冷軋壓下率對IF鋼微結(jié)構(gòu)、織構(gòu)及深沖性能的影響

許 峰， 肖 穎， 陳 前， 鄧長春， 孫曉寒

(1. 常熟理工學(xué)院 汽車工程學(xué)院， 江蘇 常熟 215500；2. 燁輝(中國)科技有限公司， 江蘇 常熟 215500)

IF鋼(無間隙原子鋼)是通過在超低碳鋼(C<0.005%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))中加入Nb、Ti等強(qiáng)碳、氮化物形成元素，以析出碳化物、氮化物的形式將基體中的碳、氮元素固定下來，使基體呈無間隙原子狀態(tài)[1]。經(jīng)過冷軋、連續(xù)退火等生產(chǎn)工序，IF鋼可獲得較強(qiáng)的{111}面織構(gòu)和弱{100}面織構(gòu)，使其具備高應(yīng)變硬化指數(shù)(n值)、高塑性應(yīng)變比(r值)和無明顯屈服等優(yōu)良的成形性能，高深沖性能優(yōu)異。作為第三代深沖鋼，可以廣泛應(yīng)用于電氣產(chǎn)品、汽車工業(yè)、食品包裝等領(lǐng)域[2]。

衡量IF鋼深沖性能的兩個(gè)重要指標(biāo)為n值和r值，其深沖性能受產(chǎn)品織構(gòu)的重要影響。而冷軋壓下率對IF鋼的微結(jié)構(gòu)和織構(gòu)具有直接影響。分析和研究冷軋壓下率對IF鋼的微結(jié)構(gòu)、織構(gòu)及深沖性能的影響，對于控制其織構(gòu)組分、改進(jìn)產(chǎn)品的深沖性能，具有非常重要的科學(xué)和工程意義。本文采用電子背散射衍射技術(shù)(EBSD)和X射線衍射技術(shù)(XRD)表征不同冷軋壓下率的IF鋼樣品中織構(gòu)和力學(xué)性能演變，研究其織構(gòu)和深沖性能的演變規(guī)律，為工業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

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

使用數(shù)控式剪板機(jī)將熱軋?jiān)箱摪寮羟谐?00 mm×120 mm的冷軋?jiān)囼?yàn)鋼板，經(jīng)打磨毛刺、酸洗后，在直拉式四輥可逆冷軋?jiān)囼?yàn)機(jī)上進(jìn)行不同壓下率的冷軋?jiān)囼?yàn)，壓下率分別為65%、72%、80%。再使用數(shù)控式剪板機(jī)將軋硬后的冷軋板，剪除頭尾，加工成500 mm×120 mm 的連續(xù)退火試驗(yàn)鋼板，在多爐室連續(xù)退火爐中進(jìn)行模擬退火試驗(yàn)，連續(xù)退火工藝模擬現(xiàn)場工藝參數(shù)：帶鋼運(yùn)行速度110 m/min，退火溫度850 ℃，保溫時(shí)間114 s。相比傳統(tǒng)罩式退火，連續(xù)退火工藝具有組織均勻、鋼帶平直、表面光潔、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。模擬連續(xù)退火工藝曲線如圖1所示。

圖1 模擬連續(xù)退火工藝曲線

將不同壓下率IF鋼進(jìn)行相同模擬退火試驗(yàn)后，于樣品板中部沿縱截面取樣，進(jìn)行微結(jié)構(gòu)和織構(gòu)組分表征，經(jīng)機(jī)械磨拋后，使用Zeiss Axio Imager Z1光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察；使用JSM-7001F場發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行EBSD分析，并使用HKL Channel 5軟件處理所得數(shù)據(jù)。

力學(xué)性能測試參照GB/T 5027—2016《金屬材料薄板和薄帶 塑性應(yīng)變比(r值)的測定》和GB/T 5028—2008《金屬材料 薄板和薄帶 拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)(n值)的測定》進(jìn)行，在不同壓下率的退火板上，使用線切割方法切取與軋制方向分別成0°、45°和90° 3個(gè)方向的小尺寸拉伸試樣各4片，拉伸試樣的詳細(xì)尺寸如圖2所示。

圖2 拉伸試樣尺寸

(1)

(2)

式中：r0、r45、r90分別代表0°、45°和90° 3個(gè)方向試樣的r值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 冷軋微結(jié)構(gòu)和織構(gòu)

