秦炳雪，周旭東

(河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

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SPCC冷軋鋼等溫退火的微觀組織和力學(xué)性能

秦炳雪，周旭東

(河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

摘要：在Gleeble-1500D熱模擬機(jī)上，對(duì)SPCC冷軋鋼進(jìn)行等溫退火試驗(yàn)和力學(xué)性能測(cè)試。分析了不同退火溫度和保溫時(shí)間對(duì)SPCC冷軋鋼組織和性能的影響，建立了等溫退火工藝參數(shù)與SPCC冷軋鋼板力學(xué)性能間的數(shù)學(xué)模型。研究結(jié)果表明：退火溫度低于550 ℃時(shí)，只發(fā)生鐵素體回復(fù)；650～850 ℃時(shí)，發(fā)生鐵素體的再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大。屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨退火溫度升高而降低，在650 ℃時(shí)大幅度下降，850 ℃時(shí)達(dá)到最低。同樣退火溫度下，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨保溫時(shí)間增加先下降后趨于穩(wěn)定。采用加權(quán)平均法建立SPCC冷軋鋼力學(xué)性能模型，并對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的平均絕對(duì)誤差分別為20.2 MPa、23.2 MPa和1.4%，平均相對(duì)誤差分別為3.9%、4.3%和10.7%，證明模型具有較高的精度。

關(guān)鍵詞：SPCC冷軋鋼；等溫退火；微觀組織；力學(xué)性能

0引言

冷軋鋼板以其精確的尺寸、光潔的表面和良好的性能，廣泛應(yīng)用于汽車制造、電氣產(chǎn)品、機(jī)車車輛、航空、精密儀表和食品罐頭等領(lǐng)域[1-2]。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，生產(chǎn)企業(yè)和用戶對(duì)鋼板尺寸精度、機(jī)械性能和鋼板表面品質(zhì)提出了越來(lái)越高的要求。鋼板良好的性能必須經(jīng)過(guò)合適的熱處理工藝得到，退火處理是冷軋鋼板實(shí)際生產(chǎn)中常用的熱處理方法，是冷軋鋼板到成品鋼板過(guò)程中必不可少的工序，對(duì)鋼板最終組織與性能起調(diào)整控制作用[3-5]。

關(guān)于熱處理工藝對(duì)鋼組織和性能影響的研究很多[6-10]，但多數(shù)只是從組織分析上定性歸納材料力學(xué)性能的變化，沒(méi)有定量描述熱處理工藝與力學(xué)性能之間的關(guān)系。在冷軋鋼實(shí)際生產(chǎn)中退火工藝的制定多數(shù)以經(jīng)驗(yàn)為主，建立退火工藝與鋼板性能之間的數(shù)學(xué)模型，可以預(yù)測(cè)鋼板的性能，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，控制鋼板質(zhì)量。本文以SPCC冷軋鋼為研究對(duì)象，分析了不同退火溫度和保溫時(shí)間對(duì)鋼板組織和力學(xué)性能的影響，并建立了力學(xué)性能的數(shù)學(xué)模型，便于生產(chǎn)中根據(jù)客戶對(duì)性能的需求，選取合適的退火工藝。

1試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料選用上海寶鋼生產(chǎn)的冷軋態(tài)C-Mn鋼板，牌號(hào)為SPCC，其主要化學(xué)成分見表1。用線切割的方法將鋼板沿其軋制方向加工成150 mm×25 mm×1 mm規(guī)格的試樣，用Gleeble-1500D熱模擬機(jī)進(jìn)行等溫退火試驗(yàn)。

表1　SPCC冷軋鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　 %

注：Alt為全鋁；Als為酸溶鋁。

等溫退火工藝如下：將試樣以50 ℃/s的速度加熱到等溫溫度T(500 ℃、550 ℃、650 ℃、700 ℃(保溫100 s)、750 ℃、800℃(保溫100 s)、850 ℃)，然后，保溫一定時(shí)間t(2 s、5 s、20 s、100 s、1 000 s)，再以50 ℃/s的速度冷卻至室溫。

