（材料加工工程专业论文）热轧双相钢组织性能研究.pdf

东北大学硕士学位论文 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。 本文主要以两种实验钢为研究对象，进行了热模拟及控轧控冷实验研究， 以合金设计为原则并根据实验结果设计了含铬的c s i m n 系双相钢，合金成分 为00 6 c 0 6 s i 一1 5 m n 一0 6 c r 。 热模拟实验结果表明：存相同的工劳条件下，合余元素含量较少的实验钢 获得马氏体的难度增加，应适当提高开冷温度并增大冷却速度。 合金成分为0 0 8 c 一0 5 s i 一1 o m n 一0 5 c r 一0 4 m o 实验钢在终轧温度为8 5 0 、 开冷温度为6 5 0 、冷却速度为l0 0 s 时，抗拉强度达到7 0 0 m p a 左右、延 伸率在l8 左右，铁素体晶粒尺寸在8um l oum 之间，马氏体体积分数在 15 2 2 范围内。 热轧工艺相同时，合金成分为o ，0 6 c 一0 6 s i 一1 5 m n 一0 6 c r 实验钢的抗拉强度 只有5 0 0 m p a 、延伸率为3 3 ；通过将开冷温度提高至7 5 0 ，实验钢的抗拉 强度达到6 0 0 m p a ，延伸率为3 3 ，屈强比较低且应变硬化指数较高，综合性 能良好。铁素体平均晶粒尺寸为6 0 1 tm ，组织组成为铁素体、马氏体和贝氏 体。 合金成分为00 6 c 一0 6 s i 一1 ，5 m n 一0 6 c r 实验钢的合理工艺为：1 2 0 0 保温 1 5 h r 、终轧温度为8 5 0 、开冷温度为7 5 0 。c 、冷却速度7 0 s 9 0 s 、卷取 温度为4 5 0 一5 0 0 。 本文通过调整控轧控冷工艺，可降低合金元素含量，使实验钢获得理想的 组织性能。 关键词：热轧双相钢，控轧控冷，铁素体，马氏体，贝氏体，力学性能 东北大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t d h a lp h a s es t e e li sas o r t h i g hi n c i p i e n tw o r kh a r d e n i n g o fn e ws t y l es t a m p i n gs t e e lw i t hl o wy i e l dp o i n t ， r a t e ，h i g hs t r e n g t ha n dg o o dd u c t i l i t y ，a n di th a s c o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o n i na u t o m o b i l ep r o d u c t i o n d u a lp h a s es t e e lc o u l d r e l i e v es e l f - r e s p e c t i n ga b o u t2 0 a ta u t o m o b i l e ( e s p e c i a l l yi nc a r s ) s t r u c t u r e i t h a sv e r yi m p o r t a n tr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c et os t u d ya n dd e v e l o pl o wc o s th o t - r o l l e d d u a lp h a s es t e e l sf o rt h ew o r l d w i d ea i m st or e s o u r c e ss a v i n g ，r e d u c t i o no fe n e r g y c o n s u m p t i o na n dc o n t i n u o u sd e v e l o p m e n t t h er e s e a r c ho b j e c ti sm o s t l yh o tr o l l e dd u a lp h a s es t e e l ，a d _ d e x p e r i m e n t s t u d yo nt h e r m a ls i m u l a t i o na n dc o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o n t r o l l e dc o o l i n gh a v e b e e nc a r r i e do u t a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ta n da l l o yd e s i g np r i n c i p l e ， a ne x p e r i m e n t a ls t e e l ，c s i m ns y s t e md u a lp h a s es t e e li n c