SPCC冷軋鋼等溫退火的微觀組織和力學性能

秦炳雪，周旭東

(河南科技大學 材料科學與工程學院，河南 洛陽 471023)

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SPCC冷軋鋼等溫退火的微觀組織和力學性能

秦炳雪，周旭東

(河南科技大學 材料科學與工程學院，河南 洛陽 471023)

摘要：在Gleeble-1500D熱模擬機上，對SPCC冷軋鋼進行等溫退火試驗和力學性能測試。分析了不同退火溫度和保溫時間對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冷軋鋼板力學性能間的數(shù)學模型。研究結果表明：退火溫度低于550 ℃時，只發(fā)生鐵素體回復；650～850 ℃時，發(fā)生鐵素體的再結晶及晶粒長大。屈服強度和抗拉強度隨退火溫度升高而降低，在650 ℃時大幅度下降，850 ℃時達到最低。同樣退火溫度下，屈服強度和抗拉強度隨保溫時間增加先下降后趨于穩(wěn)定。采用加權平均法建立SPCC冷軋鋼力學性能模型，并對模型進行了驗證。屈服強度、抗拉強度和伸長率的平均絕對誤差分別為20.2 MPa、23.2 MPa和1.4%，平均相對誤差分別為3.9%、4.3%和10.7%，證明模型具有較高的精度。

關鍵詞：SPCC冷軋鋼；等溫退火；微觀組織；力學性能

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，廣泛應用于汽車制造、電氣產品、機車車輛、航空、精密儀表和食品罐頭等領域[1-2]。隨著市場競爭的日益激烈，生產企業(yè)和用戶對鋼板尺寸精度、機械性能和鋼板表面品質提出了越來越高的要求。鋼板良好的性能必須經過合適的熱處理工藝得到，退火處理是冷軋鋼板實際生產中常用的熱處理方法，是冷軋鋼板到成品鋼板過程中必不可少的工序，對鋼板最終組織與性能起調整控制作用[3-5]。

關于熱處理工藝對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性能的變化，沒有定量描述熱處理工藝與力學性能之間的關系。在冷軋鋼實際生產中退火工藝的制定多數(shù)以經驗為主，建立退火工藝與鋼板性能之間的數(shù)學模型，可以預測鋼板的性能，優(yōu)化生產工藝，控制鋼板質量。本文以SPCC冷軋鋼為研究對象，分析了不同退火溫度和保溫時間對鋼板組織和力學性能的影響，并建立了力學性能的數(shù)學模型，便于生產中根據(jù)客戶對性能的需求，選取合適的退火工藝。

1試驗材料和方法

試驗材料選用上海寶鋼生產的冷軋態(tài)C-Mn鋼板，牌號為SPCC，其主要化學成分見表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熱模擬機進行等溫退火試驗。

表1　SPCC冷軋鋼化學成分(質量分數(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

將退火后的試樣進行標記，加工成拉伸試樣，如圖1 所示。用Gleeble-1500D熱模擬機進行拉伸試驗，拉伸速率為0.001 s-1，按GB/T 228.1—2010要求測得屈服強度ReH、抗拉強度Rm和伸長率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%(體積分數(shù))的硝酸酒精溶液浸蝕，在JSM-5610LV掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy，SEM)下進行組織觀察。

2試驗結果與分析

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。

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組織的影響。圖3為不同的退火溫度下保溫1 000 s時的室溫組織。 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。由圖3c可看出：溫度升高到650 ℃，部分鐵素體已經發(fā)生再結晶，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，原子活動能力增強，鐵素體回復再結晶程度增加，到750 ℃組織基本已全為等軸晶粒，組織無明顯方向性，如圖3d所示，說明再結晶已基本完成。由于溫度上升加快了晶粒長大速度[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，大角度晶界移動并吞食其他晶粒，晶粒仍然可以繼續(xù)長大，因此，當溫度升高到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時的室溫組織

2.1.3不同保溫時間的組織變化

以退火溫度為650 ℃時為例，觀察不同保溫時間對組織的影響。圖4為退火溫度650 ℃，保溫2 s、5 s、20 s和100 s時的室溫組織。由圖4a可以看出：在保溫2 s時，鐵素體晶粒已發(fā)生明顯的再結晶，組織中開始出現(xiàn)等軸晶粒，由于保溫時間過短，鐵素體沒有足夠時間發(fā)生再結晶，纖維組織依然可見。保溫時間延長到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，說明再結晶程度增加。保溫時間從2 s延長到5 s，鐵素體平均晶粒尺寸從5.07 μm增加到5.63 μm。保溫時間為20 s和100 s時，組織形態(tài)與5 s時相似，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。說明在650 ℃退火溫度下，保溫時間低于5 s時，保溫時間對鐵素體再結晶影響顯著，且再結晶程度隨保溫時間的增加而增加；超過5 s后，保溫時間繼續(xù)增加，組織趨于穩(wěn)定，鐵素體晶粒尺寸隨保溫時間增加略微增大。

