热轧FB扩孔钢的组织性能研究

1、热轧 FB 扩孔钢的组织性能研究昊a ,丁桦a ,b ,唐正友a ,李龙a ,王卫卫a丁(东北大学 a . 材料与冶金学院 ;b. 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室 ,辽宁 沈阳 110004)摘 要 :用 Gleeble - 1500 热模拟实验机测定了 FB 钢变形后的 CC T 曲线 ,并对实验钢采用不同工艺进行了控轧控冷实验 。研究了工艺参数对实验钢力学性能和组织的影响 ,分析了 FB 钢的强韧化机制 。实验表明 ,实验钢在较宽的冷却速度范围 (大于 2 / s) 内可获得贝氏体组织 。降低终轧温度可使铁素体晶粒得到细化 ; 提高开冷温度 ,可使贝氏体体积分数增加 ,抗拉强度升高 ;

2、而卷取温度则对屈服强度影响较明显 。合理的控轧 控冷工艺可使实验钢的强度级别达到 600 M Pa ,并具有较高的韧 、塑性 、扩孔性和合理的屈强比 。扩孔实验表 明 ,细化晶粒可提高扩孔率 ,贝氏体体积分数在 20 %左右时实验钢扩孔性能较好 。关键词 : FB 钢 ; CC T 曲线 ;控轧控冷 ;力学性能 ;扩孔中图分类号 : T G1421 1文献标识码 : A文章编号 :1003 - 9996 (2008) 03 - 0016 - 06Study on Microstructures and Mechan ical Propert ies of aHot Rolled Hole Fl

3、anging FB SteelD IN G Hao a ,D IN G Hua a ,b , TA N G Zheng2yo ua ,L I Lo nga , WA N G Wei2wei a( a1 School of Mat erial s a nd Met all ur gy ;b1 The St at e Key L a b of Rolli ng a nd A uto matio n , No rt hea st er n U ni ver sit y , Shenya ng 110004 ,Chi na)Abstract : The co nti nuo us cooling t

4、ra nsfo r matio n curve s wit h defo r matio n of f er rite/ bainite ( FB ) steel were st udied by Gleeble - 1500 t her mal2mechanical simulatio n1 Co nt rolled rolling and co nt rolled cooling were ca r ried o ut usi ng diff erent schedules1 Eff ect of technolo gical pa ra met er s o n t he mecha n

5、ical p ropertie s a nd micro st r uc2 t ure were inve stigated , a nd st rengt hening mecha ni sms of FB steel were a nalyzed1 Ther mal simulatio n re sult ssho wed t hat bainite st r uct ure co uld be o btained at a wide cooling rate a bo ve 2 / s1 The micro st r uct ure co uld berefined by reducin

6、g fini sh rolli ng temperat ure a nd i ncrea sing sta rt cooli ng temperat ure1 So t hat t he st rengt h in2 crea sing of t he exp erimental steel follo w s t he vol ume f ractio n increa sing of bainite1 Ho wever coili ng tempera2 t ure ha s great inf l uence o n yield st rengt h1 Experiment al ste

7、el wit h 600 M Pa , goo d ductilit y , pla sticit y , hole f la ngeabilit y and yield ratio ca n be o btained by t he p rop er TMCP technolo gy1 The exp eriment of hole f la nging revealed t hat t he rate of hole f langing co uld be increa sed by refining t he grain size ,a nd t he experimental stee

8、l ha s goo d hole f la nging w hen t he vol ume co ntent of bainite i s a bo ut 20 %1Key words :FB steel ; CC T curve ;co nt rolled rolling a nd co nt rolled cooling ; mecha nical p rop ertie s ; hole f langing件 1 - 4 。国内对热轧贝氏体钢和铁素体/ 马氏体双相 钢的组织性能研究较多 ,但对延伸凸缘性较好的FB 钢的研究较少 。为此 ,本文对低碳微合金钢热 轧 FB 钢组织和性能的