l u d i n gc h r o m i c ，i s d e s i g n e da n da l l o yc o m p o s i t i o ni so 0 6 c 一0 6 s i 一1 5 m n 一0 6 c r a l l o yc o m p o s i t i o ni so 0 8 c - 0 5 s i 一1 0 m n 一0 5 c r 一0 4 m o t h et e n s i l es t r e n g t h r e a c h e s7 0 0 m p aa n de l o n g a t i o ni sa b o u t18 w i t ha v e r a g ef e r r i t eg r a i ns i z eo f 8 1 x m 10 扯ma n dv o l u m e f a c t i o no fm a r t e n s i t eo fi5 - 2 2 ，w h e n f i n i s h i n g t e m p e r a t u r ei s8 5 0 a n dw a t e r c o o l i n gs t a r tt e m p e r a t u r ei s6 5 0 。c t h ec o o l i n g r a t e1 0 0 s a tt h es a m es c h e d u l e ，a l l o yc o m p o s i t i o ni s o 0 6 c 一0 6 s i 一1 5 m n 一0 6 c r ，t h e t e n s i l e s t r e n g t h i s5 0 0 m p aa n d e l o n g a t i o n i s3 3 b u tt h o u g h i n c r e a s i n g w a t e r c o o l i n g s t a r t t e m p e r a t u r e t o 7 5 0 a l l o yc o m p o s i t i o n i so 0 8 c - 0 5 s i 一1 0 m n 一0 5 c r 一0 4 m o ，i t h a sb e e n g o t t e n b e t t e rc o m b i n a t i o no fm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ：l o w e ry i e l dr a t i o ，h i g h e r s t r a i n h a r d e n i n ga n dt e n s i l es t r e n g t h i s 6 0 0 m p aa n de l o n g a t i o ni s33 t h ef e r r i t e a v e r a g eg r a i n s i z ei s 6 0 9 ma n d m i c r o s t r u c t u r ec o n s t i t u e n t sa r ef e r r i t e m a r t e n s i t ea n db a i n i t e a l l o yc o m p o s i t i o ni so 0 6 c - 0 6 s i 一1 5 m n 一0 6 c r t h er e a s o n a b l eh o tr o l l i n g s c h e d u l e sa r ea st h ef o l l o w s ：r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ei s1 2 0 0 a n dh o l d i n gt i m ei s i i 东北大学硕士学位论文 摘要 1 5 h r ，t h ef i n i s h i n gr o l l i n gt e m p e r a t u r ei s8 5 0 ，w a t e r c o o l i n gs t a r tt e m p e r a t u r e i s 7 5 0 。c ，c o o l i n g r a t e r a n g e i s 7 0 。c s - 9 0 c s ，c o i l i n gt e m p e r a t u r e i s 4 5 0 5 0 0 c o n t e n to fa l l o ye l e m e n t si ne x p e r i m e n t a ls t e e l sc o u l db er e d u c e da n dp e r f e c t 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 sc o u l db eo b t a i n e dt h r o u g ha d j u s t i n g c o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o n t r o