硼元素對(duì)無間隙原子鋼微觀組織及成形性能的影響

金 磊,尉 冬,關(guān)建東

(1.首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院 100043,北京；2.綠色可循環(huán)鋼鐵流程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100043；3.北京首鋼股份有限公司,北京 100043)

近些年來，隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車保有量持續(xù)增大，汽車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈?；趯?duì)行車安全、環(huán)保、燃油效率等方面的考慮，汽車制造商更著眼于車身減重、降低制造成本、提升產(chǎn)品性能等方面。汽車輕量化是降低能耗、減少二氧化碳排放的最有效手段之一[1]。研究表明，汽車質(zhì)量每減少100 kg，每百公里燃油消耗下降0.3～0.5 L，二氧化碳排放減少8～11 g[2]。由此可見，汽車輕量化對(duì)于減少污染、節(jié)約能源等方面具有重要意義。

IF鋼(無間隙原子鋼)具備優(yōu)良的深沖性能，能滿足車身零件沖壓過程中對(duì)強(qiáng)度和成形性能的要求，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)車身覆蓋件等。IF鋼的主要強(qiáng)化方式是固溶強(qiáng)化，機(jī)理是通過添加磷、錳、硅等元素起到強(qiáng)化作用，其中磷元素是最經(jīng)濟(jì)，且固溶強(qiáng)化作用最強(qiáng)的元素；但I(xiàn)F鋼中添加的鈦、鈮元素使晶界強(qiáng)度降低，磷元素容易偏聚到晶界，導(dǎo)致IF鋼出現(xiàn)冷加工脆性現(xiàn)象[3]。研究表明，向IF鋼中加入硼元素，能夠?qū)F鋼的微觀組織產(chǎn)生影響，改善IF鋼的二次加工脆性[4-7]。筆者分析了不同硼元素添加量下IF鋼的微觀組織與成形性能，探索硼元素對(duì)IF鋼性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料

選取牌號(hào)為DC04，尺寸為0.7 mm(厚度)的IF鋼，在其他成分不變的情況下，向其中添加一定量的硼元素。將添加硼元素的IF鋼與不添加硼元素的IF鋼進(jìn)行710 ℃卷取+800 ℃退火處理，考慮到熱處理時(shí)會(huì)有硼元素殘留，因此材料中硼元素含量低于0.000 2%時(shí)，判定為不含硼元素，熱處理后含硼IF鋼和無硼IF鋼的化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示。

表1 熱處理后含硼IF鋼和無硼IF鋼的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2 硼元素對(duì)IF鋼的影響

2.1 微觀組織

利用光學(xué)顯微鏡觀察含硼IF鋼和無硼IF鋼的顯微組織形貌，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：含硼IF鋼和無硼IF鋼的顯微組織均為鐵素體，其中含硼IF鋼的平均晶粒尺寸為20 μm，晶粒度等級(jí)為8級(jí)；無硼IF鋼的平均晶粒尺寸為22 μm，晶粒度等級(jí)為8級(jí)。

圖1 含硼IF鋼和無硼IF鋼的顯微組織形貌

對(duì)含硼IF鋼和無硼IF鋼進(jìn)行冷軋?zhí)幚?，然后?duì)成品的顯微組織進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：經(jīng)過冷軋工序后，含硼IF鋼和無硼IF鋼的晶粒尺寸均發(fā)生了較大變化，其中含硼IF鋼成品的平均晶粒尺寸為17 μm，晶粒度等級(jí)為8.5級(jí)；無硼IF鋼成品的平均晶粒尺寸為21 μm，晶粒度等級(jí)為8級(jí)。

圖2 含硼IF鋼成品和無硼IF鋼成品的顯微組織形貌

對(duì)含硼IF鋼和無硼IF鋼冷軋前后的顯微組織形貌進(jìn)行對(duì)比可知，硼元素具有細(xì)化組織的作用。硼元素作為一種晶界偏聚元素，當(dāng)硼元素和鈦元素共存時(shí)，硼原子和鈦原子之間有相互吸引作用，導(dǎo)致硼元素和鈦元素在再結(jié)晶核的界面處共偏析，并強(qiáng)烈抑制了再結(jié)晶核的生長，從而對(duì)IF鋼顯微組織起到了細(xì)化作用。

2.2 織構(gòu)含量

IF鋼的織構(gòu)發(fā)展需要經(jīng)歷3個(gè)階段：鑄造織構(gòu)、形變織構(gòu)和再結(jié)晶織構(gòu)。其中以再結(jié)晶織構(gòu)最為重要，因?yàn)樵俳Y(jié)晶之后會(huì)形成對(duì)IF鋼深沖性能有著極為關(guān)鍵作用的{111}織構(gòu)，{111}織構(gòu)越強(qiáng)烈、均勻，其深沖性能越好，因此對(duì)于含硼IF鋼與無硼IF鋼，對(duì)比二者{111}織構(gòu)的含量，可以直觀體現(xiàn)硼元素對(duì)IF鋼深沖性能的影響。