9、影响因素进行了研究 , 并FB 钢组织是过冷奥氏体在珠光体转变和马氏体转变之间中温区域内发生转变而形成的 ,由 铁素体 和 贝 氏 体 组 成 。经 热 轧 后 的 微 合 金 FB钢 ,能很好地兼顾强度和延性的平衡 ,并具有优良 的延伸凸缘性 ,可用于制造车轮 、车盖板等冲压部收稿日期 :2007 - 12 - 03作者简介 :丁 昊 (1980 - ) ,男 (汉族) ,辽宁沈阳人 ,博士研究生 。第 25 卷 ·第 3 期丁 昊等 :热轧 FB 扩孔钢的组织性能研究·17 ·对强化机理进行了分析 。扩孔率计算公式定义为 : = ( Df - Di ) 

10、15;100 %/ Di式中 ,为扩孔率 , % ; Di 为原始孔径 , mm ; Df 为 实验终止时中心孔径 ,mm 。1实验材料及实验方法实验 材 料 的 化 学 成 分 ( wt %) 为 : 01 061C ,01 624 Si , 11 427M n , 01 662 Cr , 01 0027 S , 01 0049 P ,01 058Al ,余量为铁 。铸锭锻造成 140 mm ×80 mm×40 mm 的热轧实验坯料 。热模拟试样取自轧后 的实验钢板 ,加工成 8 mm ×15 mm 圆柱试样 。在 Glee ble21500 热模拟机上测试实验

11、钢变形后的 CC T 曲线 。在变形 50 %以后 ,在 850 以不 同的冷却速度冷却 ,具体工艺如图 1 所示 。测量 出试样的温度2膨胀量变化曲线 ,采用切线法在热 膨胀曲线上确定相变温度 ,结合实验钢的显微组 织 ,确定发生相转变的类型 。2实验结果21 1 奥氏体的连续冷却转变热模拟实验的冷却速度为 01 520 / s 。图2 、图 3 分别示出实验钢的显微组织和变形 50 %的连续冷却曲线 ( CC T 曲线) 。从图 3 可看出 ,当 冷却速度为 01 51 / s 时 ,显微组织主要由 F + P 组成 ;冷却速度为 2 5 / s 时 , 显微组织主要 由 F + B +

12、极少量 P 组成 ;冷却速度为 515 / s 时 ,显微组织由 F + B 组成 。随着冷却速度的增 加 ,贝氏体组织的体积分数逐渐增大 。当冷却速度大于 15 / s 时 ,显微组织主要由贝氏体组成 。 由图 3 可 知 , 冷 却 速 度 由 01 5 / s 增 至 20 / s 时 ,铁素体开始转变温度由 770 降至 550 ,而 贝氏体开始转变温度也由 660 降至 550 ,贝氏 体体积分数增加 ,宏观维氏硬度升高 。但当冷却速度大于 10 / s 时 ,实验钢宏观维氏硬度相差不 大 。从图 2 还可看出 ,随冷却速度的增加 ,铁素体 形貌由多边形逐渐转变为条状或针状 。21

13、2 拉伸性能及微观组织控轧控冷实验结果见表 1 。表 1 示 出 1 # 4 # 实验钢在不同终轧温度 、开冷温度 、冷却速度 和卷取温度下的力学性能 。图 4 为经 控 轧控 冷工 艺后 实 验 钢 的 显 微 组 织 。从图 4 可看出 ,控轧控冷工艺对实验钢的铁 素体形貌 、晶粒大小及各组织的体积分数有明显影响 。1 # 、2 # 和 4 # 实验钢为铁素体和贝氏体组 织 ,而 3 # 实验钢的组织由铁素体 、贝氏体加少量 珠光体 组 成 。4 # 实 验 钢 终 轧 温 度 低 、开 冷 温 度 高 ,使铁素体晶粒细小 、贝氏体体积分数增加 ,所 以强度较高 。图 5 是 3 # 实验

14、钢的 T EM 微观形貌 ,图 5a 显 示 ,基体上出现大量形状无规则的 M2A 岛 ,尺寸 为 1m 左右 。在 M2A 岛或 M 岛附近的铁素体 中存在高密度位错 。图 5 b 组织为贝氏体 - 铁素 体板条 ,其间存在残留奥氏体膜状带 ,这些残余奥氏体 在 变 形 过 程 中 可 能 转 变 成 马 氏 体 , 即 发 生T R IP 效应 ,在提高强度的同时可改善塑性 。图 1 用膨胀法测定实验钢变形后 CCT 曲线的工艺轧制实验在 450 mm 二辊可逆高刚度热轧 机组上进行 ,将实验钢加热到 1200 、保温 2 h ,开 轧温度在 1100 左右 ,轧制过程中控制各道次的 压下