l l e dc o o l i n gs c h e d u l e s k e yw o r d ：h o tr o l l i n g ，c o n t r o lr o l l i n ga n dc o n t r o lc o o l i n g ，f e r r i t e ，m a r t e n s i t e ， b a i n i t e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y i l l 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，不包含其他人已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：a 舛同 日期：翮，三 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。 ( 如作者和导师刁：同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名 签字日期： 导师签名 签字日期 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 自我国钢铁产量于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【”，2 0 0 1 年达到1 5 3 亿吨【扪，2 0 0 2 年全国累计粗钢产量 1 8 15 5 2 亿吨1 3 1 ，比2 0 0 1 年增长1 8 6 6 ，创历史新高，与我国1 9 4 9 年钢材产 量l5 8 万吨【4j 相比，刁i 到5 4 年的时间钢产量增长了千倍以上，特别是1 9 9 6 年 到2 0 0 2 年，平均年增长率达15 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1 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 已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 3 的实物质量达到国际 水平【。 但是，从我国钢铁行业的国际竞争力来看，企业规模普遍较小、品种结构 欠合理、产品质量较差、能源消耗高、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同本、韩国、美国以及欧洲 的一些国家相比，还存在明显的差距。我国钢铁行业的国际竞争力并不强，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 的产品仍然依赖进口，如冷轧硅钢板、不锈钢板材、汽车面板、大尺寸造船板 等，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j j 】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。 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，人们发现 在未来5 0 - - 1 0 0 年内，人类赖以生存的大多数资源和能源将枯竭，面对这样严 酷的现实，人类不得不认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，开发和使用低能耗、低资源占用、 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 低污染、长寿命、高综合性能的钢材已是必然。 汽车作为公路运输的重要手段和人类最便捷的交通工具，如今已进入社会 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。2 0 世纪7 0 年代末以来， 为减轻车重、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。目前汽车发达国家使用高强度钢板的数量，已经达到 了钢板总量的3 0 ，使用的高强度钢板已形成不同强度级别的品种系列。低合 金强度钢，特别是其中的微合金化钢，是近三十多年来发展最迅速、最富活力 的钢类之一，是工程结构、汽车构件用的既有高强度、高韧性，又有良好的可 焊性、成型性、耐蚀性、耐磨性的钢类，得到了国内外广大冶金材料科技工作 者的极大关注。 近年来，世界主要发达国家大都将汽车工业作为国民经济的支柱产业。虽 然汽车正向轻量化、节能和低成本方向发展，但钢铁材料仍是汽车制造的主要 用材，约占总用材量的7 0 。目前世界上汽车保有量约5 亿多辆，年产5 0 0 0 力| 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 【5 。 2 0 0 0 年我国全年累计生产汽车2 0 6 9 0 6 9 辆【6 】。随着我国国民经济的发展和 人民生活水平的提高，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。