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        冷軋壓下率對退火含鈮鈦IF鋼性能及織構(gòu)的影響

        2014-12-09 09:06:16張功庭鄭之旺王敏莉
        機械工程材料 2014年7期
        關(guān)鍵詞:壓下率形核織構(gòu)

        張功庭,鄭之旺,王敏莉

        (攀鋼集團研究院有限公司,釩鈦資源綜合利用國家重點實驗室,攀枝花617000)

        0 引 言

        冷軋總壓下率是影響退火IF鋼(無間隙原子鋼)深沖性能的主要因素。若沒有冷軋變形,就不會有退火過程的再結(jié)晶,從而也無法獲得較強的{111}有利織構(gòu)和高r(塑性應(yīng)變比)值。因此,在適當?shù)幕瘜W(xué)成分和合理的熱軋之后,保證充分的冷軋壓下率是此類鋼獲得高r值的重要條件。研究者一致認為[1],對于IF 鋼,r 值 隨冷軋 壓下率 的增加而 單 調(diào)增大,直至壓下率高達90%時。在實際生產(chǎn)中為了獲得高的r值,普遍采用大于75%的冷軋壓下率,但由于生產(chǎn)設(shè)備的能力有限,壓下率一般不會超過85%。目前,冷軋壓下率對IF鋼組織和性能影響的研究較多[2-4],但在對含鈮鈦IF鋼的研究方面,僅有張鵬[5]研究了加入鈮、鈦IF鋼在單機架四輥軋機一次冷軋退火和二次冷軋退火后的組織、性能及織構(gòu)演變規(guī)律,其主要考慮的是冷軋壓下率分配的問題,并未對不同的冷軋壓下率進行研究分析。鑒于此,作者對含鈮鈦IF鋼進行不同壓下率的冷軋,之后進行退火處理,研究了冷軋壓下率對其性能和織構(gòu)的影響,并確定了最優(yōu)性能對應(yīng)的冷軋壓下率,期望能指導(dǎo)其工業(yè)化生產(chǎn)。

        1 試樣制備與試驗方法

        試驗鋼取自工業(yè)生產(chǎn)的4.5mm厚含鈮鈦IF鋼熱軋板,其化學(xué)成分見表1。

        熱軋板經(jīng)酸洗后,在實驗室SG-300型四輥軋機上進行冷軋,冷軋壓下率分別為60%,70%,80%和90%。垂直于軋向取樣,試樣尺寸為40mm×230mm×板厚,在預(yù)抽真空保護氣氛退火爐中進行退火。退火工藝:以360℃·h-1的加熱速率快速加熱至500℃,然后以50℃·h-1的加熱速率加熱至720℃,保溫5h后隨爐冷卻至150℃出爐。

        根據(jù)GB/T 228-2010加工標準拉伸試樣,在INSTRON 5569型電子式萬能試驗機上進行拉伸試驗;在力學(xué)性能測試后的試樣端頭切取24mm×26mm(26mm為軋向)的織構(gòu)試樣,采用單面浸蝕的方法獲得1/4層測試面,然后在D/max-C型X射線衍射儀上,用Cu-Ka射線,采用Schulz反射法在各試樣1/4層面上采集{110}、(200)和{112}三張不完整極圖,由Buange系統(tǒng)分析軟件計算取向分布函數(shù)f(g),并繪制ODF圖;沿織構(gòu)測試后試樣縱截面的軋向磨制金相試樣,采用MeF3型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。

        表1 試驗鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical composition of the experimental steel(mass) %

        2 試驗結(jié)果與討論

        2.1 力學(xué)性能

        圖1中n和r值是在試樣拉伸15%~30%后,處于均勻塑性變形時,根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系計算得到的,其中r90為垂直于軋向上試樣寬度方向與厚度方向的真應(yīng)變之比,n90為垂直于軋向上試樣的應(yīng)變硬化指數(shù)。由圖1可見,在試驗冷軋壓下率下,退火態(tài)試驗鋼屈服強度(93~104MPa)和抗拉強度(290~300MPa)的波動均較小,即冷軋壓下率對退火態(tài)屈服強度和抗拉強度的影響很小;冷軋壓下率在70%~90%時,退火態(tài)試驗鋼具有良好的伸長率,A80為45.5%~48%;隨著冷軋壓下率從60%增至90%,應(yīng)變硬化指數(shù)n90從0.34逐漸降為0.32,塑性應(yīng)變比r90在2.2~2.45范圍內(nèi),且呈先升后降的趨勢,并在70%冷軋壓下率下達到最大。可見,冷軋壓下率為70%~90%時,退火態(tài)試驗鋼具有較好的綜合力學(xué)性能。

