（材料加工工程专业论文）铁素体区轧制if钢退火过程再结晶规律的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 铁素体区轧制i f 钢退火过程再结晶规律的研究 摘要 i f 钢作为新一代冲压用钢 在近二十年内得到了迅速发展 i f 钢铁素体区轧制工艺是近十年内开发的新工艺 经过国内外学者多 年研究发现 退火是决定i f 钢性能的最后一道关键工序 无论铁索 体区轧制后利用余热退火或冷却后再加热退火 要想制定合理的退 火工艺制度 必须对i f 钢退火过程中组织状态的演变规律及其影响 因素有一个清楚的认识 本文以一种t i i f 钢 一种含p 高强t i i f 钢和一种超低碳 u l c 钢为实验材料 研究了三种成分钢板的再结晶规律 分析了 成分对退火再结晶规律的影响 比较了退火后性能的差别 根据实验结果和分析得出以下结论 i 实验用t 卜i f 钢的再结晶过程受退火温度的影响较大 在 6 5 0 时 即使在保温三个小时的情况下 组织依然极不均匀 且残 存有少量的变形组织 而在7 0 0 7 5 0 保温0 s 时就发生了完全 再结晶 且退火温度越高 最终的组织越均匀 2 实验用含p 高强t i i f 钢的再结晶过程受退火温度 保温 时间的影响较大 在7 0 0 保温三个小时的情况下 能够保证发生 完全再结晶 3 一种超低碳 u l c 钢再结晶形核率较低 因此很难发现 先生成细小再结晶晶粒再长大的典型再结晶过程 在6 0 0 保温三 个小时以上的情况下 能够发生完全再结晶 4 由于受动态应变时效 d s a 行为的影响 超低碳 u l c 钢在铁素体区高温轧制后的组织与冷轧组织有较大的不同 在除表 层外的区域中没有发现晶内剪切带 t i i f 钢和含p 高强t i i f 钢 中由于t i 的加入 消除了c n 固溶原子 从而消除了动态应变时 效 d s a 行为的影响 使得在其变形组织中有大量的晶内剪切带存 在 经退火再结晶后t i i f 钢 含p 高强t i i f 钢和超低碳 u l c 钢三种成分的钢的 值分别为i 6 6 1 5 4 o 7 5 i f 钢中由于大量 二相粒子的存在阻碍了再结晶的进行 从而使其再结晶温度升高 关键词 t i i f 钢 t i p i f 钢 超低碳钢 罩式退火 再结晶 s t u d y o nr e c r y s t a l l i z a t i o nb e h a v i o ro ff e r r i t i cr o l l e d i fs t e e l s a b s t r a c t a san e wg e n e r a t i o ns t e e ls h e e tf o rd e e pd r a w i n ga p p l i c a t i o n s i n t e r s t i t i a l f r e e i f s t e e l sh a v eb e e n e x p e r i e n c i n g ar a p i d d e v e l o p m e n ti nr e c e n t2 0y e a r s r o l l i n gi nf e r r i t et e m p e r a t u r er e g i o n f o ri fs t e e l si san e wp r o c e s sw h i c hw a sd e v e l o p e da b o u t10y e a r sa g o a f t e rs om a n yy e a r s s t u d y i ti sr e c o g n i z e dt h a ta n n e a l i n gi st h el a s t c r i t i c a lp r o c e s sw h i c hd e t e r m i n e st h ep r o p e r t i e so fi fs t e e l s t h u s i n o r d e rt om a k ep r o p e ra n n e a l i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s m i c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o na n di t si n f l u e n c ef a c t o r sa r en e e d e dt ok n o wc l e a r l y r e c r y s t a l l i z a t i o nb e h a v i o ro fat i i fs t e e l at i p i fs t e e la n da u l t r al o wc a r b o n u l c s t e e lw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r i n f l u e n c eo f c h e m i c a lc o m p o s i t i o no nr c c f y s t a l l i z a t i o nb e