通用汽车总经理就曾表示过：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，1o 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【7 】。我国汽车工业的发展，对钢铁材料提出了更高的要求。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 世纪科学技术取得了突破性进展，其间钢的微合金化是上世纪后期形成 的一门崭新的科学，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 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 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己的位置，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。 为了得到高强度、高韧性的钢板，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，就是较典型的 提高钢板强度和韧性的重要途径。但是，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，丕同的化学成份有着不同的生产工艺，轧后 冷却和卷取温度不同，即工艺宽容度也不相同。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。本文研究的热轧双 相钢，在保证高强度、高韧性和良好成型性的前提下，降低热轧双相钢的生产 成本，提高工艺的宽容度，这些对提高双相钢的市场竞争力具有十分重要的意 义。 节省燃料和保证安全的要求是高强度钢在汽车工业中的应用稳步增长的 驱动力。与其它材料，如轻金属铝、镁，或是塑料和复合材料相比，高强度钢 除了减轻重量外，还有另外的优点，即其加工工艺类似于传统的低碳钢。因此， 高强度钢在减轻重量的同时其总的制造成本也f 降。其它竞争材料在这方面的 情况则截然相反 s l 。 根据强度和成形性的不同要求，采用不同的高强度带钢和薄板钢。以无间 隙原子钢为基础的高强度钢具有优异的冷成形性能1 9 】。当深冲作为主要加工方 法，而抗拉强度要求约4 0 0 m p a 时，低碳含磷钢和烘烤硬化钢得到大量应用。 如果对深冲性的要求不很严格，可以使用更高强度级别的钢种。和微合金带钢 和薄板钢应用的同时，具有双相显微组织的钢种 1 的应用也相当普遍。这种类 型钢在同等抗拉强度时具有较高的均匀延伸率和总延伸率，如图1 1 所示【1 1 1 。 但如果从同等的屈服强度来考虑，这种优势消失。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 缸膏奠瑚知一。 拟 鳓抽 罹鳓 ，hl 夕 截蝴 、号罗纷 i l i 煳疵，撕 图1 1l m m 厚退火高强度薄板的力学性能 f i g 1 1 1m ma n n e a lh i g hs t r e n g t hl a m i n o s em e c h a n i c a lp r o p e r t y 1 1 双相钢发展概况 双相钢的第一个专利是1 9 6 8 年在美国提出的f 1 2 l 。但是直到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、机械性能和成形性做了 完整的描述之后，双相钢的巨大潜力才被人们所认识。它为汽车减轻自重、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。 二十世纪七十年代初，低合金高强度钢的研究取得了一个重要突破，这就 是双相钢的产生与发展。通常双相钢是指主要由马氏体和铁素体所构成的一类 高强度高延性低合金钢。它的出现不只把低合金高强度钢的发展推向一个新的 强度与延性的综合平衡阶段，而且由于它的特殊性能以及国内外物理冶金学者 对描述这类钢的组织和性能关系的新概念、新机制和新模型所进行的大量的工 作，从而大大丰富了物理和力学冶金的内容。 确切的说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。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、非调质高强度螺栓等非冲压 件采用双相钢的生产亦受到人们的关注。 双相钢最初是采用临界区热处理生产的( 后来控轧工艺的发展又产生了轧 臻g基t鼍嘎 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 制双相钢) ，然而人们对临界区处理和两相组织的力学性能的认识则经历了一 段发展过程。二十世纪四十年代前后，热处理工作者发现，当钢在完全奥氏体 化后如果冷却不当，或部分奥氏体化的淬火组织中存在有铁素体等非马氏体组 织时，会使钢的强度、冲击韧性，尤其是弹性极限降低。