圖4　退火溫度為650 ℃時不同保溫時間的室溫組織

圖5　不同等溫退火工藝的屈服強度

2.2　力學性能分析

2.2.1屈服強度

將相關數(shù)據(jù)處理后，不同等溫退火工藝條件下屈服強度ReH值如圖5所示。由圖5可知：經過等溫退火后，試樣屈服強度與原始試樣的屈服強度(677.8 MPa)相比，均呈現(xiàn)不同程度的降低，等溫退火溫度越高，屈服強度越低；同樣退火溫度下，屈服強度隨著保溫時間增加先下降后趨于穩(wěn)定；但屈服強度最終穩(wěn)定在350 MPa左右。主要是由于低于550 ℃時鐵素體發(fā)生回復，組織內部位錯、空位等缺陷逐漸消除，致使屈服強度有所降低；650 ℃時由于鐵素體的再結晶，屈服強度大幅度下降；隨著溫度升高，鐵素體回復再結晶程度增加，屈服強度又進一步降低；850 ℃時由于再結晶完成后鐵素體晶粒的長大，屈服強度達到最低。

2.2.2抗拉強度

圖6為不同等溫退火工藝條件下抗拉強度Rm值，其中，773.8 MPa為原始試樣的抗拉強度?？估瓘姸入S退火工藝變化趨勢與屈服強度相似，隨溫度的升高而降低。650 ℃時抗拉強度急劇下降，但750 ℃時抗拉強度已達到最低，850 ℃時與750 ℃時接近，說明再結晶完成后的晶粒長大對屈服強度的影響較抗拉強度顯著。

2.2.3伸長率

圖7為不同的等溫退火工藝條件下伸長率A值。由圖7可看出：伸長率變化趨勢與屈服強度和抗拉強度的變化趨勢相反，退火后伸長率均有所升高，伸長率最大升高了22.94%。退火溫度在650 ℃及以上時，伸長率均遠遠大于原始材料的伸長率(4.9%)。高溫退火時，伸長率變化規(guī)律較為復雜，主要原因是鐵素體晶?；貜驮俳Y晶生成等軸晶會提高伸長率，但鐵素體晶粒的長大又會使伸長率下降；其次，測量中也存在誤差。

圖6 不同等溫退火工藝的抗拉強度圖7 不同等溫退火工藝的伸長率

3力學性能模型

本文采用已經再結晶與未再結晶部分性能加權的思想，建立了SPCC冷軋鋼退火后的力學性能模型。

3.1　力學性能建模

利用再結晶分數(shù)的JAMK[12-13]模型：

f=1-exp(-ktn)，

(1)

其中：f為已經再結晶分數(shù)(體積分數(shù))，%；n和k為與退火溫度相關的常數(shù)；t為保溫時間，s。

假設材料的強度為未再結晶的部分和已經再結晶的部分加權平均：

(2)

其中：y為SPCC冷軋鋼等溫退火后的力學性能指標值(屈服強度，MPa；抗拉強度，MPa；伸長率，%)；y1為已經再結晶部分的力學性能指標值；y0為未結晶部分的力學性能指標值(即原始試樣實測的力學性能值)；a為待定參數(shù)；T為退火溫度，℃。

對于在退火溫度T下,從時間t1保溫到t2的等溫過程來說，

(3)

將式(3)代入式(2)得：

即

(4)

假設

(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　模型擬合結果

根據(jù)上述試驗測得的各力學性能指標值，采用Origin 9.0軟件按照式(6)進行非線性曲線擬合。模型中，力學性能指標為因變量，退火溫度和時間為自變量，求出各待定參數(shù)值，最終得到各性能指標的數(shù)學模型如下。屈服強度、抗拉強度和伸長率模型的決定因數(shù)分別為0.926 0、0.944 3和0.925 3。

(Ⅰ)屈服強度模型：

(7)

(Ⅱ)抗拉強度模型：

(8)

(Ⅲ)伸長率模型：

(9)

3.3　誤差分析

(10)

(11)

表2　力學性能模型的誤差

根據(jù)模型計算結果與實際測量值，按照式(10)和式(11)計算出各力學性能指標的平均絕對誤差和平均相對誤差，如表2所示。由表2可看出：模型值與實際值的誤差較小，相對實際值吻合程度較高。

3.4　模型驗證

以退火溫度為700 ℃和800 ℃，保溫100 s時測得的力學性能對模型進行驗證，結果如表3所示。各力學性能指標的絕對誤差和相對誤差均較小，說明模型具有較高精度，可用于指導實際生產。

表3　力學性能模型驗證結果

4結論

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

(2)SPCC冷軋鋼的屈服強度和抗拉強度均隨退火溫度升高而降低，同樣溫度下，隨保溫時間增加先下降后趨于穩(wěn)定；650 ℃時由于鐵素體發(fā)生再結晶，屈服強度和抗拉強度大幅度下降；隨溫度升高，再結晶程度增加，屈服強度和抗拉強度進一步降低；850 ℃時，再結晶完成后由于鐵素體晶粒長大，屈服強度和抗拉強度達到最低。

(3)根據(jù)等溫退火性能測試數(shù)據(jù)，采用加權平均法建立SPCC冷軋鋼屈服強度、抗拉強度及伸長率模型，平均絕對誤差分別為20.2 MPa、23.2 MPa和1.4%，平均相對誤差分別為3.9%、4.3%和10.7%。說明模型有較高的精度，在實際生產中對退火工藝的優(yōu)化有一定的指導作用。

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中圖分類號：TG156.1；TG113.12

文獻標志碼：A

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.02.001

文章編號：1672-6871(2016)02-0001-06

收稿日期：2015-09-25

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

基金項目：國家自然科學基金項目(51575162)