Si和Nb對(duì)高強(qiáng)熱軋高擴(kuò)孔鋼組織和性能的影響

董　毅，韓　斌，時(shí)曉光，張　宇，孫成錢

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Si和Nb對(duì)高強(qiáng)熱軋高擴(kuò)孔鋼組織和性能的影響

董毅，韓斌，時(shí)曉光，張宇，孫成錢

（鞍鋼股份有限公司技術(shù)中心，遼寧鞍山114001）

摘要：為了研究Si和Nb對(duì)高強(qiáng)熱軋高擴(kuò)孔鋼板顯微組織、力學(xué)性能和擴(kuò)孔性能的影響，在CSP連軋線上進(jìn)行了3種成分試驗(yàn)鋼的熱軋?jiān)囍?，并?duì)試驗(yàn)鋼在擴(kuò)孔過程中裂紋的形成和擴(kuò)展行為進(jìn)行了分析.研究表明：3種成分熱軋鋼板的顯微組織均由鐵素體和貝氏體組成，鋼板的抗拉強(qiáng)度均高于610 MPa，伸長(zhǎng)率大于24.5%，擴(kuò)孔率高于104%；Si含量的增加，提高了組織中鐵素體的含量，鋼板的強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和擴(kuò)孔率得到提高；Nb含量的增加，細(xì)化了鋼板的組織，鋼板的強(qiáng)度和擴(kuò)孔率增加明顯，伸長(zhǎng)率變化不大；試驗(yàn)鋼在擴(kuò)孔過程中裂紋主要沿鐵素體和貝氏體的晶界處擴(kuò)展，部分裂紋穿過鐵素體晶粒.關(guān)鍵詞：鐵素體與貝氏體；擴(kuò)孔性能；合金元素；組織和性能；冷卻工藝；析出物

近年來，隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車對(duì)鋼鐵材料的要求也越發(fā)嚴(yán)格，作為車輛的重要組成部分，汽車底盤部件和車輪等由于形狀復(fù)雜，且在制造過程中需要進(jìn)行包括拉伸翻邊、彎曲、擴(kuò)孔等成形方式，因此，對(duì)鋼板的成形性能，尤其是擴(kuò)孔性能（延伸凸緣性能）提出了較高的要求［1-2］.在此條件下，高強(qiáng)熱軋高擴(kuò)孔鋼（High Hole-Expansion）的研制與開發(fā)得到了汽車生產(chǎn)商的廣泛關(guān)注.與同級(jí)別的高強(qiáng)度低合金鋼相比，高擴(kuò)孔鋼除了具有良好的延伸凸緣性能外，還具有良好的強(qiáng)度-疲勞性能配合、高的應(yīng)變硬化指數(shù)（n值）、高的總伸長(zhǎng)率等特點(diǎn)，更適合于制造如懸架臂、橫梁、輪輻、輪惘等汽車部件［3-4］.

目前，國(guó)外許多鋼鐵公司和研發(fā)機(jī)構(gòu)均對(duì)高擴(kuò)孔鋼進(jìn)行了研制與開發(fā)［5-6］.如日本的神戶鋼鐵、住友公司、新日鐵公司等已成功開發(fā)出440～780 MPa多個(gè)強(qiáng)度級(jí)別的熱軋高擴(kuò)孔鋼，其中600 MPa級(jí)高擴(kuò)孔鋼的擴(kuò)孔率約為80%～100%.韓國(guó)Posco公司、印度Tata公司等也對(duì)高擴(kuò)孔鋼進(jìn)行了研制開發(fā)，并取得了良好的進(jìn)展.在國(guó)內(nèi)，許多科研機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)熱軋高擴(kuò)孔鋼的組織和性能特點(diǎn)以及應(yīng)用領(lǐng)域等進(jìn)行了一定研究［7-10］，其中寶鋼開發(fā)的600 MPa級(jí)熱軋高擴(kuò)孔鋼的擴(kuò)孔率約為95%.但到目前為止，除寶鋼等極少數(shù)公司外，國(guó)內(nèi)尚未進(jìn)行大批量工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用，絕大多數(shù)高擴(kuò)孔鋼均依賴于進(jìn)口.

本文以3種成分的試驗(yàn)鋼為對(duì)象，通過CSP生產(chǎn)線進(jìn)行了高強(qiáng)熱軋高擴(kuò)孔鋼的工業(yè)熱軋?jiān)囍?，研究分析了Si和Nb對(duì)試驗(yàn)鋼顯微組織、力學(xué)性能和擴(kuò)孔性能的影響，并對(duì)高強(qiáng)熱軋高擴(kuò)孔鋼在擴(kuò)孔過程中的裂紋形成和擴(kuò)展行為進(jìn)行了探討.