二十世纪五十年代的 试验表明，在临界点温度附近进行摆动热处理，可以细化晶粒，大幅度提高钢 的低温韧性，同时经临界区加热淬火后可以抑制钢的回火脆性。到了二十世纪 六十年代，人们对马氏体相变理论和复合材料力学性能的研究有了新的认识和 发展，使临界区热处理的应用发生了质的变化。 众所周知，除了应用在腐蚀性的环境之外，要求结构钢应有的主要性能是 强度、韧性和延性。使这些性能尽可能令人满意的主要困难是强度与延性的关 系通常是相互矛盾的，即强度的升高往往降低或牺牲其它性能，而韧性和延性 的增长，常伴随着强度的下降。 解决这些矛盾的重要方法就是应用复合材料概念进行合金设计。这一方法 的基本原理是依靠复合物使得各相的优点得到发挥，同时使它们的缺点由于其 它相的存在而减少或消除。第二相的大小、分布、形状和体积分数影响和控制 着双相钢的力学性能，这种灵活性在单相结构和许多沉淀强化材料中是不存在 的。双相钢就是在这种原理下进行合金计设计的一个例子。双相钢具有屈服点 低、初始加工硬化速率高以及强度和延性匹配好等特点，已成为一种强度高成 形性好的新型冲压型用钢。它的出现为发展和生产高强度高延性的低合金高强 度钢板指出了一条新的途径。两相的比例规则视对双相钢综合性能的要求而 定。 1 1 1 国外双相钢发展应用概况 世界上主要发达国家的汽车工业的发展，尤其是轿车生产的迅速发展，产 生了两个主要问题：一是汽车数量增多，车速提高，车祸增多。因此要求有汽 车安全性保证，重要措施之一是汽车构件要显著增强；二是当今世界资源短缺 和能源紧张。因此要求汽车降低油耗、节约能源。而降低油耗的一个重要方法 是减轻汽车自重，即使汽车轻量化h i 。对汽车油耗和自重关系的最新研究 表明：汽车油耗与自重成线性关系，如汽车自重降低1 0 ，在其他条件不变的 情况下，则至少可使汽车油耗降低5 t ”】。可见降低汽车自重是降低汽车油耗 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 的简单而有效的办法。 减轻汽车自重要求汽车工业采用高强度的新材料，双相钢满足了汽车减重 的要求。 北美、日本、西欧处于双相钢研究和生产发展的前沿。 臼本：在双相钢的生产方面目前处于领先地位。因为e t 本拥有先进的轧钢 和热处理设备，特别是大型连续退火生产线。起初日本以生产热处理双相钢为 主，其钢种多系低碳钢或碳锰钢，在连续退火生产线上生产。后来开始研制低 合金热轧双相钢，以满足汽车工业对一些厚规格双相钢的要求。新日铁公司用 “双相轧制工艺”生产低合金s i m n 钢热轧双相钢。日本j i l 崎制铁开发了以t i n 沉淀强化铁素体基体的热轧双相钢，具有好的拉伸翻边成型性。 目前日本至少有5 个钢铁公司已经生产出双相钢，其中有川崎制铁、神户 制铁、同本铜管、住友金属和新同铁。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、车顶内板、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、 保险枉加强体、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。 北美( 美国和加拿大) ：生产的热处理双相钢含有一定的合金元素，多以 周期退火炉生产。热轧双相钢以美国克里马克斯钼公司开发的m n s i c r - m o 系 为代表。 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。 西欧：有不少钢厂和汽车厂进行了双相钢的研制和试用，其钢种和工艺与 北美相似。德国的克鲁伯( k r u p p ) 等公司将双相钢的研究作为其开发方向 1 6 1 。 意大利的特柯赛德公司已用热轧双相钢制成菲亚特13 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，其车轮疲劳试验结果表明，双 相钢的疲劳寿命是普通钢的l 2 倍。 法国、德国、英国都在生产和研究双相钢方面作了大量工作，并用于汽车 制造业中各种复杂形状的冲压件。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 国内双相钢发展应用概况 我国的低微合金钢生产始于1 9 5 7 年，在这一年首先在鞍钢研制成功并投 入生产的第一个低微合金钢1 6 m n ( s t 5 2 ，a s = 3 5 0 m p a ) 1 7 18 1 。紧接着武钢、攀 钢、宝钢等各大钢铁企业，中科院、冶金部钢研总院、金属研究所及部分大专 院校( 如北京科技大学、东北大学、重庆大学、吉林工学院) 等研究机构，对低 微合金高强度钢板的开发与研究十分重视，发展迅猛，研究出了各种用途的低 台金和微合金钢。应用范围广泛。在品种开发方面，根据国民经济各行业的需 要，加强品种丌发并形成批量生产能力，使低合金钢和微合金钢基本达到品种 系列化，规格齐全配套，应用领域不断扩大，保证了国家重点工程急需，收到 了良好的经济效益和社会效益。 我国在双相钢的研制方面起步较晚，一些科研、教学和生产单位从1 9 7 8 年 开始对取相钢的变形特性、轧制变形模式、强化原理及断裂特性进行研究。 