 1 号、0 2 号、0 3 号、0 4 号等几种。细磨时，一次 从o l 号磨至0 4 号；每换细一级砂纸时，应先将试样清洗干净，以免把粗砂粒 1 6 上海大学硕士学位论文 带到下一级砂纸上去，再将试样的磨制方向调转9 0 。，即磨制方向与上一道磨 痕方向垂直，以便观察上一道磨痕是否全部消除。 ( 4 ) 抛光 抛光的目的是去除细磨后留下的细微磨痕，使磨面呈光亮镜面。抛光常用 的方法有：机械抛光、电解抛光和化学抛光等。本试验采用机械抛光。 机械抛光使磨面和抛光微粉( 磨料) 之间相对机械作用而使磨面成为光滑 平整的镜面的过程。在抛光过程中首先将抛光布覆盖在可旋转的圆盘上，并在 抛光时不断注入磨料( 本试验使用金钢石抛光膏) ，磨料短时间内停留在抛光布 的间隙内，和试样表面产生相对的机械作用。磨料通常为金属氧化物，常用的 有c r 2 0 3 ，a 1 2 0 3 ，f e o ，m g o 等。钢铁试样一般都用c r 2 0 3 进行抛光。抛光布 在抛光时不仅起储存磨料的作用，同时织物的纤维绒毛也与试样产生机械摩擦， 因此要求抛光布纤维柔软，坚韧耐磨。常用的抛光布可分为厚绒毛织物，短绒 毛织物和无绒毛织物。钢铁试样一般采用毛呢作抛光布。 ( 5 ) 浸蚀 抛光后的试样在显微镜下只能观察到一片亮光，必须经过适当的浸蚀后才 能把组织显示出来。由于浸蚀都是依靠各种化学试剂进行的，所以称为化学浸 蚀。不同金属材料可采用不同的化学浸蚀剂，但其原理都是一样的，就是利用 磨面上不同区域在化学浸蚀剂内的腐蚀速度不同，使抛光后光滑平整的试样表 面因各个不跟性质不同而腐蚀成凹凸不平的表面，在显微镜下显示出不同的形 象。 浸蚀试样有浸入法和擦拭法两种。浸入法是将磨面浸入浸蚀剂的器皿中， 并不断摇晃试样以清除表面产生的汽泡；擦拭法是用沾有浸蚀剂的棉花轻轻擦 拭磨面，不断擦去腐蚀产物，并使新鲜浸蚀剂不断与磨面作用。浸蚀的深浅可 根据组织特点和观察时的放大倍数来确定，一般浸蚀到试样磨面稍发暗即可。 如果浸蚀过重，应重新抛光，再浸蚀。浸蚀后立即用清水冲洗，必要时再用酒 精清洗。最后用吸水纸吸干，或用吹风机吹干。 本试验采用4 硝酸酒精溶液浸蚀。 1 7 上海大学硕士学位论文 第三章用再结晶激活能预报短时再结晶温度的方 法及验证 3 1 试验用钢的化学成分和生产条件 试样取自宝钢冷轧带卷，厚度为o 8 m m 。试验用钢的出钢记号和热轧温度 参数及化学成分分别见表3 1 、3 2 。其中1 号、2 号钢为n b - t ii f 钢；3 号、4 号钢为t i 钢；5 号、6 号钢为b h 钢。 表3 1 试验用钢的出钢记号和加工温度参数( ) l0 0 0 1 70 0 6 00 3 l0 0 4 60 0 0 5 00 0 1 60 0 2 60 0 3 00 0 0 0 50 0 0 1 6 20 0 0 2 00 0 9 70 8 80 0 7 20 0 0 7 70 0180 0 210 0 3 40 0 0 0 60 0 0 2 0 30 0 0 1 60 0 0 80 5 10 0 5 80 0 0 9 60 0 0 20 0 7 10 0 6 200 0 0 1 9 40 0 0 2 50 19 20 5 80 0 7 70 0 0 8 7 0 0 0 5 0 0 5 50 0 3 8 0 0 0 0 6 0 0 012 5o o o l 30 0 9 00 5 40 0 5 50 0 0 7 90 0 1 00 0 0 30 0 4 50 0 0 0 20 0 0 1 7 60 0 013 0 012 0 6 30 0 3 50 0 0 9 00 0 0 60 0 0 60 0 5 4 0 0 0 0 8 0 0 0 2 0 3 2 再结晶激活能的测定 再结晶温度指金属材料在一定时间内完成再结晶所对应的温度。