h a v i o rw a sa l s oa n a l y z e d a n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h r e ea n n e a l e ds t e e l sw e r ec o m p a r e d a tt h es a m et i m e b a s e do nt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa n dt h e i ra n a l y s e s f o l l o w i n g c o n c l u s i o n sa r ed r a w n 1 t h er e c r y s t a l l i z a t i o no ft h et i i fs t e e li si n f l u e n c e dg r e a t l yb y a n n e a l i n gt e m p e r a t u r e e v e ni f s t e e l sa n n e a l e da t6 5 0 cf o rt h r e e h o u r s t h em i c r o s t r u c t u r eo fs t e e l sa r es t i l ln o n u n i f o r m a n ds o m e d e f 6 r m e dm i c r o s t r u c t u r ea r er e m a i n e d o nt h e c o n t r a r y r e c r y s t a l l i z a t i o nw a sc o m p l e t e dw h e nt h et e m p e r a t u r ei sr a i s e dt o7 0 0 o r7 5 0 c a n dt h eh i g h e rt h et e m p e r a t u r e t h em o r eu n i f o r mt h e m i c r o s t r u c t u r ei s 2 t h er e c r y s t a l l i z a t i o no ft h et i p i fs t e e li si n f l u e n c e dg r e a t l y b y b o t ht h e a n n e a l i n gt e m p e r a t u r e a n d h o l d i n g t i m e t h e r e c r y 矗t a n i z a t i o ni sg u a r a n t e e da ss t e e l sw e r ea n n e a l e da t7 0 0 c f o r t h r e eh o u r s 山东大掌硕士学位论文 3 t h en u c l e a t i o nr a t eo ft h eu l cs t e e lw a sl o w w h i c hm a k e si t d i f f i c u l tt of i n dt h ec l a s s i cr e c r y s t a l l i z a t i o np r o g r a m i e n e wg r a i n g e n e r a t i o na n dg r o w t h t h er e c r y s t a l l i z a t i o nc a nb ec o m p l e t e d a s s t e e l sw e r ea n n e a l e da t6 0 0 f o rm o r et h a nt h r e eh o u r s 4 a sar e s u l to ft h ei n f l u e n c e o fd y n a m i cs t r a i na g i n g d s a b e h a v i o r t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h eu l cs t e e lr o l l e di nf e r r i t er a n g ei s d i f f e r e n tf r o mt h a to fc o l dr o l l i n go n e s n oi n g r a i ns h e a rb a n di s f o u n de x c e p ti nt h es u r f a c e i nb o t ht i i fs t e e l sa n dt h et i p i f s t e e l s t h ec a r b o na n dn i t r o g e n w h i c hw o u l dn o r m a l l yo t h e r w i s eb ei n s o l u t i o n a r es c a v e n g e da sp r e c i p i t a t e sb yt h ea d d i t i o no ft ie l e m