我国的高强度汽车冲压用钢板同样经历了一个发展历程。一汽、二汽、上 汽等汽车厂，逐步用高强度且成形性好的新一代钢种( 包括双相钢) 代替高屈服 点的普通高强度低合金钢板来生产汽车横梁、纵梁等零部件。 宝钢在1 9 9 2 年试轧了一炉双相钢，用2 0 5 0 热连轧机组轧制两种厚度规格 ( 2 7 5 r a m 和4 0 0 r a m ) 的热轧双相钢，用于北京吉普车的车轮。 鞍钢在“七五”期间用罩式炉退火开发并研制出5 4 0 m p a 级冷轧双相钢薄板， 冲制不同型号的汽车零件三万余件，合格率为1 0 0 ，全部装车使用。 武汉钢铁公司研制了r s 5 0 和r s 5 5 热轧双相钢和s 0 7 0 m n 冷轧双相钢。 r s 5 0 和r s 5 5 用于制造c h e r o k e e 吉普的车轮和东风卡车车身的横梁。与同本 同类钢相比，强度、塑性、屈强比基本相当，用于c a l 4 1 型5 t 载重汽车上的 零件经试验其冲压性能良好。将r s 5 5 钢用于轻型汽车的车架、横梁、纵梁、 轮辐、备胎压板等，试验结果良好。 目前为止，我国已开发成功了抗拉强度级分别为5 4 0 m p a 、5 9 0 m p a 和 6 4 0 m p a 等级别的双相钢。 东北大擘硕士学位论文第一章绪论 1 2 双相钢的显微组织和机械性能 1 2 1 双相钢显微组织 双相钢的昴微组织指在铁索体基体上分布着一定量的第二相。该组织具有 网状、弥散和两相组织的特征，如图l2 【”o 所示。第二相通常是马氏体，其典 型的体积分数约为2 0 。 这样的显微组织构成影响其应力一应变曲线。屈服强度由软相即铁素体的 塑性流变的起动所决定。在此阶段，硬相还处于弹性区。根据两相组组织的混 合规律，当施加的应力较高时，材料显示较高的加工硬化行为。两相中应变的 分布是不一样的，以致于软相中的应变和硬相中的应力高于复台体平均值。即 使在变形的稍后阶段硬相变成塑性时，这种现象仍然存在。这样复杂的情况的 示意图如售1 3 所示。应用有限元的方法，可以计算出最终_ 力学牲能 ! ”。 图12 两相显微绢织的拓朴结构 f i g i2t h et o p o l o g i cs tr u c t u r e so fl h eb i p h a s em i cr o s c o p i cs t r u c t u r e 显微组织的详细分析表明，职相钢也包含有一定量的残余奥氏体。由于铁 索体组分内部拉应力较低【2 1 i ，这也导致相对低的屈服强度。 生产这种8 0 铁素体加上2 0 马氏体显微组织的常规步骤是重新加热至 两相区。+ r ，加热的温度应为根据平衡图形成2 0 奥氏体的温度。这时奥氏 体自然含碳量高，如果冷却速率不是太低，将转变成马氏体。考虑到冷轧钢板， 本来就要进行再结晶退火处理，在连续退火线上，只需采用比再结晶退火温度 稍高一点的温度就可完成双相热处理。然而对于热轧带钢材割，这样一个附加 的热处理将大量增加成本，因此只有通过台金成分设计和轧后水冷线上冷却条 的热处理将大量增加成本，因此只有通过合金成分设计和轧后水冷线上冷却条 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 双相钢的显微组织和机械性能 1 2 1 双相钢显微组织 双相钢的显微组织指在铁索体基体上分布着一定量的第二相。该组织具有 网状、弥散和两相组织的特征，如图1 2 t 1 9 】所示。第二相通常是马氏体，其典 型的体积分数约为2 0 。 这样的显微组织构成影响其应力一应变曲线。屈服强度由软相即铁素体的 塑性流变的起动所决定。在此阶段，硬相还处于弹性区。根据两相组组织的混 合规律，当施加的应力较高时，材料显示较高的加工硬化行为。两相中应变的 分布是不一样的，以致于软相中的应变和硬相中的应力高于复合体平均值。即 使在变形的稍后阶段硬相变成塑性时，这种现象仍然存在。这样复杂的情况的 示意图如恩l 3 所示。应用有限元钓寿法，可以计算出撮安匀学牲糍 删。 图12 两相显微组织的拓朴结构 f i g1 2t h et o p o l o g i cs t r u c t u r e so ft h eb i p h a s em i c r o s c o p i cs t r u c t u r e 显微组织的详细分析表明，双相钢也包含有一定量的残余奥氏体。由于铁 素体组分内部拉应力较低【2 1 1 ，这也导致相对低的屈服强度。 生产这种8 0 铁素体加上2 0 马氏体显微组织的常规步骤是重新加热至 两相区。+ r ，加热的温度应为根据平衡图形成2 0 奥氏体的温度。这时奥氏 体自然含碳量高，如果冷却速率不是太低，将转变成马氏体。考虑到冷轧钢板， 本来就要进行再结晶退火处理，在连续退火线上，只需采用比再结晶退火温度 稍高一点的温度就可完成双相热处理。然而对于热轧带钢材料，这样一个附加 的热处理将大量增加成本，因此只有通过合金成分设计和轧后水冷线上冷却条 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 件的优化才可在热轧状态下获得所要求的显微组织。图1 4 概括了不同的工艺 路线。 