1　試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及試制工藝

試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分見表1.工業(yè)試制試驗(yàn)鋼采用C-Si-Mn-Nb系成分設(shè)計(jì)，相對(duì)于A鋼，B鋼和C鋼成分中的Si和Nb元素的含量增加，其他成分含量相當(dāng).

表1　試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

試驗(yàn)鋼在CSP生產(chǎn)線上進(jìn)行試制，工藝路線為:鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉→連鑄→加熱→軋制→層流冷卻→卷取.通過對(duì)試驗(yàn)鋼相變規(guī)律的研究和前期實(shí)驗(yàn)室熱軋?jiān)囍疲贫撕侠淼臒彳埞に?，具體為將厚度為230 mm的連鑄坯在加熱爐中加熱至1 220℃，保溫約2 h后進(jìn)行熱軋，精軋終軋溫度為860～880℃，鋼板出精軋機(jī)組后進(jìn)行冷卻，冷卻采用三段式冷卻，如圖1所示，第1段以大于40℃/s的冷速將鋼板冷卻至660～700℃，而后進(jìn)行空冷，空冷時(shí)間約為7 s，再將鋼板以大于 50℃/s的冷速冷卻至 480～520℃進(jìn)行卷取，成品鋼板的厚度為2.0 mm.

1.2 組織觀察與性能檢測(cè)

鋼板卷取冷卻至室溫后進(jìn)行取樣檢測(cè).金相試樣、拉伸試樣及擴(kuò)孔率檢測(cè)試樣均在鋼板寬度方向的1/4處切取.金相試樣經(jīng)研磨、拋光和腐蝕后，通過光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡對(duì)顯微組織進(jìn)行觀察、統(tǒng)計(jì)和分析.組織的精細(xì)結(jié)構(gòu)通過Tecnai G220型透射電鏡進(jìn)行觀察.拉伸試樣采用縱向試樣，將其加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，以測(cè)定鋼板的力學(xué)性能.鋼板的擴(kuò)孔試驗(yàn)在ITC SP225萬能板材成型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，顯微硬度采用MF-700顯微硬度計(jì)進(jìn)行檢測(cè).

圖1　試驗(yàn)鋼冷卻工藝示意圖

2　結(jié)果與分析

2.1 Si和Nb對(duì)鋼板組織的影響

試驗(yàn)鋼冷卻至室溫后的顯微組織見圖2.由圖2可知，3種成分試驗(yàn)鋼的顯微組織主要由鐵素體和貝氏體組成.由于成分的不同，鋼板的組織形貌及各相含量具有一定的差異，見表2.

圖3　A 鋼組織的精細(xì)結(jié)構(gòu)（TEM）

表2　試驗(yàn)鋼組織構(gòu)成及鐵素體含量和晶粒尺寸

對(duì)于A鋼，組織中的鐵素體由少量多邊形鐵素體和大量準(zhǔn)多邊形鐵素體組成，鐵素體平均晶粒尺寸約為5.6 μm，含量約為71.5%.A鋼中的貝氏體主要由粒狀貝氏體和針狀鐵素體構(gòu)成.A鋼的精細(xì)結(jié)構(gòu)見圖3，通過透射電鏡觀察，A鋼中的鐵素體晶粒細(xì)小，部分鐵素體晶粒內(nèi)部具有高密度位錯(cuò)，而貝氏體精細(xì)組織大部分呈板條狀，板條貝氏體上位錯(cuò)密度較高.

圖3　A鋼組織的精細(xì)結(jié)構(gòu)（TEM）

B鋼中Si含量較高，Si是非碳化物形成元素［11］，其含量的增加擴(kuò)大了兩相區(qū)范圍.奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變時(shí)，Si促進(jìn)了鐵素體中的C元素向奧氏體內(nèi)部擴(kuò)散，加速了鐵素體相變，有利于增加組織中鐵素體的含量.由圖2和表2可知，相比于A鋼，B鋼中鐵素體含量明顯增加，鐵素體平均晶粒尺寸增大，由5.6 μm增加到6.3 μm，組織中等軸鐵素體的含量增加.