e n t s t h e r ea r em a n yi n g r a i ns h e a rb a n d sa f t e rf e r r i t i cr o l l i n g t h er v a l u e s o ft h et i i fs t e e l t h et i p i fs t e e la n dt h eu l cs t e e la r e1 6 6 1 5 4 a n do 7 5r e s p e c t i v e l y t h ef 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 fi fs t e e l si s h i g h e rt h a nt h a to ft h eu l cs t e e la s ar e s u l to ft h ee x i s t e n c eo f n u m e r o u sp r e c i p i t a t e s k e y w o r d s t i i fs t e e l s t i p i fs t e e l s u l cs t e e l s b a t c ha n n e a l i n g r e c r y s t a l l i z a t i o n i v 山东大学硕士学位论文 r r n 苊 e i o o h r b n d r d d s 塑性应变比 符号说明 平均塑性应变比 加工硬化指数 平均加工硬化指数 总延伸率 屈服强度 拉伸强度 洛氏硬度 板面法向 轧向 动态应变时效 v 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进 行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果 对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本声明的法律责任由本人 承担 论文作者签名 型量丰 日 期 幽 生蛰 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版 允许论文被查阅和借阅 本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 丝垒圣导师签名 日期 第一章绪论 1 1 立题背景与意义 第一章绪论 i f 钢的基本特点是在超低碳 u l c 钢中添加适当量的强碳和 氮化物形成元素t i 或n b 通过形成碳和氮化物将钢中固溶的c 和n 原子消除 从而使钢中没有间隙固溶原子存在 达到i f i n t e r s t i t i a l f r e e 状态 i f 钢具有优异的深冲性能及非时效 性 以i f 钢为基础发展起来的深冲镀锌i f 钢板 深冲高强度i f 钢板 深冲高强度烘烤硬化 b h i f 钢板等系列 已经成了第三代 汽车冲压用钢 i f 钢的生产已经成为一个国家汽车用钢板的标志 铁素体区轧制工艺 f e r r i t i er o l l i n g 即相变控制轧制 是近几年 发展起来的一种新的薄板坯连铸连轧工艺 其最初的设计思想是用 熟轧带钢取代1 2 m m 厚的常规冷轧产品 利用这一技术 可生产出 高延伸率的带卷 由于其有成本低 生产率高 产品质量高等优点 在国外得到了广泛的应用 并应用于超低碳i f 钢的热轧生产中 目 前 国内少数厂家也在i f 钢生产中尝试采用该工艺 退火工艺是i f 钢获得有利织构的重要工艺环节 因此有必要对 铁素体区轧制t i i f 钢 t i p i f 钢及u l c 钢的再结晶规律进行研 究 为大生产工艺参数的选择提供依据 1 2 课题研究内容 难点和目标 1 2 课题研究内容和难点 到目前为止 国内外对i f 钢铁素体轧制新工艺的研究主要集中 在轧制工艺参数或进一步的冷轧工艺参数对成形性能的影响 应用 t e m e b s d 等实验手段对铁素体轧制变形组织也进行了一定的研究 而对i f 钢和l c 钢的再结晶过程的研究较少 至今没有文献对其做 系统研究 本文以一种普通t i i f 钢 一种含p 高强t i i f 钢和一 种超低碳 u l c 钢为实验材料 在以上研究背景的基础上确定以下 山东大学硕士学位论文 研究内容 i 确定i f 钢 t i p i f 钢和超低碳 u l c 钢获得有利织构的退 火工艺制度 为大生产工艺参数的选择提供依据 2 确定i f 钢 t i p i f 钢和超低碳 u l c 钢在再结晶的不同阶 段微观组织的发展变化情况 得出获得优良深冲性能的微观组织控 制目标 3 比较i f 钢 t i p i f 钢和超低碳 u l c 钢再结晶现象的异同 分析t i p 对再结晶过程的影响 课题的难点主要体现在 1 针对所考察内容 如何合理地设计实验 影响结果的因素很多 在分析时需要排除干扰因素 抓住主要矛盾 2 在实验材料准备和实验分析上也面临着困难 1 2 2 研究的目标 本文的研究目标为 i 确定实验用普通t i i f 钢 含p 高强t i i f 钢和超低碳 u l c 钢的再结晶温度 2 系统的研究三种成分钢的再结晶过程 分析成分对再结晶的影 响 