圖1　拉伸試樣

將退火后的試樣進(jìn)行標(biāo)記，加工成拉伸試樣，如圖1 所示。用Gleeble-1500D熱模擬機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為0.001 s-1，按GB/T 228.1—2010要求測(cè)得屈服強(qiáng)度ReH、抗拉強(qiáng)度Rm和伸長(zhǎng)率A。

拉伸試樣加工后切下的余料保留，沿中間位置橫向剖開，加工成金相試樣，研磨、拋光，用4%(體積分?jǐn)?shù))的硝酸酒精溶液浸蝕，在JSM-5610LV掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy，SEM)下進(jìn)行組織觀察。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　顯微組織分析

2.1.1SPCC冷軋鋼原始組織

圖2為未經(jīng)退火的SPCC冷軋鋼原始試樣的顯微組織，組織形貌為鐵素體，形態(tài)為典型冷軋纖維組織，鐵素體晶粒沿軋制方向伸長(zhǎng)。

圖2　SPCC冷軋鋼原始組織

2.1.2不同退火溫度的組織變化

以保溫1 000 s為例分析退火溫度對(duì)組織的影響。圖3為不同的退火溫度下保溫1 000 s時(shí)的室溫組織。 由圖3a和圖3b可看出：500 ℃和550 ℃纖維組織明顯，組織形態(tài)與原始組織相比未發(fā)生明顯變化。這是由于加熱溫度較低，熱激活能較低，組織僅發(fā)生鐵素體晶粒的回復(fù)。由圖3c可看出：溫度升高到650 ℃，部分鐵素體已經(jīng)發(fā)生再結(jié)晶，組織中出現(xiàn)大量的等軸晶粒，略呈變形方向取向。隨著溫度升高，原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，鐵素體回復(fù)再結(jié)晶程度增加，到750 ℃組織基本已全為等軸晶粒，組織無(wú)明顯方向性，如圖3d所示，說(shuō)明再結(jié)晶已基本完成。由于溫度上升加快了晶粒長(zhǎng)大速度[11]，750 ℃相比于650 ℃，鐵素體平均晶粒尺寸從6.29 μm增大至7.29 μm。再結(jié)晶完成后，新等軸晶已完全接觸，繼續(xù)升高溫度，大角度晶界移動(dòng)并吞食其他晶粒，晶粒仍然可以繼續(xù)長(zhǎng)大，因此，當(dāng)溫度升高到850 ℃，保溫1 000 s后得到均勻粗大的鐵素體組織，如圖3e所示，平均晶粒尺寸為10.87 μm。

圖3　不同退火溫度下保溫1 000 s時(shí)的室溫組織

2.1.3不同保溫時(shí)間的組織變化

以退火溫度為650 ℃時(shí)為例，觀察不同保溫時(shí)間對(duì)組織的影響。圖4為退火溫度650 ℃，保溫2 s、5 s、20 s和100 s時(shí)的室溫組織。由圖4a可以看出：在保溫2 s時(shí)，鐵素體晶粒已發(fā)生明顯的再結(jié)晶，組織中開始出現(xiàn)等軸晶粒，由于保溫時(shí)間過(guò)短，鐵素體沒(méi)有足夠時(shí)間發(fā)生再結(jié)晶，纖維組織依然可見。保溫時(shí)間延長(zhǎng)到5 s，組織中等軸晶粒數(shù)量明顯增多，如圖4b所示，纖維組織變得不很明顯，說(shuō)明再結(jié)晶程度增加。保溫時(shí)間從2 s延長(zhǎng)到5 s，鐵素體平均晶粒尺寸從5.07 μm增加到5.63 μm。保溫時(shí)間為20 s和100 s時(shí)，組織形態(tài)與5 s時(shí)相似，如圖4c和圖4d所示，但平均晶粒尺寸略有增大，分別為6.44 μm和 6.81 μm。說(shuō)明在650 ℃退火溫度下，保溫時(shí)間低于5 s時(shí)，保溫時(shí)間對(duì)鐵素體再結(jié)晶影響顯著，且再結(jié)晶程度隨保溫時(shí)間的增加而增加；超過(guò)5 s后，保溫時(shí)間繼續(xù)增加，組織趨于穩(wěn)定，鐵素體晶粒尺寸隨保溫時(shí)間增加略微增大。

