不同退火工藝的if鋼板織構和晶界特征分布

不同退火工藝的if鋼板織構和晶界特征分布

無間隙原子鋼（if鋼）具有優(yōu)異的深度脈沖性能，通常用于汽車行業(yè)。根據(jù)現(xiàn)有的研究，if鋼的高度推廣性變形比其強的扭轉性能更密切相關。因此，除了使用x射線衍射技術進行紡織結構測量外，我們還需要研究各種資源的組成以及分布。對于含磷(P)高強IF鋼,由于P易在晶界產(chǎn)生偏析,大大降低了晶界結合強度,使得IF鋼汽車板在沖壓成型后的使用過程中存在受低溫沖擊而斷裂的危險,即出現(xiàn)二次加工脆性現(xiàn)象.二次加工脆性的敏感程度通常用韌-脆轉變溫度(DBTT)來衡量,為避免出現(xiàn)二次加工脆性就應盡量降低DBTT.研究表明,多晶材料的脆性斷裂與其晶界特征分布(grainboundarycharacterdistribution,簡稱GBCD)密不可分.從而希望通過調整材料的加工工藝,優(yōu)化、控制GBCD進而達到改善和提高材料性能之目的.根據(jù)Watanabe提出的晶界特征分布的概念,將晶界分為三種類型:當相鄰兩晶粒間的取向差小于15°時,定義為小角度晶界(也稱∑1晶界);當晶界的∑值位于3—29時,定義為低∑重位點陣(CSL)晶界;而∑值大于29的晶界稱為隨機晶界.前兩種晶界一般稱為低能晶界,而第三種晶界稱為高能晶界.眾多研究表明,低∑CSL晶界結合力強、能量低,與隨機晶界相比具有更好的抗脆性和抗腐蝕性.因而低∑CSL晶界在多晶材料中所占的比重及其特征分布情況都將直接影響到多晶材料的機械和物理性能.最近發(fā)展起來的電子背散射衍射(electronbackscatterdiffraction,簡稱EBSD)技術,可以對塊狀樣品上亞微米級顯微組織逐點作結晶學分析,從而取得有關晶體取向空間分布的大量信息.EBSD中的晶體取向顯微成像技術使顯微組織、微區(qū)成分與結晶學數(shù)據(jù)分析聯(lián)系起來,能對晶界類型、取向、位向差和結構及其分布進行觀察、統(tǒng)計測定和定量分析,從而建立起晶界結構、取向和織構等與多晶材料性能的定量和半定量關系,成為現(xiàn)代材料科學研究的重要實驗技術.本文模擬了IF鋼板的兩種退火工藝,并運用EBSD技術對實驗鋼板的織構和晶界特征分布及其與二次加工脆性間的關系進行了研究,為改善IF鋼板的二次加工脆性,進一步提高鋼板的深沖性能提供了理論指導.1實驗鋼退火實驗用IF鋼板取自上海寶鋼生產(chǎn)的Ti-IF鋼冷軋板,厚度為0.8mm,其成分(質量分數(shù),%)為:C0.0016,S0.012,Mn0.14,P0.007,S0.0004,Al0.036,N0.0022,Ti0.072.根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)IF鋼的退火制度,在實驗室的保護氣氛箱式退火爐中模擬罩式退火,其工藝設定如下:室溫裝爐,以50℃/h的升溫速度將實驗鋼板加熱至710℃,保溫4h后,隨爐冷卻;連續(xù)退火模擬在寶鋼CCT-WAY薄板連續(xù)退火模擬裝置上進行,工藝參數(shù)的設定如下:以15℃/s的升溫速度升溫至850℃,保溫2min后,以10℃/s的速度冷卻至室溫.