15、量和轧制温度 。轧制总压下量为 91 % ,钢板 的最终厚度为 31 5 mm 。轧后水幕冷却速度控制 在 50100 / s 。在 W ED - 2 型 20 kN 电子万能 试验机上进行拉伸性能检测 。沿板材横向制取试 样进行冲击性能检测 ,采用 V 形缺口试样 , 尺寸 为 5 mm ×10 mm ×55 mm 。热模拟试样沿轴向 、热 轧试样沿轧向剖开 ,经研磨 、抛光后用 4 %的硝酸 酒精溶液腐蚀 ,宏观维氏硬度在 W IL SON WOL2P ER T 430/ 450 SVD TM 维氏硬度计上测试 ,金相组 织采用 OL YM PU S GX51 光学显微

16、镜观察分析 ,并且 对 部 分 微 观 组 织 形 貌 进 行 了 透 射 电 镜( T EM) 分析 。扩孔实验在 B CS - 30D 型通用板料成形性试 验机上进行 。用平底凸模法测定扩孔性能 ( 拉伸 凸缘 性 能) 。在 尺 寸 为 100 mm ×100 mm ×3 mm板材中 心 冲 出 10 mm 圆 孔 , 凸 、凹 模 相 互 压 紧(凹模圆角为 41 5 mm) ,用顶角为 60°的锥形冲头 冲压 ,直至预制孔边缘有明显的穿透裂纹为止 。轧钢·18·2008 年 6 月出版图 2 实验钢的变形显微组织 (= 50 %)冷却

17、速度/ ·s - 1 :a) 01 5 ; b) 21 0 ;c) 151 0图 3 实验钢的变形 CCT 曲线 (= 50 %)表 1 不同工艺条件下实验钢的力学性能冷却速度/ ·s - 1试样编号终轧温度/ 开冷温度/ 卷取温度/ F 晶粒尺寸/mB 体积分数/ %扩孔率/ %b / M Pas/ M Pas /b/ %1 #2 #3 #4 #8508408208006806807207204005005605009590655055555557060039033037042001 7001 5901 8001 70291 8361 8341 6341 261 571

18、051 351 1211 4191 9201 0311 571679482图 4 实验钢的热轧金相组织实验钢编号 :a) 1 # ; b) 2 # ;c) 3 # ; d) 4 #第 25 卷 ·第 3 期丁 昊等 :热轧 FB 扩孔钢的组织性能研究·19 ·图 5 3 # 实验钢的透射组织a) M2A 岛及位错 ; b) 贝氏体 - 铁素体板条及残余奥氏体膜21 3冲击实验及断口形貌由于 FB 钢主要应用于汽车 , 而汽车的日常 应用环境温度一般在 20 至 - 20 。因此本实 验选择测试的温度点是 20 、- 20 、- 60 ,实验结果如表 2 所示 。从

19、表 2 可看出 ,1 # 3 # 实验钢在 20 、- 20 时 ,冲击吸收功变化不大 ,在 - 60 时 ,冲击功下 降明显 ;而 4 # 实验钢在 - 60 时仍有较高的冲击 功 ,在 - 80 时 ,冲击功降至 26J 左右 。图 6 为 4 # 实验钢冲击断口的形貌 ,在 - 60 时 ,断口呈现暗灰色 、纤维状 ,有较多韧窝 ,属于韧 性断口 ;而在 - 80 冲击时 ,断口形貌为不同比例 的结晶状和少量纤维状混合断口 ,属于冷脆转变 温度范围 。表 2 实验钢冲击实验结果J1 #2 #3 #4 #温度/ 381 72381 04471 15461 78461 93451 49361