圖4　退火溫度為650 ℃時(shí)不同保溫時(shí)間的室溫組織

圖5　不同等溫退火工藝的屈服強(qiáng)度

2.2　力學(xué)性能分析

2.2.1屈服強(qiáng)度

將相關(guān)數(shù)據(jù)處理后，不同等溫退火工藝條件下屈服強(qiáng)度ReH值如圖5所示。由圖5可知：經(jīng)過(guò)等溫退火后，試樣屈服強(qiáng)度與原始試樣的屈服強(qiáng)度(677.8 MPa)相比，均呈現(xiàn)不同程度的降低，等溫退火溫度越高，屈服強(qiáng)度越低；同樣退火溫度下，屈服強(qiáng)度隨著保溫時(shí)間增加先下降后趨于穩(wěn)定；但屈服強(qiáng)度最終穩(wěn)定在350 MPa左右。主要是由于低于550 ℃時(shí)鐵素體發(fā)生回復(fù)，組織內(nèi)部位錯(cuò)、空位等缺陷逐漸消除，致使屈服強(qiáng)度有所降低；650 ℃時(shí)由于鐵素體的再結(jié)晶，屈服強(qiáng)度大幅度下降；隨著溫度升高，鐵素體回復(fù)再結(jié)晶程度增加，屈服強(qiáng)度又進(jìn)一步降低；850 ℃時(shí)由于再結(jié)晶完成后鐵素體晶粒的長(zhǎng)大，屈服強(qiáng)度達(dá)到最低。

2.2.2抗拉強(qiáng)度

圖6為不同等溫退火工藝條件下抗拉強(qiáng)度Rm值，其中，773.8 MPa為原始試樣的抗拉強(qiáng)度?？估瓘?qiáng)度隨退火工藝變化趨勢(shì)與屈服強(qiáng)度相似，隨溫度的升高而降低。650 ℃時(shí)抗拉強(qiáng)度急劇下降，但750 ℃時(shí)抗拉強(qiáng)度已達(dá)到最低，850 ℃時(shí)與750 ℃時(shí)接近，說(shuō)明再結(jié)晶完成后的晶粒長(zhǎng)大對(duì)屈服強(qiáng)度的影響較抗拉強(qiáng)度顯著。

2.2.3伸長(zhǎng)率

圖7為不同的等溫退火工藝條件下伸長(zhǎng)率A值。由圖7可看出：伸長(zhǎng)率變化趨勢(shì)與屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的變化趨勢(shì)相反，退火后伸長(zhǎng)率均有所升高，伸長(zhǎng)率最大升高了22.94%。退火溫度在650 ℃及以上時(shí)，伸長(zhǎng)率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原始材料的伸長(zhǎng)率(4.9%)。高溫退火時(shí)，伸長(zhǎng)率變化規(guī)律較為復(fù)雜，主要原因是鐵素體晶粒回復(fù)再結(jié)晶生成等軸晶會(huì)提高伸長(zhǎng)率，但鐵素體晶粒的長(zhǎng)大又會(huì)使伸長(zhǎng)率下降；其次，測(cè)量中也存在誤差。

圖6 不同等溫退火工藝的抗拉強(qiáng)度圖7 不同等溫退火工藝的伸長(zhǎng)率

3力學(xué)性能模型

本文采用已經(jīng)再結(jié)晶與未再結(jié)晶部分性能加權(quán)的思想，建立了SPCC冷軋鋼退火后的力學(xué)性能模型。

3.1　力學(xué)性能建模

利用再結(jié)晶分?jǐn)?shù)的JAMK[12-13]模型：

f=1-exp(-ktn)，

(1)

其中：f為已經(jīng)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)(體積分?jǐn)?shù))，%；n和k為與退火溫度相關(guān)的常數(shù)；t為保溫時(shí)間，s。