將經(jīng)過BA和CA工藝退火后的實驗鋼板分別制成JIS-5號試樣,在Zwick/Z100型材料拉伸實驗機上進行力學性能檢測.實驗鋼板的韌-脆轉變溫度(DBTT)采用沖杯法進行測定.織構和晶界特征分布的分析均在裝有EBSD附件的JCXA-733型探針掃描儀上進行.2結果與分析2.1環(huán)境質量與二次沖壓工藝不同退火工藝得到的實驗鋼板的性能如表1所示.采用連續(xù)退火工藝的實驗IF鋼板其平均塑性應變比值(rm)、硬化指數(shù)(n)和延伸率(δ)都明顯優(yōu)于罩式退火工藝的實驗鋼板,而韌-脆轉變溫度(DBTT)尤為明顯.這表明在二次沖壓成形過程中罩式退火工藝的IF鋼板更易出現(xiàn)二次加工脆性現(xiàn)象.2.2連續(xù)退火鋼板的晶面結構圖1為不同退火工藝實驗IF鋼板的EBSD圖,圖中反映出晶粒間取向差θ>2°的真實晶粒尺寸差異.兩實驗鋼板得到的均為等軸鐵素體晶粒,但采用CA工藝退火的實驗鋼板晶粒尺寸細小均勻,平均晶粒尺寸約25μm(圖1b),而BA工藝退火的實驗鋼板晶粒尺寸較粗大,平均晶粒尺寸約50μm,且分布不均勻(圖1a).晶粒尺寸的式中,D為再結晶晶粒的尺寸,v為再結晶晶粒的長大速率,N為再結晶晶粒的形核率.從式(1)可知,形核率的增加使再結晶晶粒細化.這些均勻細小的等軸鐵素體晶粒使得經(jīng)連續(xù)退火的IF鋼板獲得比罩式退火的IF鋼板更高的延伸率、斷裂強度和硬化指數(shù).rm值的高低與再結晶織構密切相關,通常γ纖維織構越強,α織構越弱,rm值則越高.圖2為不同退火工藝條件下實驗鋼板的反極圖.從圖中可看出,連續(xù)退火IF鋼板比罩式退火IF鋼板含有更多{111}晶面平行與軋面的再結晶晶粒,即連續(xù)工藝退火的IF鋼板顯示更強烈的γ-<111>∥ND再結晶織構.連續(xù)退火IF鋼板的{111}再結晶織構由{111}<110>和{111}<112>取向的兩類晶粒組成,而罩式退火IF鋼板的{111}再結晶織構主要由{111}<110>取向的晶粒組成,含少量的{111}<112>取向晶粒.這種再結晶織構的強度與組分的差別原因主要是由于連續(xù)退火溫度高,再結晶驅動力大,從而有更多{111}取向的亞晶或晶粒擇優(yōu)形核長大,生成更強烈的{111}再結晶織構;此外,在罩式退火過程中由于長時間的低溫保溫,各織構組分間發(fā)生相互轉變,但轉變率不盡相同,{111}<112>取向和其它取向的晶粒轉變?yōu)閧111}<110>取向的轉變率要遠遠大于{111}<110>轉變?yōu)槠渌∠虻霓D變率,因而罩式退火工藝中{111}<110>取向多,{111}<112>取向少.表2為兩實驗鋼板中晶粒取向分布的統(tǒng)計結果.從表中可看出,經(jīng)連續(xù)退火的IF鋼板中不僅有利取向的晶粒要比罩式退火的多,而不利的{100}<110>晶粒取向也要比罩式退火的少,這主要是因為,在高溫短時的連續(xù)退火工藝中,第二相粒子在850℃時尚未溶解,在保溫2min的時間里尚未長大,保持細小,稀疏分布狀態(tài),從而抑制了{100}<110>取向的發(fā)展.2.3晶界類型對if鋼板二次加工的影響圖3為不同退火工藝條件下IF鋼板中的低∑CSL晶界分布及統(tǒng)計.