通过对再结晶过程微观组织变化的研究 为铁素体变形后再结 晶机理的研究做出贡献 1 3 本文主要工作 本文以一种普通t i i f 钢 一种含p 高强t i i f 钢和一种超低 碳 u l c 钢为实验材料 研究了成分对退火再结晶规律的影响 分 析了再结晶过程中硬度和微观组织变化规律 比较了退火后性能的 差别 2 2 1 lf 钢简介 第二章文献综述 i f 钢 i n t e r s t i t i a 卜f r e es t e e l 又叫无间隙原予钢 由于其具 有十分优异的深冲性能和非时效性 被誉为第三代超深冲用钢 被广 泛用作汽车板等冲压件的原料 2 1 1l f 钢的发展历史及生产现状 1 9 4 9 年 c o m s t o c k 首先提出在普通的低碳钢中加入足够量的t i 钢中的c n 原子完全析出成t i c n 时 在钢中不存在间隙原子 此时 该钢具有优异的深冲性能 由于受当时冶炼技术的限制 钢的含碳量 降低受到了限制 又由于t i 的价格昂贵 加入过多的t i 使成本提高 同时若加入过多的t i 也会影响到其性能 因此c o m s t o c k 的发现被搁 置 使i f 钢的发展受到限制 到2 0 世纪6 0 年代后期 由于真空脱气技 术在冶金生产中的应用 钢中的c 含量可以降到0 0 1 以下 这时i f 钢又重新被重视起来 最初的i f 钢商品板是加t i 的超低碳钢 1 9 6 6 年 日本八幡制铁所率先申报了 冲压性能优良的冷轧钢板制造方 法 的专利 并在1 9 6 7 年推出了以s s p d x 为名称的商品板 投放市场 1 9 7 1 年德国的蒂森钢厂也采用罩式退火工艺生产出多种用途的i f 钢 然而 尽管真空脱气技术的出现大大降低了i f 钢的生产成本 但生产 成本和价格仍比a k 钢要高的多 只是由于其深冲性能比a k 钢要好 故 当时使用仅限于少量难于用a k 钢生产的复杂形状零件 日本n i p p o n 和n k k 公司在1 9 7 2 年分别开发出了用于汽车板生产的连续退火机组 而在当时用连续退火机组生产出的a k 钢难以有高的r 值 但是i f 钢经 连续退火却能获得良好的深冲性能 这促进了i f 钢的发展 在1 9 7 0 年前后出现了加n b 的i f 钢 后来添加t i 和n b 的i f 钢也在1 9 7 3 年出现 到了八十年代 冶金技术得到了进一步发展 采用底吹转炉和改进的 r h 处理设备可以经济的生产出c 5 0 p p m 和n 2 5 的更高级别的深冲i f 钢 即s e d d q i f 钢的生 产技术在不断发展 以i f 钢为基础发展起来的超深冲镀层钢板 超深 冲高强度钢板等不断出现 为提高i f 钢的深冲性能 从工艺制度上进 行控制有明显的效果 大量研究认为很有效的方法就是热轧采用铁素 体区润滑轧制 主要控制轧制温度 卷取温度和强润滑轧制 使热轧 板形成较强 1 1 d n d 织构 避免了在奥氏体区轧制后形成的无取向 热轧板 利用织构的遗传性通过控制冷轧的压下率和热处理制度 可 以使铁素体区热轧板冷轧后的深冲性能有更明显的提高 2 2i f 钢铁素体区轧制新工艺 2 2 1 铁素体区轧镧工艺概述 铁素体区轧制工艺 f e r r i t er o l l i n g 或称相变控制轧制 t r a n s f o r a t i o nc o n t r o l l e dr o l l i n g 又称为温轧 w a r m r o l l i n g 最初开始于8 0 年代后期 其初始的设计思想是简化工艺 山东大学硕士学位论文 节约能源 力图用传统的连铸坯为原料 通过铁素体区轧制生产一种 可直接使用或供随后冷轧生产的价格便宜 质软 非时效的热轧板 由于该工艺在扩大产品范围 降低产品成本上的具有巨大潜力 近年 来受到了越来越多的关注 i f 钢铁索体区轧制工艺与传统的i f 钢生产 工艺区别在于传统的i f 钢热轧生产中粗轧和精轧温度均在a 以上 即 在奥氏体区轧制 而铁素体区轧制时精轧在a 以下 即铁素体区进行 图2 一l 给出了这两种工艺的差别 1 在工业化生产的条件下 适合铁 素体区轧制的典型品种有 可直接应用的热轧薄带钢 属无老化 软而有韧性的钢种 它可以替代传统的冷轧退火钢 适用于直接退 火 尤其是酸洗后热镀锌处理的薄带钢和超薄带钢 用于直接退火 的软热轧带钢 事实上 目前能实现铁素体区轧制的主要有低碳钢 低碳铝镇定钢和i f 钢 1 薅暑 喇 必忉 图2 1铁素体区轧制与传统工艺的比较 2 2 2 工艺对i f 钢性能的影响 i f 钢铁素体区轧制生产过程的每一个工艺阶段 从成分控制的炼 钢 粗轧 精轧 退火 直到平整 都影响i f 钢的最终性能 1 2 2 2 1 化学成分对i f 钢性能的影响 i f 钢的性能是由其成分和加工工艺决定的 合理的成分对于i f 钢产品优良性能的取得是至关重要的 c 和n 的含量对i f 钢的性能 特别是深冲性能有着举足轻重的影响 现有的研究公认降低钢中的c 和n 的含量可以提高钢的r 值 第二章文献综述 2 2 2 2 板坯加热温度对i f 钢性能的影响 当i f 钢的化学成分确定之后 i f 钢中的第二相粒子析出的形态 大小和分布与板坯加热温度有重要关系 研究表明 1 n b c 和a 1 n 完全 溶解温度分别为1 0 0 0 