        圖1 不同冷軋壓下率下退火態(tài)試驗鋼的力學(xué)性能Fig.1 Mechanical properties of the annealed experimental steel with different cold rolled reductions:(a)yield strength and tensile strength;(b)elongation and(c)strain hardness index n90and plasticity strain ratio r90perpendicular to the rolling direction

        2.2 顯微組織與再結(jié)晶織構(gòu)

        由圖2可見,在不同冷軋壓下率下,退火態(tài)試驗鋼均為完全再結(jié)晶鐵素體組織,且隨著冷軋壓下率的增加,鐵素體晶粒不斷細化。這是因為,隨著冷軋壓下率的增加,冷軋態(tài)形變儲能增加,增大了退火時再結(jié)晶晶核的形核率,因而再結(jié)晶晶粒尺寸得以細化。

        由圖3可見,冷軋態(tài)試驗鋼主要由{001}〈110〉、{114}〈110〉、{223}〈110〉和{111}等織構(gòu)組成,隨著冷軋壓下率的增大,上述織構(gòu)強度增大,但織構(gòu)類型無明顯變化。

        由圖4可見,在退火態(tài)試驗鋼的α取向線上,{001}〈110〉織構(gòu)與{110}〈110〉織構(gòu)的強度很低,冷軋壓下率越大,結(jié)構(gòu)強度越接近于零,即該類織構(gòu)逐漸消失;隨著冷軋壓下率從60%增至90%,織構(gòu)強度增大,但織構(gòu)的類型和最強織構(gòu)并未發(fā)生變化,{223}〈110〉織構(gòu)保持最強,{114}〈110〉織構(gòu)也保持較高強度,這可能是遺傳了冷軋{114}〈110〉織構(gòu)的緣故;另外,{111}〈110〉織構(gòu)并未因為大的壓下率而成為最強的再結(jié)晶織構(gòu)。在γ取向線上,隨冷軋壓下率的增大,再結(jié)晶織構(gòu)強度增大,當冷軋壓下率為60%~80%時,{111}〈110〉織構(gòu)與{111}〈112〉織構(gòu)的強度基本同步增強,{111}〈110〉織構(gòu)的強度高于{111}〈112〉織構(gòu)的;當冷軋壓下率繼續(xù)增大至90%時,{111}〈112〉織構(gòu)的強度大大增強,{111}〈110〉織構(gòu)的強度略微降低,它們對應(yīng)的f(g)值分別為7.5和5.0,此 時 {111}〈112〉織 構(gòu) 的 強 度 已 高 于{111}〈110〉織構(gòu)的。

        圖2 不同冷軋壓下率下退火態(tài)試驗鋼的顯微組織Fig.2 Microstructure of annealed experimental steels with different cold reductions

        圖3 不同冷軋壓下率下冷軋態(tài)試驗鋼1/4層α取向線和γ取向線上的f(g)Fig.3 f(g)alongα-fiber skeleton(a)andγ-fiber skeleton(b)at 1/4thickness of the cold-rolled experimental steel with different cold rolling reductions

        圖4 不同冷軋壓下率退火態(tài)試驗鋼1/4層α取向線和γ取向線上的f(g)Fig.4 f(g)alongα-fiber skeleton(a)andγ-fiber skeleton(b)at 1/4thickness of the annealed experimental steel with different cold rolling reductions