图1 3 两相显微组织中应力一应变分布 通过增加马氏体数量，如提高两相区退火的温度，钢的拉伸性能提高，但 是在强度提高的同时，钢的姻性下降。大约马抵体占2 0 时钢的性能配比最好 2 2 1 。具有较细晶粒的双相组织，强度性能和延伸率都有所提高，如图1 5 所示 2 3 1 。 幽14 双相钢生产的不同1 ：艺 f i g 1 4d u a lp h a s es t e e lp r o d u c e db y d i f f e r e n tt e c h n o l o g i e s 图1 5 双相钢的晶粒尺寸和性能关系 f i g 1 5r e l a t i o n s h i pg r a i ns i z eb e t w e e n m e c h a n i c a lp r o p er t i e sd u a lp h a s es t e e l 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 目前，大量研究结果表明，f + m 双相钢的显微组织随其化学成分和获得双 相组织的方式而异。已获得的双相钢组织有无序组织和定向排列显微组织两大 类。目前发展的双相钢基本上都是无序组织的双相钢，可将无序的组织分为弥 散分布组织( 塑性良好的铁素体上弥散分布着高强度岛状马氏体) 、显微状双 相混合型组织( 平行针状马氏体与铁索体相交错而呈显微状) 、高位错亚晶结 构型组织( 具有高密度位错的亚晶结构马氏体或网状或群落状位于铁素体晶 界) 三种情况。 在弥散分布组织中，第二相的马氏体起到弥散强化的作用；在显微状双相 混合型组织中，这种双相混合型组织具有对提高性能十分有利的位错亚晶结 构，起到细化晶粒的作用；在高位错亚晶结构型组织中马氏体起到强化晶界及 细化晶粒的双重作用。 _ 在热轧空冷或热轧，控冷双相钢组织中有时冈j 起氏体的淬透性不足还 会产生少量的珠光体或贝氏体，形成所谓的复相钢。在通常情况下，除了残留 奥氏体以及马氏体和铁素体的一些脱溶物( 马氏体中会有一些细小的碳化物脱 溶，铁素体中会有细小的碳、氮化物的脱溶物) 外，主要组织是强韧的马氏体 ( 板条马氏体) 和塑性良好的铁素体。为了得到所希望的双相组织，可以通过 控制马氏体的数量、尺寸、形状和分布，以及每个相的性能来达到。首先，马 氏体的体积分数和形貌，在控制双相钢的力学性能方面起着主要的作用。马氏 体的体积分数必须超过一个下限，不然就没有足够的强化效果；它还必须低于 个上限，否则在第二相颗粒( 马氏体) 断裂时，将直接导致双相组织的断裂。 如果马氏体体积分数处于最佳范围( 工业上多为l o 3 0 不等) ，裂纹的传播 将会大大被推迟，这样基体就可以迸一步加工硬化并承担传输载荷。假如马氏 体颗粒足够小( 1p - m 数量级或更小) ，而且颗粒间距也是如此的小，这样，随 着加工硬化的增大，基体的屈服应力增大。如果第二相马氏体是显微状而不是 小岛状块，那么载荷的传输是最有效的。因而载荷的传输是靠沿着颗粒和基体 之问交界面处的切变进行的，第二相颗粒呈显微状时，可利用的界面积将是相 对较大的。其次，理想的双相组织应当是在连续基体中分布着不连续的随机取 向的第二相颗粒。这将导致材料具有各向同性的力学性能。因为大多数的工程 材料是希望各向同性的。否则，如果马氏体贯穿基体呈连续分布，这样在塑性 形变的早期阶段就会引起第二相颗粒的断裂，以至于铁紊体的塑性也难以发挥 东北大学硕士学位论文第一章绪论 出来。第三，为了得到强韧性配合较好的位错型板条马氏体，希望相应于马氏 体体积分数的奥氏体中的碳含量保持在大约0 3 ( 一般不宜超过o 4 ) ，与此 同时，钢的平均碳含量要足够的低，通常以0 1 以下为宜。这是因为高的碳 含量将利于形成韧性较差的内孪晶型片状马氏体。而且，还希望在马氏体板条 之间有残留奥氏体的薄膜，以利于进一步改善韧性。第四，显微状马氏体与铁 素体界面间原子配置情况的研究表明，该界面上的原子存在着k s ( k y p 且f o m o b s a c h s ) 位向关系，有着良好的原子配置状况。这种应当属共格 的低能界面比起原子配置不规则的高能界面将难以破坏。从而可提高第二相颗 粒与基体分离所需的功，而不易产生空洞。总之，双相钢所希望的显微组织应 当是具有一一定体积分数的强韧的第二相马氏体和塑性良好的基体铁素体。 1 2 2 双相钢的综合机械性能 双相钢引人注目的拉伸力学性能特点是：( 1 ) 连续屈服。应力一应变曲线 呈光滑的拱形，无屈服点延伸。这就避免成型零件表面起皱，从而不需要附加 的精整工序；( 2 ) 高的加工硬化速率。尤其是初始的加工硬化速率( d c r d e ) 。 这样，只需5 以下的应变，就可使双相钢的流变应力达到5 0 0 m p a 5 5 0 m p a ， 与通常低合金高强度铜的屈服强度相当：( 3 ) 低的屈服强度。这使冲压件易于 成型，回弹小，同时冲压模具的磨损也小：( 4 ) 高的抗拉强度。由于屈服强度 低、抗拉强度高，屈强比就小。这样构件成型时强度低，成型后的强度高。成 型后的构件具有高的压渍抗力、撞击吸收能和高的疲劳强度；( 5 ) 均匀延伸率 和总伸长率大。