和1 2 0 0 而t i n 和t i c n 在1 2 0 0 也未完全 溶解 且在1 2 5 0 加热析出的t i c 和t i n 比在1 2 0 0 加热析出的t i n 和 t i c n 更加细小和弥散 在较低的板坯加热温度下 未溶解的c n 化物变得粗大且析出的c n 化物会越少 2 2 2 3 租轧工艺对i f 钢性能的影响 在热连轧生产中 钢坯从加热炉中出来后 首先要经过粗轧 传 统的i f 钢热轧生产中 为了保证i f 钢在奥氏体区精轧 粗轧温度一般 较高 因此铁素体轧制工艺中降低粗轧温度 可将出炉温度降低 降 低粗轧温度可以使进入精轧前的奥氏体晶粒尺寸减小 因此可以提高 r 值 2 2 2 4 精轧工艺对l f 钢性能的影响 降低i f 钢铁素体区轧制温度 增大压下量 提高其润滑条件 保 证晶粒度和充分的再结晶 都有利于 1 1 1 织构的形成和发展 从而 提高r 值 其中退火再结晶过程是对深冲性能有利的 1 1 1 织构形成的 重要过程 2 2 3 i f 钢铁素体区轧制工艺的优点 通过铁素体区热轧 可以生产具有相同或更优性能的冲压和深冲 超低碳钢 用铁素体区热轧代替奥氏体区轧制能节约能源 采用这一 技术 可以以更少的能耗生产更宽更薄的热轧板带 概括起来 i f 钢的铁素体区热轧具有以下几个优点 1 有效地节约能源 铁素体区热轧有多种节能途径 其中最直接 的一个是降低了加热温度 通过降低炉温不仅可以节约燃料 还可以 开发加热炉的潜在生产力 从而提高效益 2 提高带钢成材率和表面质量 传统的i f 钢热轧生产中 为了保 r 山东大学硕士学位论文 证终轧温度在a 以上 加热温度往往要求提高到1 2 5 0 c 如此高的加 热温度和轧制温度使带钢的氧化铁皮大大增加 采用铁素体区轧制工 艺 可以大幅度降低氧化铁皮损耗 提高成材率 由于采用较低的轧 制温度 铁素体区热轧对产品质量的有利作用首先表现为轧件表面质 量的提高 另外 由于铁素体区带钢的内部应力较低 可有效地提高 带钢的平直度 3 减少轧辊磨损 提高生产效率 通过降低精轧机组的轧制温度 能有效地减少轧辊磨损 增加有效工作时间 提高生产率 4 提高热轧带钢酸洗效率 提高带钢表面质量 由于氧化铁皮量 大大减少 不仅提高了带钢表面质量 而且使酸洗效率提高 5 缩短工艺流程 降低生产成本 i f 钢在铁素体区热轧时 若能 采取适当的控制轧制 控制冷却制度 采用较好的润滑条件 产品经 退火或高温卷取酸洗后可作为成品直接使用 从而免去了冷轧工艺 使产品成本大大降低 6 降低冷轧工序的轧制负荷 传统工艺中 热轧板中没有形成占 优的 1 1 1 织构 保证深冲性能的 1 1 l 织构只能在冷轧过程中形成 因此要求较大的冷轧总压下率 而采用铁素体区热轧工艺 通过铁索 体区热轧生成的 1 1 1 l 织构将能够遗传到冷轧过程并在冷轧过程中得 到加强 因此铁素体轧制工艺可以以较小的冷轧压下率得到传统工艺 在较大压下率得到的相同或更强的 1 1 1 织构 保证冷轧板的深冲性 能 7 获得高r d 的冷轧带钢产品 最新的研究表明 要想使i f 钢的r 值达到接近3 的超深冲级 传统的轧制工艺无论如何改进都无法实现 必须采用强润滑铁素体轧制工艺和随后的冷轧和退火才能实现 日本 川崎钢铁公司采用此工艺并采用无头连续热轧技术已经在工业生产 规模生产出r 值为3 的冷轧板 8 提供具有深冲性能的热轧薄板和热轧热镀锌板以部分取代冷轧 板和冷轧热镀锌板 传统工艺生产的热轧板因其热轧后的相交过程的 存在无法形成有利于深冲性能的 1 1 1 n d 织构 而在铁素体区轧制 过程中 精轧是在相变以后完成 因而能够在热轧板中形成对深冲性 能有利的 1 1 l n d 织构 从而使铁索体轧制热轧板具有良好冲压性 能 家电压缩机 汽车等行业有较大热轧酸洗板需求 其中压缩机用 第二章文献综述 冲压用钢产品厚度在2 3 3 5 m m 用铁素体轧制生产的热轧酸洗板可 以满足这类市场需求 2 3 铁素体区轧制if 钢罩式退火过程中再结晶规律的国内 外研究现状 再结晶可以理解成交形金属在加热的条件下生产一种全新的组 织结构的过程 这一过程一般要涉及到大角度晶界的迁移 进而消 除变形织构 在i f 钢的铁素体轧制生产工艺中 退火再结晶过程是 对深冲性能有利的 1 1 1 织构形成的重要过程 精轧过程中得到的有 利取向的晶粒还需要通过退火再结晶过程发展成 1 1 1 织构 长期以 来人们一直在研究变形晶粒与再结晶晶粒之间的关系 以及它们对再 结晶过程的影响 并试图来了解再结晶机制 期间提出了各种各样的 理论 但总的来说其中最有影响 也为很多人接受的是两种理论 即 定向形核理论 和 定向生长理论州删 定向形核理论 由b u r g e r s 首先提出 这种理论认为 一次再结晶的核心具有在晶体学上与变形 织构密切相关的特殊位相 这些定向形核靠消耗变形机体长大而产生 再结晶织构 定向生长理论 是由b a r r e n t 首先提出的 这种理论 认为 在大变形金属中存在很多具有不同位相的晶核 只有那些相对 应于形变织构有利取向的晶核才能长大而形成再结晶织构 此外 还 有人认为定向形核与定向生长同时起作用 从而出现了所谓的 定向 形核一选择长大理论 n 1 对退火再结晶规律的实验研究主要有两种 手段 一是有宏观意义的织构和金相组织的观察测定 