假設(shè)材料的強(qiáng)度為未再結(jié)晶的部分和已經(jīng)再結(jié)晶的部分加權(quán)平均：

(2)

其中：y為SPCC冷軋鋼等溫退火后的力學(xué)性能指標(biāo)值(屈服強(qiáng)度，MPa；抗拉強(qiáng)度，MPa；伸長(zhǎng)率，%)；y1為已經(jīng)再結(jié)晶部分的力學(xué)性能指標(biāo)值；y0為未結(jié)晶部分的力學(xué)性能指標(biāo)值(即原始試樣實(shí)測(cè)的力學(xué)性能值)；a為待定參數(shù)；T為退火溫度，℃。

對(duì)于在退火溫度T下,從時(shí)間t1保溫到t2的等溫過(guò)程來(lái)說(shuō)，

(3)

將式(3)代入式(2)得：

即

(4)

假設(shè)

(5)

其中：A，m為待定參數(shù)；T0為某一溫度值，℃。

將式(5)代入式(4)得到：

(6)

3.2　模型擬合結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)測(cè)得的各力學(xué)性能指標(biāo)值，采用Origin 9.0軟件按照式(6)進(jìn)行非線性曲線擬合。模型中，力學(xué)性能指標(biāo)為因變量，退火溫度和時(shí)間為自變量，求出各待定參數(shù)值，最終得到各性能指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型如下。屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率模型的決定因數(shù)分別為0.926 0、0.944 3和0.925 3。

(Ⅰ)屈服強(qiáng)度模型：

(7)

(Ⅱ)抗拉強(qiáng)度模型：

(8)

(Ⅲ)伸長(zhǎng)率模型：

(9)

3.3　誤差分析

(10)

(11)

表2　力學(xué)性能模型的誤差

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值，按照式(10)和式(11)計(jì)算出各力學(xué)性能指標(biāo)的平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差，如表2所示。由表2可看出：模型值與實(shí)際值的誤差較小，相對(duì)實(shí)際值吻合程度較高。

3.4　模型驗(yàn)證

以退火溫度為700 ℃和800 ℃，保溫100 s時(shí)測(cè)得的力學(xué)性能對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如表3所示。各力學(xué)性能指標(biāo)的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差均較小，說(shuō)明模型具有較高精度，可用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

表3　力學(xué)性能模型驗(yàn)證結(jié)果

4結(jié)論

(1)SPCC冷軋鋼等溫退火溫度低于550 ℃時(shí)，保溫過(guò)程只發(fā)生鐵素體回復(fù)；650～850 ℃時(shí)鐵素體發(fā)生再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大，再結(jié)晶程度隨溫度升高和保溫時(shí)間增加而增加。

(2)SPCC冷軋鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均隨退火溫度升高而降低，同樣溫度下，隨保溫時(shí)間增加先下降后趨于穩(wěn)定；650 ℃時(shí)由于鐵素體發(fā)生再結(jié)晶，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度大幅度下降；隨溫度升高，再結(jié)晶程度增加，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步降低；850 ℃時(shí)，再結(jié)晶完成后由于鐵素體晶粒長(zhǎng)大，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度達(dá)到最低。

(3)根據(jù)等溫退火性能測(cè)試數(shù)據(jù)，采用加權(quán)平均法建立SPCC冷軋鋼屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率模型，平均絕對(duì)誤差分別為20.2 MPa、23.2 MPa和1.4%，平均相對(duì)誤差分別為3.9%、4.3%和10.7%。說(shuō)明模型有較高的精度，在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)退火工藝的優(yōu)化有一定的指導(dǎo)作用。

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中圖分類號(hào)：TG156.1；TG113.12

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.02.001

文章編號(hào)：1672-6871(2016)02-0001-06

收稿日期：2015-09-25

作者簡(jiǎn)介：秦炳雪(1990-),女，河南南陽(yáng)人，碩士生;周旭東(1963-),男,遼寧凌海人，教授,博士后,碩士生導(dǎo)師,主要從事材料成形模擬技術(shù)方面的研究.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51575162)