        2.3 討 論

        冷軋退火態(tài)高強IF鋼的優(yōu)異成形性能與其再結(jié)晶織構(gòu)有關(guān),冷軋壓下率越大,形變儲能越大,再結(jié)晶織構(gòu)形成的驅(qū)動力也就越大。在冷軋過程中,晶粒受強烈的塑性變形會發(fā)生轉(zhuǎn)動,處于軟取向的晶粒先開動并最終轉(zhuǎn)到穩(wěn)定取向;隨著冷軋變形率的增大,開動滑移系的動力也越大,一些處于硬取向的晶粒也發(fā)生轉(zhuǎn)動,并至穩(wěn)定取向,這樣就形成了不同的冷軋織構(gòu)。試驗鋼冷軋后,其主要的冷軋織構(gòu)由{001}〈110〉、{114}〈110〉、{223}〈110〉和{111}織構(gòu)組成。{111}〈110〉和{111}〈112〉組分具有最高的形變儲能[1],因而在退火過程中,具有這兩個取向的形變晶粒最先發(fā)生再結(jié)晶形核,并且{111}〈110〉再結(jié)晶晶粒形核于{111}〈112〉形變晶粒,{111}〈112〉再結(jié)晶的晶粒形核于{111}〈110〉形變晶粒,而另兩個取向的形變晶粒直到再結(jié)晶后期才被新的再結(jié)晶晶粒取代,這種定向形核機制是IF鋼具有強烈γ-〈111〉//ND再結(jié)晶織構(gòu)的主要原因。

        從試驗鋼的冷軋織構(gòu)到再結(jié)晶織構(gòu)的演變可以推測,其再結(jié)晶過程應(yīng)由定向形核-選擇生長機制共同作用完成。根據(jù)IF深沖鋼板再結(jié)晶織構(gòu)的形成與演變理論[6-7],IF鋼深沖鋼板主織構(gòu)中的γ纖維織構(gòu)的{111}〈110〉取向與{111}〈112〉取向之間存在30°〈111〉取向關(guān)系,其重位點陣晶界位為∑13b。重位點陣晶界具有較低的晶界能,具有∑晶界的晶核不但優(yōu)先形成,而且還能夠優(yōu)先長大[8]。在再結(jié)晶初期,{111}〈110〉和{111}〈112〉再結(jié)晶晶核分別在冷軋γ取向線上的{111}〈112〉和{111}〈110〉形變晶粒中形核;在再結(jié)晶中后期,{111}〈110〉取向和{111}〈112〉取向又分別吞并了α纖維織構(gòu)中的{112}〈110〉取向和{001}〈110〉取向。這充分解釋了90%冷軋壓下率下退火后γ取向線中{111}〈112〉取向密度高于{111}〈110〉取向強度的原因,因為90%冷軋壓下率下{001}〈110〉取向密度大幅增大。因此,當冷軋壓下率大于80%時,一方面,冷軋態(tài)γ取向線上的取向密度明顯增強,增加了原位形核的{111}取向;另一方面,因冷軋態(tài)α取向線上{001}〈110〉和{112}〈110〉附近的取向密度明顯增強,導(dǎo)致{111}取向晶粒選擇生長時γ取向線上的取向密度明顯增強,且當冷軋壓下率為90%時,不僅γ取向線上的織構(gòu)密度明顯增強,而且f(g)峰值從{111}〈110〉變?yōu)榱耍?11}〈112〉。因此對于試驗鋼而言,要想獲得強的{111}織構(gòu),冷軋壓下率需控制在80%以上。這與冷軋壓下率對含鈦IF鋼影響的結(jié)論相似[9]。

        另外,再結(jié)晶后α取向線線上{223}〈110〉和{114}〈110〉取向附近仍保留較高的取向密度,且隨著冷軋壓下率的增加,其取向密度還有所增加,說明{223}〈110〉和{114}〈110〉是較穩(wěn)定的織構(gòu),在{111}織構(gòu)形核和長大過程中不容易被吞并,且具有較強的遺傳性。

        3 結(jié) 論

        (1)冷軋壓下率對試驗鋼力學(xué)性能的影響較小,當冷軋壓下率為70%~90%時,再結(jié)晶組織均勻細小,試驗鋼具有良好的綜合力學(xué)性能。

        (2)冷軋態(tài)試驗鋼主要由{001}〈110〉、{114}〈110〉、{223}〈110〉和{111}織構(gòu)組成,且織構(gòu)取向密度隨冷軋壓下率的增加而增大;再結(jié)晶退火后,隨著冷軋壓下率的增大,組織不斷細化,{114}〈110〉和{223}〈110〉取向由于穩(wěn)定性高而被遺傳下來,{001}〈110〉取向被{111}〈112〉取向晶粒吞并,形成較強的{111}再結(jié)晶織構(gòu)。

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