另一个是针对 某 微观结构 如晶内剪切带 的个体研究 通过这两种手段可以从 不同的层次对再结晶过程进行研究 很多情况下只有综合利用这两种 手段 才能准确把握再结晶规律 例如 铁素体轧制i f 钢退火时 在再结晶的初期 1 1 1 织构在晶界或晶内剪切带上形核后 取代变 形亚结构 由于两者的取向偏差很小 如果单从织构变化来分析就很 难发现有变化 相反的 仅仅对某一微观结构进行研究所得出的规律 从统计学上来讲 不一定适用于整个变形材料的再结晶过程 对于铁 素体区轧制的i f 钢的再结晶规律 国内外的学者从不同的方面运用 不同的试验手段进行了一些研究 9 山东大学硕士学位论文 2 3 再结晶过程中微观组织变化规律的研究现状 2 3 1 1 铁素体区轧制后的变形组织的特点 i f 钢和超低碳钢在高温铁素体区变形时的主要软化机制是动态 回复 但是一些研究中也发现了动态再结晶现象 文献 盯对i f 钢 3 l p p mc 1 8 p p mn 0 1 5 m n 0 0 4 5 a 1 0 0 4 9 t i 和超低 碳钢 4 5 p p mc 6 0 p p mm n 4 0 p p ma 1 5 p p mn 的动态再结晶现象进 行了测定 如图2 2 所示 与i f 相比 超低碳钢可以在更低的温度和 更高应变速率下发生动态再结晶 这种区别可能主要是由溶质和析出 物的不同引起的 从图中也可以看出在典型的温轧条件下 应变速率 2 0 s 变形温度6 0 0 到8 5 0 动态再结晶很难发生 所以对于i f 钢和超低碳钢而言 常规条件下铁素体轧制后的组织基本上为不均匀 的 未再结晶的和有相当程度残余应变的变形组织 圈2 2 变形中动态回复和动态再结晶区域 a f l l l i 哪l 静 b l n l l l 静 c t l l 3 l l 静 d 1 1 2 1 i 静 b l l i i l l 争 图2 4 温轧钢板 o 0 1 c o 2 4 缸 0 0 2 1 a a l 2 0 p mn 中 晶界处的取向变化 图2 3 轧制温度对位错密度的影响 在i f 钢和超低碳钢的高温铁素体区轧制过程中 动态回复普遍 存在乜 2 所以在温变形材料中常常存在重新分布的位错 通过硬度 i o 第二章文献综述 测量 x 射线分析 x r a y1 i n eb r o a d e n i n g 和t e m 分析等手段 一些文献瞻 2 圳对温轧组织中的位错密度进行了估算 从这些文献得 出的最重要的结论是动态应变时效 d s a 导致位错密度的明显升高 如图2 3 所示为i f 5 0 p p mc 3 0 p p mn 0 1 3 m n 0 0 4 2 a 1 0 0 8 4 t i 和l c 0 0 1 4 c 0 2 2 m n 0 0 3 s i 8 p p mn 钢经 过变形率为6 5 的单道次温轧后 通过x 射线分析和硬度测量结果 估算出相对位错密度对变形温度的函数昭 在较低的变形温度下 超 低碳钢的动态应变时效 d s a 行为导致了位错密度的升高 温轧组织中的位错主要表现为动态回复后的亚晶结构 许多关于 变形的研究文献对这些亚晶组织的尺寸进行了测量 当压力从3 0 m p a 变化到3 0 0 m p a 时 亚晶尺寸从6 岫下降到约1 帅 s e n u m a 等人研究了温 轧l c 钢的亚晶组织的特点 发现 1 1 1 变形晶粒中接近晶界处的 亚晶的转向 1 1 2 取向 如图2 4 中的t e m 照片所示 但是在相 同条件下的i f 钢中却没有观察到相似的现象 所以 这个现象被认为 是在变形过程中由固溶碳原子引起的 这种取向梯度对温轧l c 钢中特 殊再结晶织构的形成有重要的影响 必须指出的是 当l c 钢中加入c r 时 这种特殊织构消失了 这说明取向梯度的形成并不仅仅是由固溶 碳引起的口 温轧微观组织也显示出了与轧制方向成一定角度的带状特征 根 据它们的特点 被称作微带 剪切带 变形带 薄片带等等 k b a r i 等人在他们的研究中指出了微带和剪切带的存在 并且指出 他们所 观察到的所有的微带有相似的宏观取向 即与轧制平面成士3 5 角 这与h a n s e n 等人在冷轧f c c 材料中所发现的微带的特征相一致 并且 u s h i o d a 等人在f e n 合金中发现了有相似宏观取向的剪切带 尽管不 同的研究者的命名不同 但是这些微观带状组织都与轧制平面成2 0 一3 5 角 并且这种局部变形机制在温轧材料的冶金学中起到了重要 作用 这些带状组织经常分布在单个变形晶粒中 如2 5 所示 在本 文中把它们统称作晶内剪切带心 许多文献都认为晶内剪切带对再结 晶晶粒的取向有重要影响 在铁素体区轧制i f 钢的退火中 剪切带能 够增加 1 1 1 取向形核 在再结晶的后期随着r d 织构不断被吞并 这 些取向进一步得到加强 虽然剪切带常常发生优先再结晶形核 但是 其取向却取决于剪切带的性质 温轧i f 钢中中等强度的剪切带使得再 山东大学硕士学位论文 结晶晶粒具有 1 1 1 取向 另一方面 在冷轧l c 钢中强烈的剪切带却 促使了高斯织构 1 1 0 的形成 由于剪切带在再结晶过程中的重要作用 很多文献对其性质做了 进一步的研究 首先晶内剪切带要受到变形温度的影响 例如 u s h i o d a 等人发现晶内剪切带随着d s 