結果表明,連續(xù)退火IF鋼板中的CSL晶界數(shù)量上要明顯多于罩式退火IF鋼板,且連續(xù)退火IF鋼板中的低∑CSL晶界均勻分布,而罩式退火IF鋼板中的CSL晶界成團集中分布.在CSL晶界類型上兩實驗鋼板也存在差異,連續(xù)退火的IF鋼板中除∑3和∑13兩類主要重位點陣晶界外,還含有較多的∑7,∑9和∑11等重要低∑CSL晶界,而罩式退火工藝的IF鋼板中除∑3和∑13兩類主要重位點陣晶界外其它CSL晶界含量很少.兩種實驗鋼板低∑CSL晶界數(shù)量與類型的差異與兩實驗鋼板織構強度和組分的差異密切相關.晶界類型由晶界兩側位向關系決定,設某晶界兩側的晶粒位向矩陣分別為A,B,晶粒位向間的變換矩陣為M則兩晶粒的公共旋轉軸[hkl]可按以下公式求得:旋轉角根據(jù)[hkl]與θ值即可確定該晶界的∑值.由于實測的[hkl]和θ與理論值往往存在偏差,被測晶界∑值的有效性由Brandon準則來判定:低∑CSL晶界和小角度晶界能量低,晶界結合力強,不易與溶質原子和位錯發(fā)生交互作用,從而減少或避免微裂紋源的產(chǎn)生,而且這些低能晶界對微裂紋的擴展還能起到阻礙作用.因此,低能晶界在IF鋼板中的含量和分布情況將直接影響到IF鋼板的二次加工脆性.圖4為低能晶界(低∑CSL晶界和∑1晶界)與高能隨機晶界在兩種不同退火工藝的IF鋼板中的特征分布圖.圖中深色為高能隨機晶界,淺色為低能晶界.連續(xù)退火的IF鋼板中高能隨機晶界與低能晶界均勻分布,且相互分割.而罩式退火的IF鋼板中,低能晶界成團集中分布,高能隨機晶界分布在團簇周圍并構成粗大的網(wǎng)狀.由于有害元素P極易在這些構成粗大網(wǎng)狀的隨機晶界上產(chǎn)生偏聚,使晶界結合力降低;IF鋼板進行二次沖壓成形時,位錯在成團低能晶界處運動不受阻擋,而快速移動到高能隨機晶界處時受到阻礙,位錯大量在此塞積,引起沿晶斷裂,這是導致產(chǎn)生二次冷加工脆性的重要原因.圖5為多晶材料中晶界特征分布和材料斷裂方式之間的關系示意圖.途徑A為裂紋擴展過程中受到低能晶界的阻擋,而發(fā)生穿晶斷裂;途徑B則為裂紋源沿著高能隨機晶界迅速擴展,產(chǎn)生典型的沿晶脆性斷裂.從該示意圖很容易理解兩實驗鋼板在二次加工脆性上的差異與它們的晶界特征分布的差異密切相關.因此,增加IF鋼板中的低∑CSL晶界和小角度晶界,并使它們在鋼板中均勻分布,即優(yōu)化鋼板的晶界特征分布,可以使IF鋼板的二次加工脆性得到改善,從而提高IF鋼板的深沖性能.3層序晶界的結構(1)連續(xù)退火IF鋼板具有較高的塑性應變比r值,和低的韌-脆轉變溫度,其深沖性能大大優(yōu)于罩式退火IF鋼板.(2)連續(xù)退火IF鋼板的晶粒尺寸細小,且分布均勻而罩式退火的實驗鋼板晶粒較粗大且分布不均勻.(3)連續(xù)退火IF鋼板呈現(xiàn)強烈的{111}再結晶織構,它由{111}<110>和{111}<112>兩類取向晶粒組成;罩式退火IF鋼板的{111}再結晶織構相對較弱,且主要由{111}<110>晶粒組成.(4)連續(xù)退IF鋼板中含有較多的∑3,∑13,∑7,∑9和∑11重位晶界,