以往一般 1 8 上海大学硕士学位论文 规定为一小时完成再结晶9 5 时对应的温度。但由于越来越多的冷轧板卷采用 连续退火方式，在此退火过程退火时间仅为很少的几分钟，所以往往需要知道 短时退火( 如3 0 s 、6 0 s 或9 0 s ) 条件下的再结晶温度。在等温退火过程中，退 火温度t 和等温退火时间f 将符合下面的a r r h e n i u s 关系式： 上= 彳e 一鲁 一= 月p f ( 3 - 1 ) 式中a 一常数，l s ； r 一气体常数，r = 8 3 1 4 4 1j m o l k ； q f 一再结晶激活能，j m o l ： t 一退火温度，k ； f 一等温退火时间，s 。 对一种钢在盐浴炉中进行两次再结晶退火试验，可测得两组再结晶退火温 度t 和退火时间。测出的退火时间岛是指从试样放入盐浴炉到取出的总时间， 而用于式3 1 中的f 则是等温退火时间，故要根据式3 1 来计算再结晶激活能 q r 和常数a ，必须测出试验钢试样放入盐浴炉中从室温升温到炉温的升温时间 t ，退火时间减去升温时间t 即为等温退火时间t 。由得到的两组再结晶 退火温度t 和等温退火时间t ，通过式3 1 就可以算出这种钢的再结晶激活能 q ，和常数a ；对于给定的任意短时时间t ，都可以通过式3 1 预报出钢板在此短 时条件下的再结晶温度。 采用l 号钢和3 号钢来进行再结晶激活能的测定和再结晶温度预报的验 证。 3 2 1 两组硬化曲线的测定 试验采用盐浴炉退火试验模拟连续退火试验。用于盐浴炉退火处理的小试 样尺寸为0 8x 4 0 x7 0 m m 。首先进行一次恒时( 6 0 s ) 变温退火试验( 温度为 7 4 0 - - , 8 6 0 c ，间隔为2 0 。c ) 。即将盐浴炉温度升至7 4 0 c 时，放入l 号钢和3 号 钢各一个小试样，退火6 0 s 后将试样取出并空冷至室温；然后把盐浴炉温度升 到7 6 0 * ( 2 ，再放入l 号钢和3 号钢各一个小试样，退火6 0 s 后将试样取出并空 1 9 上海大学硕士学位论文 冷至室温；如此每升温2 0 c ( 直到8 6 0 c ) 就放入一个小试样，退火6 0 s 后将 试样取出并空冷至室温。把空冷至室温后的试样用表面洛氏硬度计测定标尺为 1 s t 硬度值。1 号钢和3 号钢试样恒时变温试验的条件及硬度值分别见表3 3 、 3 - 4 。 表3 - 31 号钢试样恒时( 6 0 s ) 变温试验的条件及硬度值 按盐浴炉测定法，将原始试样和完全软化试样的硬度差定义为1 0 0 ，则 上海大学硕士学位论文 当硬度降低5 0 时就定义为再结晶的条件【1 7 , 3 5 】。则从表3 3 和3 - 4 中可以得出， 1 号钢和3 号钢再结晶温度点的硬度值分别为7 9 4 和7 9 5 ，则l 号钢和3 号钢 在6 0 s 退火时间条件下的再结晶温度分别在7 6 0 , , - 7 8 0 和7 4 0 , - , 7 6 0 范围内。 1 号钢试样再在7 6 0 - , , 7 8 0 c 范围内以5 为小间隔进行一次恒时变温试验， 退火时间仍为6 0