的开始而增加 图2 6 为i f 钢 5 0 p p mc 3 0 p p mn 0 1 3 m n 0 0 4 2 a 1 0 0 8 4 t i 和l c 钢 0 0 1 4 c 0 2 2 m n 0 0 3 s i 8 p p mn 中晶内剪切带随温度的变化曲 线 从图中可以看出 i f 钢基本不受温度的影响 而l c 钢受温度的影 响较大 图2 5i f 钢中的晶内剪切带图2 6 变形温度对晶内剪切带的影响 关于l c 钢中晶内剪切带随温度的变化趋势 a h a l d a r 等人也进行 了测定如图2 7 所示 虽然与图2 6 中所示的剧烈变化的温度范围有 差别 但它们的变化趋势相同 其次 剪切带还要受到变形量的影响 g h a k b a r l 等人在研究中发现 在5 的压下量时 微带只在特殊取 向的晶粒中出现 且只存在与单个晶粒中而不穿过晶界 而在大压下 量的情况下 常常可以在一些区域中发现取向不同的两组带状组织 带的宽度随着温度的升高而变宽 随着变形量的增大而减小 随着变 形量的增加 亚晶通过穿过剪切带的边界的形成而逐渐形成 如微带 在沿长度的方向上被分割 在大的应变量下 亚晶和微带的边界变的 清晰 而又有随着温度升高而进一步得到加强 尽管原始的带状边界 在应变到1 时依然能够被辨别 尤其在较低温度时 但是变形量的 增加 亚晶由沿长度方向分割带状组织而形成 且逐渐变成为等轴晶 1 2 第二章文献综述 在高变形温度和高变形量的情况下 等轴晶有清晰的边界 而原始的 剪切带边界在一些情况下就很难区别出来了 图2 7 变形带的面积比例随温度的变化曲线 a h a l d a r 等人对温轧后i f 钢中的不同取向的晶粒中的晶内剪切 带 作者命名为扩展位错界 的性质进行了测定 作者根据取向的不 同把晶粒分为三类 与j 织构 n d 取向差小于1 5 的称为 r 晶粒 与口织构 r d 取向差小于1 5 称为a 晶粒 除a r 晶粒以外的任意取向的晶粒称为r 晶粒 他们发现扩展位错界在不 同取向的晶粒中的组数有较大的差别 如表2 2 中所示 但所有的扩 展位错界都在 1 1 0 和 1 1 2 晶面上或非常接近 其角度差如图2 8 所示 在不同晶粒中的角度差别如图2 9 所示 扩展位错界与轧制方 向的宏观角度差如图2 1 0 所示 表2 2 扩展位错界在不同取向的晶粒中的组数 1 3 山东大学硕士学位论文 图2 8图2 9图2 1 0 m r b a r n e t t 1 研究了t i i f 钢和超低碳钢在6 5 0 7 0 0 压下率 为6 5 时的变形组织和7 0 0 1 2 盐浴退火组织 通过沿轧制方向上的进 行e b s d 取向分析 得出了i f 钢和超低碳钢中的晶内剪切带的不同 如 图2 1 i 所示 图2 一i i 沿轧向不同位置处的取向差 2 3 1 2 再结晶过程中的微观组织变化规律 1 4 n a t s u k oh a s h i m o t o 等人n 1 用电子背散射图 e b s p 研究了i f e薹曩a粕誓墨 罾适 叠蠡蓉簟薯嚣i量曩 第二章文献综述 钢冷轧后再结晶后期不同取向的晶粒中组织形成的真实形貌 作者将 变形晶粒依照5 种不同取向进行了分类 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 l 5 浸散取向 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 类晶粒的再结晶取 向为漫散取向 再结晶的后期阶段织构的整体变化可以总结为 1 1 l l 取向的再结晶晶粒吞并临近的 1 1 1 1 0 0 取向的变形晶粒 图2 一1 2 中便是 2 3 4 类的变 形晶粒再结晶后的晶粒取向 脚硝 二厕鼎二翻南 k 式 确而 嗣而 确小 o r t e m m 幽e e c l a i r 4 嘴嗍晌一抽幽i b 珊一曲竹龇删一 n 坼i i j 嵋 t d c f e n m d 鲥一重t 一 国 i 阼口ic i i e 绚 图2 1 2 2 3 4 类的变形晶粒再结晶后的晶粒取向 文章认为在再结晶晶粒长入 2 3 4 类的变形晶粒之前 1 5 类的变形晶粒已经完成了再结晶 并且晶粒长大也已经在 再结晶的晶粒中发生 因为长大和被吞并的晶粒都有n d 的取 向 所以在 1 类晶粒中晶粒长大引起的织构变化是非常微弱的 只有当其吞并临近的 2 3 4 类变形晶粒时 才开始有明显 的织构变化 m r b a r n e t t 等人研究了铁素体区i f 钢在再结晶初期 2 的 行为 发现n d 纤维织构首先在n d 变形组织晶内剪切带处产生 如图2 1 3 中所示 山东大学硕士学位论文 图2 1 3i f 钢中n d 取向晶粒在变形n d 晶粒内剪切带处形核 2 3 2 再结晶过程中织构变化规律的研究现状 退火再结晶过程是对深冲性能有利的 1 1 1 织构形成的重要过 程 铁素体精轧过程得到的有利取向的晶粒还需通过退火再结晶过程 发展成 1 1 1 织构 t s e n u m a 研究了i f 钢在再结晶的不同阶段的织构变化规律 他发 现i f 钢在7 5 0 热轧压下率7 5 再以1 0 c s 加热到设定的退火温度保 温一定时问 当再结晶达到4 0 时的早期阶段 5 5 4 织构附近的 取向强度增加了 