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。因而双相钢具有高的综合力学性能( 抗拉强度与伸长 率的乘积最大) 。f 是由于双相钢具有这些力学特征，特别是高的加工硬化速 率与大的伸长率的配合，使得双相钢的成型性比固溶强化或脱溶强化的低合金 高强度钢要好得多。另外，双相钢的加工硬化指数( n ) 值，特别是均匀变形 阶段的- 值( 双”值得m - 值) ，几乎相当于一般低合金高强度钢n 值的2 倍。 值表征了材料均匀变形阶段的平均加工硬化效应。 由于双相钢的显微组织具有晶界强化、第二相弥散强化及亚晶强化等强韧 化手段而使得双相钢综合机械性能优良，表现在其既具有高的强度又具有良好 的韧塑性。( 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。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 另外双相钢具有较高强屈比( o b 盯o2 ) 、较高的延伸率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型能，尤其是避免了深度 拉伸和深冲压加工时的局部颈缩及断裂现象，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；( 3 ) 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；( 4 ) 双相钢具有良好的焊接性能。 1 3 双相钢的强化机理 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 力耳马氐体或贝氏体的双相组织。这种组织状杏韵钢具有强度高、屠服点骶，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。双相钥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( 贝氏体) 加上铁索体基体的组织。马氏体呈岛状分布在铁素体晶粒之间。 马氏体相变是以铁素体晶粒为环境的。一方面这种相变切变和体积膨胀都要引 起相邻铁索体发生应变，使邻近铁素体晶粒边界的可动位错密度比普通正火钢 中铁素体的高。另一方面，由于铁素体强度低于奥氏体，它对马氏体相变约束 小，这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，由于马氏体岛有更高的强度，它要阻止由 相邻铁素体扫来得位错通过，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。这使材 料获得比传统的铁素体一珠光体组织更好的延伸率和更高的强度。 1 。4 本文研究的目的和意义 新材料的研究和开发一直是材料科学工作者所热衷的努力方向，也是二十 世纪全球工业化发展中举足轻重的一部分。在钢铁材料和其它材料的竞争中， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 发展具有良好成形性的高强度新材料一双相钢。 双相钢是由f + m 组成的低碳低合金化的新型钢种，具有高强度、高强韧 性、综合机械性能优越、合金化程度低、生产工艺简单、成本低廉等一系列特 点，广泛适用于冷加工成形，是一种很有发展前途的、有很大经济效益潜力的 高效钢材。 汽车用低合金钢涉及到很多零部件，但主要以使用钢板材料为主。随着汽 车轻量化和性能要求的提高，汽车用板高强度化，如用3 5 0 m p a 的低合金高强 度钢板制作汽车前梁、发动机支架、保险杠和车门等，板的厚度可减少15 2 5 。当钢板厚度减小0 15 r a m 时，车身的重量可减轻18 1 24 1 。日本曾对8 家 乘用车公司和三家卡车公司进行过调查和预测，其结果见表1 。西欧几种主要 车型所采用高强度钢板的比例已上升到4 0 以上。 表1 1 日本1 1 家汽车公司使用高强度钢板的调查和预测结果( 使用比率) t a b l e1 1 j a p a ne l e v e na u t o m o b i l e t o u s eh s sp l a t es u r v e ya n df o r e c a s tr e s u l t ( u s er a t i o 、 汽车用钢板强度级别也不断提高，例如：日本1 9 9 2 年汽车外板的强度为 3 0 0 4 6 0 m p a ，内板的强度为2 6 0 m p a 以上，而最近几年来，强度在9 8 0 m p a 以 上的超高强度钢板在汽车上的用量在增多。西欧高强度热轧和冷轧钢板的消费 日增，1 9 9 7 年微合金钢和含磷合金钢所占的比例最高，而新开发的高强度i f 钢、各向同性钢和双相钢使用量也在增加。 在未来，微合金钢仍将是h s l a 钢的主体1 2 5 1 ，将以铌微台金化和钒微合金 化为主。为了降低微合金钢的生产成本，近年来，v 、t i 、n b 复合微合金化的 研究已成为人们关注的重点。钢中有害元素如硫、磷的利用将使钢铁生产纳入 绿色工业范围