Ti＋Nb和Ti＋V超低碳烘烤硬化鋼的組織和性能研究

陳繼平，錢健清，李勝祗，康永林

（1安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 馬鞍山243002；2安徽省高校金屬材料與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山243002；3北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083）

Ti＋Nb和Ti＋V超低碳烘烤硬化鋼的組織和性能研究

陳繼平1，2，錢健清1，2，李勝祗1，2，康永林3

（1安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 馬鞍山243002；2安徽省高校金屬材料與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山243002；3北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083）

采用Gleeble－1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)Ti＋Nb和Ti＋V復(fù)合處理超低碳BH鋼的變形抗力和動(dòng)態(tài)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變進(jìn)行研究，并觀察了兩種實(shí)驗(yàn)鋼在不同冷卻工藝條件下的金相組織。結(jié)果表明：在1100℃、應(yīng)變速率1s－1時(shí)Ti＋Nb超低碳BH鋼的變形抗力比Ti＋V超低碳BH鋼高出約13MPa，在相同的變形條件下，兩種實(shí)驗(yàn)鋼的組織形貌及晶粒尺寸差別較大。兩種超低碳BH鋼在不同冷卻條件下的室溫金相組織均是多邊形的鐵素體，Ti＋Nb超低碳BH鋼鐵素體晶粒較為細(xì)小，形狀不規(guī)則，平均晶粒尺寸為16μm，Ti＋V超低碳BH鋼鐵素體晶粒則較為粗大，形狀規(guī)則，平均晶粒尺寸為26μm。

超低碳；烘烤硬化；變形抗力；組織性能

近年來，為了滿足汽車工業(yè)減重節(jié)能減排和安全性的要求，汽車用鋼板向高強(qiáng)度化發(fā)展成為一種趨勢(shì)。超低碳烘烤硬化（Ultra－Low Carbon Bake Hardening，ULC－BH）鋼具有良好的沖壓成形性能和塑性，較高的抗凹陷性能和強(qiáng)度，特別適合于汽車車身外覆蓋件的沖壓成形，在汽車工業(yè)得到了廣泛研究和應(yīng)用?？刂栖堉坪涂刂评鋮s對(duì)產(chǎn)品的顯微組織和綜合力學(xué)性能有著重要的影響，是控制產(chǎn)品組織和性能的常用工藝。研究超低碳BH鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變行為，可以研究冷卻速率對(duì)顯微組織的影響，根據(jù)測(cè)定的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線制定相關(guān)的控軋控冷工藝參數(shù)，從而為實(shí)際生產(chǎn)超低碳BH鋼時(shí)進(jìn)行控軋控冷提供參考指導(dǎo)［1－5］。

本工作主要研究Ti＋Nb和Ti＋V復(fù)合處理超低碳BH鋼在奧氏體區(qū)軋制過程中的變形抗力規(guī)律，為實(shí)際生產(chǎn)過程中軋制力及道次變形量的控制提供依據(jù)和參考［6－10］。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)材料為真空感應(yīng)爐上冶煉的Ti＋Nb和Ti＋V復(fù)合處理超低碳BH鋼。實(shí)驗(yàn)室冶煉的超低碳BH鋼錠鍛造后毛坯經(jīng)加工處理，去掉表面氧化皮和缺陷，保證熱軋板的表面質(zhì)量。最終鍛坯的尺寸：厚30mm，寬130mm，長(zhǎng)100mm。兩種實(shí)驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1 超低碳實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）Table 1 Chemical composition of ULC－BH steels（mass fraction／%）

熱軋工藝參數(shù)：板坯加熱溫度為1150℃，開軋溫度為1100℃，終軋溫度為910℃，卷取溫度為750℃。熱軋時(shí)將鍛坯加熱至1150℃保溫1h后取出，在實(shí)驗(yàn)室軋機(jī)上軋制至所需尺寸的熱軋板，熱軋完成后進(jìn)行層流冷卻，冷速約20℃／s，冷卻至750℃后放入相應(yīng)溫度的馬弗爐中保溫1h，隨爐緩冷至室溫，完成模擬卷取過程。然后對(duì)厚4.0mm左右的熱軋板經(jīng)80%的壓下率冷軋至0.8mm厚度。

對(duì)Ti＋Nb和Ti＋V復(fù)合處理超低碳BH鋼冷軋鋼板進(jìn)行連續(xù)退火實(shí)驗(yàn)，連續(xù)退火溫度選取830℃，退火時(shí)間為60s，退火板金相組織觀察面為退火板的板面，試樣經(jīng)磨制、機(jī)械拋光后，用4%的硝酸酒精溶液浸蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察其組織。在MTS拉伸試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試實(shí)驗(yàn)用鋼的力學(xué)性能和烘烤硬化性能。兩種超低碳BH鋼退火板的織構(gòu)測(cè)試在西門子D5000X射線衍射儀上進(jìn)行，考慮到鋼板厚向織構(gòu)存在差異，統(tǒng)一測(cè)試距鋼板表面1／4厚度處織構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)鋼的退火板金相顯微組織