而 n d 织构的强度却减小了 在再结晶的后 期阶段 r d 织构的强度显著较少 而 1 1 d n d 织构的强度又 增加了 也就是说 有利于深冲性能的 1 1 1 再结晶织构是在再结晶 的后期阶段才发展起来的 因此不管采取什么样的退火制度 充分的 再结晶是必须保证的 很多学者的研究结果都表明 在再结晶过程的 后期 再结晶分数超过6 0 以上 此时才有利于 1 1 1 织构的形成和发 展 h s a i t o h k u s h t o d a t s e n u m a 等人测定了退火过程中织构随 时问变化的规律 如图2 1 4 所示n 铁素体区轧制的i f 钢即使经过 充分的退火 织构和组织的不一致仍被保存至完全再结晶的晶粒中 再结晶动力学不仅在厚度方向上不一致 晶粒与晶粒之间也不一致 退火过程中 在表层具有 1 1 0 和 1 1 2 剪切织构 的细小晶粒合并成一个大晶粒 织构没有发生变化 在中部有三种晶 粒 一种是有 1 1 1 织构的细小晶粒 合并成一个大的 铁素体晶粒 织构在退火过程中没有发生变化 另一种出现变形带的 晶粒 在退火过程中沿变形带优先发生再结晶 产生具有 1 1 1 的再结晶晶粒 第三种是表面光滑的晶粒 被在 1 6 第二章文献综述 原始晶粒边界形核的 1 1 1 再结晶晶粒消耗 它们也发生再结 晶 产生有大的竹节状结构的晶粒 织构不发生变化 而且小的再结 晶晶料首先沿具有光滑表面晶粒内的变形带形核 在完全再结晶晶粒 内生成少量的 1 0 0 织构组分 1 图2 1 47 0 0 2 退火时随退火时间的变化x 射线相对 强度的变化 a 1 1 6 厚度处 b 1 2 厚度处 2 3 3 再结昌过程中二相粒子变化规律的研究现状 t i i f 钢是通过向超低碳钢中加入钛元素而得到的 加入的t i 与 基体中的c n s 反应 在浇注过程和热轧过程中逐渐生成一系列的 第二相 从而固定了间隙原子 经过多年的研究 人们已经确定了 t i i f 钢中存在着t i n t i s t i c s t i c 和f e t i p 等多种析出物 而 且随着锰含量的增加 还会出现m n s 目前 对于大多数第二相粒子 的相结构已经有了较为明确的认识 如表2 3 所示 不过对于t i s 中 的原子比的看法还不一致 有t i s t i s t i s 等多种提法 这 种分歧还有待于采用新的研究方法来解决 另外 对于t i c s 中c s 的原子比还无法确定 所以假定化学计量比为1 m 1 表2 3t i i f 钢中主要沉淀物的相结构及化学配比 1 7 山东大学硕士学位论文 石京等研究了i f 钢冷轧后退火过程中二相粒子的变化规律 发现 t i n t i s t i c s 在退火过程中变化不大 其粒度 数量 形状和热 轧态相比基本一致 其分布都呈弥散 随机状 部分粗大粒子经冷轧 被破碎 另外一些在板坯再加热阶段析出的规则形状粒子残存至退火 完成 t i c 经过罩式退火 连续退火后 其粒度交大 呈聚集长大的 态势 退火温度在决定t i c 粒子尺寸上起主要作用 f e t i p 粒子在再结 晶形核阶段开始析出 随着温度的上升 再结晶的进行 f e t i p 粒子 继续析出 并聚集长大 在7 l o 时f e t i p 粒子最多 随着温度继续上 升 f e t i p 粒子有一部分重新溶解 其数量减少 f e t i p 在罩式退火中 析出 并易沿晶界分布 这对形核晶粒的长大 再结晶织构的形成和 发展有害 1 8 第三章铁素体区轧制t i i f 钢的再结晶规律研究 第三章铁素体区轧制t i i f 钢的再结晶规律研究 3 1 前言 i f 钢铁素体轧制生产中 有两种不同的退火工艺路线 一种是 i f 钢在较高的温度下终轧利用余热对板卷进行退火 这种工艺可以 生产有一定的深冲性能且价格相对较低的板材 另一种工艺是铁素体 轧后通过连续退火 罩式退火和连续热镀锌完成再结晶 获得优良的 深冲性能 本实验中i f 钢在铁素体轧制后空冷 然后在实验室的箱 式退火炉中模拟罩式退火 力图找出i f 钢在罩式退火中的再结晶规 律 3 2 材料及实验过程 3 2 1 实验材料 本实验用材料在美国c o n s r c 公司生产的多功能真空精炼试验 炉中熔炼 锻造后截取外形尺寸约为1 5 0 2 0 0 3 0 m m 的板坯 实验 材料成分如表3 1 所示 表3 1 实验材料化学成分 w t i钢种 cn s pm ns ia 1t i it i i f 钢0 0 0 20 0 0 2 90 0 0 40 0 0 20 1 60 0 0 80 0 1 90 0 7 2 将板坯加热至1 1 5 0 1 2 保温三个小时后 取出空冷至轧制温度 按设定道次及压下量轧至要求厚度 终轧后空冷至室温 轧制过程中 使用润滑剂 表3 2 给出了铁素体轧制制度及最终板厚 表3 2 轧制工艺制度 开轧温度终轧温度总压下率 钢种道次压下分配 r a m t i i f 3 0 2 5 2 0 一1 5 9 7 0 05 8 09 1 7 钢 3 2 5 3 2 2 遇火工艺 从轧后钢板上截取3 0 4 0 m m 的片状试样 在实验室的箱式退火 炉中加热 做如下正交实验 设定加热温度分别为5 5 0 6 0 0 1 2 6 5 0 7 0 0 c 7 5 0 c 8