與A鋼相比，C鋼中Nb的含量增加，而在高溫區(qū)域內(nèi)Nb元素固溶于奧氏體基體中，能夠抑制奧氏體晶粒的長(zhǎng)大［12］，細(xì)化原始奧氏體晶粒并最終達(dá)到細(xì)化鐵素體晶粒的作用；同時(shí)，Nb元素的添加能夠提高鋼的未再結(jié)晶溫度，使鋼在熱連軋精軋機(jī)組的后部機(jī)架處于未再結(jié)晶區(qū)，增加應(yīng)變積累，提高奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)力，細(xì)化鋼板組織；此外，Nb與碳和氮元素形成的碳氮化物析出能夠提高鐵素體基體強(qiáng)度.由圖2和表2可知，C鋼中鐵素體含量比A鋼略有增加，鐵素體的平均晶粒尺寸降低明顯，由5.6 μm降低到5.1 μm.

圖4為透射電鏡觀察到的C鋼中的析出物，能譜分析顯示為Nb的碳氮化物，析出物呈圓形和橢圓形，尺寸約為30 nm，主要分布于鐵素體基體上，這些Nb的碳氮化物析出對(duì)鐵素體基體的強(qiáng)度提高具有較大作用，有利于鋼板的強(qiáng)度和擴(kuò)孔性能的提高.

圖4　C鋼中析出物（a）及能譜分析（b）

2.2 Si和Nb對(duì)鋼板力學(xué)性能的影響

試驗(yàn)鋼卷取后空冷至室溫，鋼板的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見表3，拉伸試樣采用縱向試樣.由表3可知，3種試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能良好，鋼板的抗拉強(qiáng)度高于610 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到520 MPa以上，伸長(zhǎng)率高于24.5%.由于Si是鐵素體強(qiáng)化元素，其固溶于鐵素體基體中大大提高了鐵素體基體的強(qiáng)度，同時(shí)，Si的加入提高了鋼板組織中軟相鐵素體的含量，尤其是等軸鐵素體的含量增加較多，最終使B鋼的屈服強(qiáng)度高于A鋼，抗拉強(qiáng)度變化不大，伸長(zhǎng)率得到較大程度的提高.C鋼與B鋼相比，鋼板的強(qiáng)度提高30 MPa，伸長(zhǎng)率變化不大，這主要是由Nb含量的增加所致，Nb元素的細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用明顯.

表3　試驗(yàn)鋼的力學(xué)性能

2.3 Si和Nb對(duì)鋼板擴(kuò)孔性能的影響

鋼板的擴(kuò)孔性能可以由擴(kuò)孔率的大小來反映，表4為試驗(yàn)鋼各相顯微硬度及擴(kuò)孔率的檢測(cè)結(jié)果，其中各相硬度為維氏硬度.

表4　各相顯微硬度和擴(kuò)孔率

經(jīng)過學(xué)者的大量研究［13-15］，普遍認(rèn)為鋼板的擴(kuò)孔性能影響因素主要有3方面:1）組織因素的影響；2）合金元素的影響；3）非金屬夾雜物的影響.對(duì)于A鋼，組織中鐵素體和貝氏體兩相硬度相差88，擴(kuò)孔率達(dá)到104%.與A鋼相比，B鋼中Si含量增加，Si元素通過固溶強(qiáng)化作用提高了鐵素體基體強(qiáng)度，縮小了鐵素體與貝氏體的強(qiáng)度差，而強(qiáng)度差的減小有利于提高鋼板在塑性變形過程中兩相協(xié)調(diào)變形能力，最終改善鋼板的擴(kuò)孔性能，由表4可知，B鋼兩相硬度差為67，擴(kuò)孔率達(dá)到119%.而C鋼與A鋼相比，成分中Nb含量增加，Nb元素對(duì)于擴(kuò)孔性能的影響主要有2個(gè)方面，一是Nb的增加細(xì)化了鋼板的組織，增加了組織中的晶界數(shù)量，鋼板開裂時(shí)位錯(cuò)滑移貫穿晶界需要克服的晶界能增加，使開裂難度增加，有利于擴(kuò)孔率的提高；另一方面，鐵素體基體上的細(xì)小碳氮化物通過析出強(qiáng)化提高了鐵素體基體強(qiáng)度，縮小了鐵素體與貝氏體兩相的強(qiáng)度差，從而提高了鋼板的擴(kuò)孔性能，最終C鋼的擴(kuò)孔率達(dá)到114%.

試樣在擴(kuò)孔過程中孔緣處變形量最大，其主要受切向拉應(yīng)力和徑向拉應(yīng)力的拉伸作用，隨著擴(kuò)孔實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，孔緣處最先發(fā)生塑性變形，當(dāng)變形到一定程度時(shí)，孔緣上表面（未與凸模接觸的面）最先發(fā)生開裂，其開裂方向?yàn)樽畲蠛暧^切應(yīng)力方向，即沿與主應(yīng)力方向成45°角的方向進(jìn)行開裂，見圖5（a），此結(jié)論與王斌等人的研究結(jié)果一致［16］.