20、 05351 8020- 20 - 60 221 75 211 53 161 84 301 54 图 6 4 # 实验钢冲击断口形貌试验温度/ :a) - 60 ; b) - 8021 4 扩孔实验1 # 和 2 # 实验钢的抗拉强度相同 ,贝氏体体积 分数相差不大 ,但由于 1 # 实验钢比 2 # 实验钢的铁素体平均晶粒尺寸约小 01 5m ,从而使扩孔率提高了 4 %左右 (见表 1) 。而 3 # 实验钢与 2 # 实验钢相 比 ,在贝氏体体积分数几乎相同情况下 ,铁素体平 均晶粒尺寸细化到 51 3m 左右时 ,扩孔率提高到94 %。这说明 ,晶粒细化提高了实验钢的塑性和韧性 ,使扩

21、孔性能提高 。3 # 和 4 # 实验钢的铁素体平均晶粒尺寸相差 01 1m ,但由于 4 # 实验钢的贝氏 体体积含量达到 311 5 %左右 ,远高出 3 # 实验钢的20 % ,因而使 4 # 实验钢的扩孔率下降 。分析及讨论331 1工艺参数对组织性能的影响及强化机制从表 1 可 看 出 , 开 冷 温 度 由 680 升 至720 、卷取温度在 500 以下时 ( 1 # 、2 # 和 4 # 实轧钢·20 ·2008 年 6 月出版验 钢 ) , 抗 拉 强 度 可 由 约 550 M Pa 升 至 约600M Pa ;卷取 温 度 由 500 降 至 400

22、时 ( 1 # 和2 # 实验钢) , 实验钢 的 屈服 强度 由 330 M Pa 升 至390M Pa 。 降低终轧温度 、提高开冷温度使铁素体晶粒得到细化 。卷取温度对轧制双相钢的显微组织有重要影响 ,这从组织性能和显微组织观察可以看 出 。由于在冷却过程中降温很快 ,因而使碳和大 量合金元素不能 及 时扩 散而 保 留在 铁素 体基 体 中 。而卷取时 ,由于温降很慢 ,因而在一定温度内 扩散可继续进行 。这既有利于延伸性能的提高 , 又有利于 FB 钢总体性能的稳定 。但卷取温度过 高会产生珠光体 ,影响 FB 钢的力学性能 。实验结果表明 ,降低终轧温度到 800 ,提高 开冷温度

23、到 720 ,可使铁素体晶粒细化 ,体积分 数含量减少 ,而贝氏体体积分数增加 ,钢的强度提高 。终轧温度降至约 800 时 ,随变形温度降低 , 奥氏体稳定性降低 ,形变会诱发部分铁素体相变 , 不但使实验钢的强度提高 ,也有助于韧性提高 8 。从实验钢的 CC T 曲线及其显微组织可以看 出 ,贝氏体的含量随着冷却速度的增加而逐渐增加 ,同时其形貌发生变化 。图 4 所示控轧控冷后 实验钢的显微组织也表明了这种变化 ,即卷取温 度越低 ,实验钢中的贝氏体量越多 。冷却速度快 , 过冷度大 ,易形成贝氏体组织 。在贝氏体相变过 程中 ,快速冷却能把相当一部分变形位错保留在贝氏体基体中 ,从而

24、大幅度提高了贝氏体基体的 强度 。同时 ,提高冷却速度可细化基体组织 ,改善 材料的力学性能 。从冲击实验结果可知 ,随着贝 氏体含 量 的 增 加 , 冲 击 功 有 所 降 低 。实 验 钢 的 CC T 曲线表明 ,在冷却速度为 15 / s 时 ,贝氏体的开始转变温度约为 550 , 因此为了获得一定 量的贝氏体 ,卷取温度应控制在 550 以下 ,同时 要合理选择终轧温度和冷却速度来对贝氏体的体 积分数进行适当控制 ,冷却速度过高或过低都不 利于综合力学性能的改善 。此外 ,实验钢中的残留奥氏体在扩孔过程中可能发生的相变诱发塑性 、铁素体中高密度的位 错都会对实验钢的强度和塑性产生一