Ti＋Nb和Ti＋V復(fù)合處理超低碳BH鋼退火板金相組織如圖1所示?？梢钥闯觯琓i＋Nb超低碳BH鋼的金相組織主要為餅形的再結(jié)晶鐵素體晶粒和一些伸長(zhǎng)的餅形晶粒，Ti＋V超低碳BH鋼金相組織也主要為餅形的再結(jié)晶鐵素體晶粒和少量伸長(zhǎng)的不規(guī)則多邊形鐵素體晶粒。用平均截線法對(duì)退火板鐵素體晶粒尺寸進(jìn)行測(cè)量，得到Ti＋Nb超低碳BH鋼的平均晶粒尺寸為16μm，Ti＋V超低碳BH鋼的平均晶粒尺寸為26μm，前者比后者的平均晶粒尺寸細(xì)小，主要是由于Nb對(duì)鐵素體晶粒再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大的遲滯作用引起的。

圖1 兩種超低碳BH鋼退火板的金相組織 （a）Ti＋Nb；（b）Ti＋VFig.1 Microstructures of two ULC－BH annealed steel sheets （a）Ti＋Nb；（b）Ti＋V

2.2 實(shí)驗(yàn)鋼的力學(xué)性能

兩種實(shí)驗(yàn)鋼的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示?？芍琓i＋V超低碳BH鋼的厚向異性指數(shù)r值和應(yīng)變硬化指數(shù)n值均略高于Ti＋Nb。Ti＋Nb和Ti＋V復(fù)合處理超低碳BH鋼的上屈服強(qiáng)度ReH分別為283MPa和270MPa，下屈服強(qiáng)度ReL分別為270MPa和250MPa，Ti＋Nb超低碳BH鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度Rm均高于Ti＋V，這可能是由于在熱變形過程中加入到鋼中的微量合金元素Nb一部分溶于奧氏體，一部分則生成穩(wěn)定的碳氮化物沉淀質(zhì)點(diǎn)，這些析出粒子與形變奧氏體晶粒的晶界和亞晶界產(chǎn)生交互作用，一方面抑制或延遲再結(jié)晶后的晶粒長(zhǎng)大，形成較細(xì)小等軸狀的奧氏體晶粒，另一方面，這些彌散析出與位錯(cuò)和晶界的相互作用也提高了強(qiáng)度。特別是在較低形變溫度時(shí)所表現(xiàn)出的溶質(zhì)原子的固溶拖曳作用和沉淀析出對(duì)回復(fù)再結(jié)晶的抑制或延遲作用，可使奧氏體的形變得以疊加起來，從而形成具有形變帶呈薄餅狀形態(tài)的組織。

表2 超低碳BH鋼的力學(xué)性能和烘烤硬化性能Table 2 Mechanical properties and BH values of ULC－BH steels

對(duì)兩種實(shí)驗(yàn)鋼在應(yīng)變速率為1s－1和30s－1下的真應(yīng)力－真應(yīng)變進(jìn)行了測(cè)試，曲線如圖2所示?？芍?，應(yīng)變速率為30s－1、變形溫度在900～1100℃之間、應(yīng)變量較小時(shí)，Ti＋Nb超低碳BH鋼的變形抗力明顯增加，當(dāng)應(yīng)變量增加到一定程度時(shí)，變形抗力增加變緩直至出現(xiàn)了平臺(tái)，這表明出現(xiàn)了回復(fù)的現(xiàn)象，變形抗力的增加和回復(fù)軟化相互平衡。對(duì)于Ti＋V超低碳BH鋼，其變形抗力基本上呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，沒有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力平臺(tái)，這時(shí)加工硬化起著主要的作用。在應(yīng)變速率1s－1時(shí)，隨著變形溫度的升高，Ti＋Nb和Ti＋V超低碳BH鋼均出現(xiàn)了明顯的回復(fù)和再結(jié)晶的現(xiàn)象，隨著應(yīng)變量的增加，變形抗力增加較快直至出現(xiàn)峰值，后隨著應(yīng)變量的增加應(yīng)力值下降，軟化此時(shí)起著主要的作用。變形溫度越高，位錯(cuò)的交滑移和攀移更加容易進(jìn)行，經(jīng)過位錯(cuò)的重新排列和多邊形化，發(fā)生了動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶，可減輕或消除由于塑性變形所產(chǎn)生的加工硬化，使變形抗力降低［2］。變形溫度1100℃時(shí)，Ti＋Nb超低碳BH鋼比Ti＋V超低碳BH鋼略高約13MPa，這主要是由于兩種超低碳鋼中的微合金化元素Nb在鋼中的析出和對(duì)再結(jié)晶的抑制程度比V大，從而引起了變形抗力的差異。