圖5　試驗(yàn)鋼擴(kuò)孔后宏觀和微觀形貌

在變形過程中，試驗(yàn)鋼組織中軟相鐵素體最先發(fā)生塑性變形，鐵素體晶粒被拉長(zhǎng)，隨著變形的進(jìn)行，硬相貝氏體也發(fā)生一定程度的塑性變形，但由于兩相強(qiáng)度不同，變形程度不同，當(dāng)變形量達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)在鐵素體和貝氏體兩相晶界間產(chǎn)生孔洞.同時(shí)，在變形過程中，若組織中存在較大的非金屬夾雜物，也會(huì)與基體分離產(chǎn)生微觀孔洞.隨著變形量的進(jìn)一步增大，微觀孔洞互相連接形成裂紋導(dǎo)致試樣的斷裂.從圖5（b）可以看出，A鋼裂紋主要沿鐵素體和貝氏體的晶界處擴(kuò)展，少量裂紋穿過鐵素體晶粒.與A鋼相比，B鋼和C鋼中由于Si和Nb元素的增加，縮小了鐵素體和貝氏體強(qiáng)度差，提高了鋼板的擴(kuò)孔率，因此，在擴(kuò)孔過程中，B鋼和C鋼中開裂區(qū)顯微組織變形程度增加，但其裂紋擴(kuò)展方式與A鋼基本相同，裂紋主要沿鐵素體和貝氏體的晶界處擴(kuò)展，圖5（c）為觀察到的B鋼裂紋尖端顯微形貌.

3　結(jié) 論

1）通過CSP生產(chǎn)線工業(yè)熱軋?jiān)囍疲@得的3種成分熱軋高擴(kuò)孔鋼的顯微組織主要由鐵素體和貝氏體組成，鋼板的抗拉強(qiáng)度均高于600 MPa，伸長(zhǎng)率大于24.5%，擴(kuò)孔率高于104%.

2）Si含量的增加，提高了B鋼組織中鐵素體的含量，尤其是等軸鐵素體含量增加明顯.與A鋼相比，B鋼的屈服強(qiáng)度增加22，伸長(zhǎng)率增加2%，擴(kuò)孔率由104%提高到111%，

3）Nb含量的增加，除細(xì)化了鋼板的組織外，其析出強(qiáng)化提高了基體組織的強(qiáng)度，縮小了鐵素體與貝氏體強(qiáng)度差.與A鋼相比，C鋼屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度各提高了35和30 MPa，伸長(zhǎng)率降低0.5%，擴(kuò)孔率由104%提高到109%，

4）在擴(kuò)孔過程中，裂紋主要沿鐵素體和貝氏體的晶界處擴(kuò)展，部分裂紋穿過鐵素體晶粒.

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（編輯 呂雪梅）

中圖分類號(hào)：TG142.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1005-0299（2016）02-0053-05

doi:10.11951/j.issn.1005-0299.20160206

收稿日期：2015-07-01.

作者簡(jiǎn)介：董 毅（1981—），男，博士.

通信作者：董 毅，dongyiwv@163.com.

Effects of Si and Nb on the microstructure and properties of high strength hot-rolled steel with high hole expansion ratio

DONG Yi，HAN Bin，SHI Xiaoguang，ZHANG Yu，SUN Chengqian

（Technology Centre，Angang Steel Co.Ltd，Anshan 114001，China）

Abstract:The hot-rolled test of the three tested steels with different chemical composition had been done on the CSP rolling line for studying the effects of Si and Nb on the microstructure，mechanical properties and stretch-flangeability of hot rolled high hole-expansion steel.The crack formation and propagation behavior of the tested steels was analyzed.The results showed that the three-component hot-rolled steels were composed of ferrite and bainite.The tensile strength of the steels was higher than 610 MPa，elongation was more than 24.5%，and the hole expansion ratio was higher than 104%.With the increase of Si，the volume fraction of ferrite increased，the strength，elongation and hole expansion ratio of the steels were improved.With the increase of Nb，the microstructure of the steel was refined，the strength and the hole expansion ratio increased significantly，and the elongation changed slightly.Cracks mainly propagated along the grain boundary of ferrite and bainite，but some cracks propagated through the ferrite grain.

Keywords:ferrite and bainite；stretch-flangeability；alloying element；microstructure and properies；cooling process；precipitation