IF鋼相組織為單相鐵素體，經(jīng)不同壓下率冷軋后樣品的微結(jié)構(gòu)如圖3所示。冷軋后，原始等軸晶粒沿豎直的軋制方向拉長變形，晶粒拉長變形的長寬比隨壓下率的增加而增加，拉長晶粒內(nèi)部出現(xiàn)魚骨狀的形變結(jié)構(gòu)[3-4]。IF鋼冷軋過程中，各種晶體取向晶粒的儲(chǔ)能大小各不相同，E{111}<112>>E{111}<110>>E{112}<110>>E{001}<110>。IF鋼的主要塑性變形機(jī)制是位錯(cuò)滑移，位錯(cuò)在分切應(yīng)力的作用下分別沿著{110}、{112}和{123}易滑移面、<111>滑移方向開動(dòng)，各種取向晶粒根據(jù)變形難易程度先后進(jìn)行，晶粒發(fā)生一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)[5-7]。多個(gè)滑移面沿相同的<111>方向進(jìn)行交滑移，位錯(cuò)發(fā)生纏結(jié)形成胞狀組織，進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成2°～10°的小角晶界，這些小角晶界沿著位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向分布，呈魚骨狀[8]。同一壓下率樣品的表層到冷軋板中心，晶粒拉長變形長寬比相近，表明冷軋過程中，壓下率足夠，表層和中心區(qū)域的晶粒變形劇烈，組織均勻。

圖3 不同壓下率冷軋樣品的微結(jié)構(gòu)和織構(gòu)組分

使用Channel 5軟件對不同壓下率冷軋樣品的各種織構(gòu)組分進(jìn)行定量計(jì)算和標(biāo)定，如圖3所示。其中，{111}<112>、{111}<110>、{112}<110>和{001}<110>織構(gòu)組分分別用紅色、綠色、藍(lán)色和黃色進(jìn)行標(biāo)識。

圖4為不同壓下率冷軋樣品的取向分布函數(shù)(Orientation distribution function，ODF)φ2=45°截面圖。對比圖4(d)標(biāo)準(zhǔn)織構(gòu)圖可見，冷軋后不同壓下率樣品的主要織構(gòu)類型有：{111}<112>、{111}<110>、{112}<110>和{001}<110>。3個(gè)壓下率樣品的極密度最大值均位于α取向線上，極密度最大值隨著壓下率的增加，從7.7逐漸增加至13.1。{111}<112>、{111}<110>、{112}<110>等織構(gòu)強(qiáng)度值始終約3～4，γ取向線上織構(gòu)含量隨壓下率的增加變化不大，而{001}<110>等α取向線織構(gòu)含量增長明顯。這表明冷軋過程中，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，晶粒拉長變形，晶粒取向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，生成強(qiáng)α取向線織構(gòu)和較強(qiáng)的γ取向線織構(gòu)，α取向線織構(gòu)的強(qiáng)度隨壓下率的增加而增大。

圖4 不同壓下率冷軋樣品的ODF圖(φ2=45°)

2.2 模擬連續(xù)退火微結(jié)構(gòu)和織構(gòu)

在退火過程中，冷軋變形時(shí)的儲(chǔ)能是形變晶粒的再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力，儲(chǔ)能的大小直接影響再結(jié)晶過程中的織構(gòu)形成。IF鋼冷軋過程中，晶體取向不同的晶粒，其儲(chǔ)存能的大小各不相同，導(dǎo)致后續(xù)再結(jié)晶退火過程中，{111}<112>晶體取向的晶粒儲(chǔ)存能最高，最先發(fā)生形核，{111}<110>取向晶粒依次形核[5,9]。經(jīng)模擬連續(xù)退火后，冷軋延長變形晶粒發(fā)生再結(jié)晶晶粒形核和長大，形成大小尺寸比較均勻的等軸晶，不同壓下率樣品的平均晶粒尺寸分別達(dá)到15.6、18.8和17.6 μm。同樣，各織構(gòu)組分使用不同顏色進(jìn)行標(biāo)識，如圖5所示。各織構(gòu)組分取向晶粒分布從表層到板厚中心，分布均勻。