25、定影响 。各 种强化机制的交互作用 , 不但会影响 FB 钢的初 始屈服 ,而且会影响实验钢的加工硬化速率 。31 2 影响扩孔的因素图 7 示出实验钢板在扩孔后出现的明显贯穿性裂纹 ,并且裂纹多垂直于轧制方向 。扩孔过程中钢板冲孔处受切向和径向拉应力作用 ,使得沿 轧制方向的组织发生变形 ,由于裂纹沿轧制方向 比沿垂直轧制方向扩展的阻力大 ,致使裂纹通过 垂直轧制方向剪断铁素体片条进行扩展 。图 7 扩孔实验后试样垂直于轧向的贯穿性裂纹影响实验钢扩孔率的因素有很多 ,但从实验钢扩孔数据分析可以看出 ,平均晶粒尺寸和贝氏 体体积含量是影响实验钢扩孔率最主要的因素 。 细化晶粒 ,增加了晶体中的

26、晶界数量 ,由于晶界两 边晶粒取向一般不同 ,导致滑移难以贯穿进行 ,致使扩孔开裂时所要克服的晶界能较高 ,所以有助 于提高扩孔率 。实验钢的贝氏体体积含量应在一个合适的范 围内 。如果贝氏体体积分数过低 ,则实验钢的强 度会很低 ;而如果贝氏体体积分数过高 ,会影响实验钢的韧 、塑性能 ,从而降低实验钢的扩孔率 。因 为 , FB 钢中贝氏体属于第二相强化 ,位错在晶体 中运动遇到第二相质点 ( 贝氏体) 时 ,多以绕过的 方式前进 ,断裂时多为沿贝氏体晶界或穿越铁素 体晶粒开裂 。因而 ,如果贝氏体体积分数过高 ,开裂的应力多集中在强度低且体积分数少的铁素体 9 基体上 ,导致扩孔率下降。

27、结论(1) 实验钢组织构成随冷却速度的不同而变 化 ,在变形 50 %的 条 件 下 , 冷 却 速 度 大 于 2 / s 时可得到贝氏体组织 ,该钢的贝氏体开始转变温 度依冷却速度的不同在 550660 变化 。(2) 终轧温度和开冷温度对抗拉强度的影响较明显 ,降低终轧温度 、提高开冷温度 ,会使抗拉4轧钢2008 年 6 月 ·第 25 卷 ·第 3 期 J un. 2008 Vol . 25 No . 3 S T E EL ROL L IN G ·21 ·板带轧制规程优化算法性能比较白 埃 民(钢铁研究总院结构材料所 ,北京 100081)摘

28、要 :讨论了板带压下规程的最优化数学模型及其求解问题 ,分析对比了综合等负荷函数法 、阻尼最小二乘法的各自特点 、效率及其适应性 。关键词 :轧制规程 ;优化 ;等负荷函数法 ;非线性最小二乘法中图分类号 :O224文献标识码 : A文章编号 :1003 - 9996 (2008) 03 - 0021 - 04A Comparison of D iff erent Pref erent ial Algorithm f or the Strip Roll ing ScheduleBA I Ai2mi n( Cent ral Iro n & St eel Re sea rch Instit

29、 ut e ,Beiji ng 100081 ,Chi na)Abstract : The p ref erential mat hematical mo del a nd it s sol utio n fo r t he st rip rolling schedule were di scussed ,and t he characteri stic s ,t he efficiency a nd t he applica bilit y of t he co mp rehensive i soload f unctio n al go rit hm and t he damp ed le

30、a st squa re met ho d were co mpa red a nd a nalysed1Key words :rolling schedule ;op ti mizatio n ;i soload f unctio n al go rit hm ; da mped lea st square met ho d压下规程的设定是板带轧制过程中的首要问题 ,合理的压下规程是实现高效 、优质生产的基 础 ,也是实现其他先进厚控技术的基础 。本文分析对比了板带压下规程优化计算中 3 种主要算法 的特点及其使用效果 。基本工艺模型板带轧制优化规程是指在特定“最优”意义下 计算各道次 、各机架的厚度分配值和轧制力预报 值 ,从而进行辊缝设定 ;优化规程计算虽然涉及到 轧机的几何参数和力能参数 ,但其计算结果只到厚度和轧制力层面 。1J . 钢铁 ,2006 . 41 ( 9) : 1 - 8 . 2 崔克特. 汽车用钢的发展动向J 1 金属世界 ,200