圖2 兩種實(shí)驗(yàn)鋼在兩種不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力－真應(yīng)變曲線（a）Ti＋Nb，1s－1；（b）Ti＋Nb，30s－1；（c）Ti＋V，1s－1；（d）Ti＋V，30s－1Fig.2 True stress－strain curves of two experimental steels under two strain rates（a）Ti＋Nb，1s－1；（b）Ti＋Nb，30s－1；（c）Ti＋V，1s－1；（d）Ti＋V，30s－1

2.3 實(shí)驗(yàn)鋼的織構(gòu)分析

Ti＋Nb和Ti＋V復(fù)合處理超低碳BH鋼的退火鋼板主要織構(gòu)組分的含量如圖3所示?？芍?，對(duì)退火鋼板沖壓成形不太有利的｛100｝面織構(gòu)在Ti＋Nb和Ti＋V復(fù)合處理超低碳BH退火鋼板中分別為5.11%和3.88%；Goss織構(gòu)在Ti＋Nb和Ti＋V復(fù)合處理超低碳BH退火鋼板中所占比率分別為4.47%和4.80%；對(duì)退火鋼板沖壓成形性能最為有利的｛111｝面織構(gòu)在Ti＋Nb和Ti＋V復(fù)合處理超低碳BH退火鋼板中所占比率分別為16.99%和17.57%，這與拉伸力學(xué)性能測(cè)試得到的反映鋼板深沖性能的r值結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

圖3 Ti＋Nb和Ti＋V復(fù)合處理超低碳BH鋼退火鋼板主要織構(gòu)組分Fig.3 Main texture components volume fraction of Ti＋Nb and Ti＋V bearing ULC－BH annealed steel sheets

3 結(jié)論

（1）在相同的變形條件下，兩種實(shí)驗(yàn)鋼的組織形貌及晶粒尺寸差別較大。兩種超低碳BH鋼在不同冷卻條件下的室溫金相組織均是多邊形的鐵素體，Ti＋Nb超低碳BH鋼鐵素體晶粒較為細(xì)小，形狀不規(guī)則，平均晶粒尺寸為16μm，Ti＋V超低碳BH鋼鐵素體晶粒則較為粗大，形狀規(guī)則，平均晶粒尺寸為26μm。

（2）Ti＋Nb超低碳BH鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均高于Ti＋V超低碳BH鋼，這可能是由于兩種超低碳鋼中的微合金化元素Nb在鋼中的析出和對(duì)再結(jié)晶的抑制程度比V大，在熱變形過程中Nb在奧氏體中的固溶拖曳和沉淀析出對(duì)回復(fù)再結(jié)晶的抑制或延遲作用有關(guān)。

（3）變形溫度1100℃時(shí)，Ti＋Nb超低碳BH鋼的變形抗力比Ti＋V超低碳BH鋼高約13MPa，這主要是由于兩種超低碳鋼中的微合金化元素Nb在鋼中的析出和對(duì)再結(jié)晶的抑制程度比V大。

（4）Ti＋Nb和Ti＋V復(fù)合處理超低碳BH鋼的退火鋼板主要織構(gòu)組分中對(duì)退火鋼板沖壓成形性能最為有利的｛111｝面織構(gòu)所占比率分別為16.99%和17.57%，這與拉伸力學(xué)性能測(cè)試得到的反映鋼板深沖性能的r值結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

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Research on Microstructure and Mechanical Properties of Ti＋Nb and Ti＋V Ultra－low Carbon Bake Hardening Steels

CHEN Ji－ping1，2，QIAN Jian－qing1，2，LI Sheng－zhi1，2，KANG Yong－lin3
（1School of Materials Science and Engineering，Anhui University of Technology，Maanshan 243002，Anhui，China；2Key Lab of Metals and Processing of Anhui Province，Maanshan 243002，Anhui，China；3School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

Deformation resistance and dynamic continuous cooling transformation of Ti＋Nb and Ti＋V bearing ultra－low carbon bake hardening steels were studied using Gleeble－1500thermal simulator.The microstructures of two experimental steels under different cooling conditions were also analyzed.The results showed that the deformation resistance of Ti＋Nb bearing ultra－low carbon bake hardening steel was 13MPa higher than that of Ti＋V bearing ultra－low carbon bake hardening steel at 1100℃ with the strain rate of 1s－1.The morphology of the microstructures and the grain size have big difference for two experimental steels under the same deformation conditions.The room temperature microstructures of the two experimental steels are polygonal ferrites under various cooling conditions.The ferrites of Ti＋Nb bearing ultra－low carbon bake hardening steel are finer and have irregular shape with the average grain size of 16μm，while for Ti＋V bearing ultra－low carbon bake hardening steel，the ferrites are coarse and have regular shape with the average grain size of 26μm.

ultra－low carbon；bake hardening；deformation resistance；microstructure and property

TG113

A

1001－4381（2012）04－0032－04

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2006BAE03A13）

2011－07－20；

2012－01－10

陳繼平（1975—），男，博士，講師，主要從事汽車板的開發(fā)與研究，聯(lián)系地址：安徽省馬鞍山市湖東路59號(hào)安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（243002），E－mail：leavejames9443＠yahoo.com.cn