圖5 不同壓下率的模擬連續(xù)退火樣品微結(jié)構(gòu)和織構(gòu)組分

圖6為不同壓下率的模擬連續(xù)退火樣品取向分布函數(shù)φ2=45°截面圖。經(jīng)模擬連續(xù)退火后，主要織構(gòu)類型數(shù)量減少，{001}<110>織構(gòu)基本消失，保留了{(lán)111}<112>、{111}<110>、{112}<110>等γ取向線織構(gòu)。3個(gè)壓下率樣品的極密度最大值均從α取向線轉(zhuǎn)移到γ取向線上，極密度最大值隨著壓下率的增加從7.8略微增大到8.6。這表明連續(xù)退火過程中，{001}<110>取向晶粒被其它取向晶粒所吞并，冷軋時(shí)的強(qiáng)α取向線織構(gòu)被徹底消除，而γ取向線織構(gòu)變化不大，在α取向線織構(gòu)消失后，轉(zhuǎn)變?yōu)樽顝?qiáng)織構(gòu)。

圖6 不同壓下率模擬連續(xù)退火樣品ODF圖(φ2=45°)

2.3 n值、r值和織構(gòu)演變

對不同壓下率冷軋和模擬連續(xù)退火樣品的各織構(gòu)組分分別進(jìn)行定量計(jì)算，結(jié)果如圖7所示。織構(gòu)演變分析結(jié)果表明：原始熱軋樣品經(jīng)過冷軋和退火后的{111}(即γ取向線織構(gòu))含量在50%左右，不同壓下率樣品冷軋后和退火后的含量基本不變，均隨壓下率的增加而略有增加，冷軋后{111}織構(gòu)含量從48.2%增長到53.9%，而退火后含量由47.7% 增長到55.5%。退火過程中，再結(jié)晶晶粒形核與長大，對{111}基本無影響。隨著冷軋過程中壓下率的增加，α取向線織構(gòu)呈整體增強(qiáng)，密度值增大。其中，典型{001}<110>的織構(gòu)含量從7.49% 增加至11.5%；再結(jié)晶退火過程中，樣品發(fā)生完全再結(jié)晶，γ取向線織構(gòu)含量基本不變，α取向線織構(gòu)被消除，{001}<110>的織構(gòu)含量隨著壓下率的增加從2.13% 降至0.83%。

圖7 不同壓下率樣品的織構(gòu)組分

Nagataki等[10]發(fā)現(xiàn){111}<112>取向晶粒的變形儲(chǔ)能要高于{111}<110>取向晶粒，{111}<112>取向晶粒優(yōu)先形核，大量{111}<112>取向的再結(jié)晶晶粒會(huì)原位形核于取向相同的原始變形晶粒內(nèi)。與此同時(shí)，{111}<112>晶粒還具有較高的晶界遷移率和長大能力，體現(xiàn)出一定的晶粒長大優(yōu)勢，更容易合并其它取向晶粒，發(fā)生長大。而{001}<110>取向和{112}<110>取向的晶粒由于其變形儲(chǔ)能較低，在再結(jié)晶過程中會(huì)被吞并消耗掉[11]。這導(dǎo)致完全退火再結(jié)晶過程中α取向線晶粒被大量吞并，{001}<110>織構(gòu)百分比降低至0.83%，而{111}<112>、{111}<110>等γ取向線織構(gòu)含量變化不大。

表2 不同軋制壓下率退火樣品的深沖性能

3 結(jié)論

通過對不同冷軋壓下率的IF鋼模擬退火樣品進(jìn)行微結(jié)構(gòu)、織構(gòu)演變和深沖性能分析，得出以下3點(diǎn)結(jié)論：

1) 冷軋變形后原始晶粒拉長變形，厚度方向上變形均勻；樣品具有強(qiáng)α取向線織構(gòu)和較強(qiáng)γ取向線織構(gòu)，隨壓下率從65%增大至80%，α取向線織構(gòu)的極密度最大值從7.7逐漸增加至13.1。

2) 模擬連續(xù)退火后發(fā)生完全再結(jié)晶，在65%、72%、80%冷軋壓下率下分別生成15.6、18.8和17.6 μm的均勻等軸晶；樣品中的α取向線織構(gòu)被消除，γ取向線織構(gòu)變化不大，極密度最大值轉(zhuǎn)移到γ取向線，且隨著壓下率的增加從7.8略微增大到8.6。