采用電子背散射衍射技術(shù)(EBSD)對(duì)含硼IF鋼和無硼IF鋼的織構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示，織構(gòu)含量的計(jì)算結(jié)果如表2所示。由圖3和表2可知，無硼IF鋼中{111}織構(gòu)組分增加了7%，{112}織構(gòu)組分增加了5%，含硼IF鋼的晶粒尺寸為17.317 μm，無硼IF鋼的晶粒尺寸為21.21 μm，與金相檢驗(yàn)得到的晶粒尺寸一致性較好，說明無硼IF鋼的晶粒尺寸得到了粗化。

圖3 含硼IF鋼成品和無硼IF鋼成品的EBSD分析結(jié)果

表2 含硼IF鋼與無硼IF鋼織構(gòu)含量的計(jì)算結(jié)果

2.3 力學(xué)性能

冷軋后，對(duì)兩種IF鋼成品進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如表3所示。由表3可知：無硼IF鋼成品相比含硼IF鋼成品，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有所降低，斷后伸長率和加工硬化指數(shù)變化不大，但塑性應(yīng)變比有所提升，各向異性指數(shù)沒有明顯變化。可見，在退火過程中,IF鋼中發(fā)生了回復(fù)再結(jié)晶現(xiàn)象，逐漸形成有利于深沖性能的{111}織構(gòu)。由金相檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，IF鋼的晶粒尺寸會(huì)因硼元素的添加而發(fā)生變化，在后續(xù)的冷軋工序中，IF鋼成品的顯微組織、退火再結(jié)晶時(shí)晶粒的形核和長大過程同樣會(huì)受到影響，進(jìn)而導(dǎo)致{111}織構(gòu)強(qiáng)度不同，最終影響材料的塑性應(yīng)變比。因此，硼元素對(duì)IF鋼的塑性應(yīng)變比有較大影響。

表3 含硼IF鋼成品和無硼IF鋼成品的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

2.4 成形性能

成形極限圖(FLD)是研究材料成形性能，反映材料沖壓性能和沖壓工藝的重要參數(shù)，成形極限曲線(FLC)可用于進(jìn)行材料變形失穩(wěn)理論分析和建立應(yīng)變數(shù)學(xué)模型[8]，因此FLC對(duì)研究硼元素對(duì)IF鋼成形極限的影響有著很重要的意義。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15825.8—2008 《金屬薄板成形性能與試驗(yàn)方法 第8部分:成形極限圖(FLD)測(cè)定指南》，利用剛性凸模脹形試驗(yàn)進(jìn)行FLD試驗(yàn)，試驗(yàn)過程如圖4所示，將一側(cè)板面噴有散斑的試樣置于凹模與壓邊圈之間，施加一定的壓邊力，壓牢試樣，在保證沖頭與試樣之間足夠潤滑的條件下，試樣中部在凸模力作用下均勻變形，產(chǎn)生脹形變形，并形成凸包，當(dāng)試樣局部產(chǎn)生頸縮或破裂時(shí)，停止試驗(yàn)，采用ARAMIS型在線光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)對(duì)試樣的應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，從而獲得材料的成形極限。

圖4 FLD試驗(yàn)過程示意

含硼IF鋼和無硼IF鋼的典型力學(xué)性能如表4所示，二者的FLC如圖5所示。由圖5可知：當(dāng)次應(yīng)變小于0時(shí)，即單向拉伸變形階段，無硼IF鋼的主應(yīng)變要略高于含硼IF鋼；當(dāng)次應(yīng)變不小于0時(shí)，材料處于平面應(yīng)變和等雙向拉伸應(yīng)變狀態(tài)，含硼IF鋼的主應(yīng)變更高。說明對(duì)于深拉延零件，無硼IF鋼的成形性能更好；而對(duì)于一些成形較為復(fù)雜，以拉脹成形為主的零件，含硼IF鋼的成形性能更好。

表4 含硼IF鋼和無硼IF鋼的典型力學(xué)性能

圖5 含硼IF鋼和無硼IF鋼的FLC

3 結(jié)論

(1) 添加硼元素會(huì)降低IF鋼中有利于深沖性能的{111}織構(gòu)組分含量。

(2) IF鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率、加工硬化指數(shù)受硼元素影響不大，硼元素對(duì)塑性應(yīng)變比有較大影響，向IF鋼種添加一定量的硼元素，會(huì)使材料塑性應(yīng)變比降低。

(3) 向IF鋼中添加硼元素，可以提高IF鋼的平面應(yīng)變及等雙向拉伸應(yīng)變能力，然而對(duì)單向拉伸應(yīng)變則有不良影響。