加熱速率對(duì)Nb－IF鋼退火組織及織構(gòu)特征的影響

鄧 嶠，侯自勇，燕際軍，李建平

(1.華中科技大學(xué) 管理學(xué)院，武漢 430074;2.東北大學(xué) 軋制技術(shù)與連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110819; 3.本溪鋼鐵集團(tuán)公司 技術(shù)中心，本溪 111700)

加熱速率對(duì)Nb－IF鋼退火組織及織構(gòu)特征的影響

鄧 嶠1，侯自勇2，燕際軍3，李建平2

(1.華中科技大學(xué) 管理學(xué)院，武漢 430074;2.東北大學(xué) 軋制技術(shù)與連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110819; 3.本溪鋼鐵集團(tuán)公司 技術(shù)中心，本溪 111700)

以一種冷軋Nb－IF鋼為研究對(duì)象，研究了不同加熱速率下退火板的微觀組織和織構(gòu)特征.結(jié)果表明:當(dāng)加熱速率由10℃/s增加到150℃/s時(shí)，再結(jié)晶晶粒平均直徑由16.72 μm細(xì)化到13.8 μm;當(dāng)加熱速率高于100℃/s時(shí)，平均晶粒直徑變化趨于平緩.試驗(yàn)鋼完全再結(jié)晶晶粒以大角晶界為主，隨加熱速率變化，其含量在81.3%～86.9%范圍內(nèi)波動(dòng)，重位點(diǎn)陣(CSL)含量在34.1%～44.5%之間波動(dòng).在快速加熱退火和普通加熱退火條件下，試驗(yàn)鋼均可獲得強(qiáng)烈的γ織構(gòu)，強(qiáng)點(diǎn)密度在f(g)=9.01～10.42范圍內(nèi).

退火;加熱速率;Nb－IF鋼;組織;織構(gòu)

眾所周知，成品板材的微觀組織特征決定其力學(xué)性能和成形性能，而退火工藝作為冷軋板必不可少的工序?qū)ν嘶鸢逦⒂^組織及織構(gòu)特征影響很大［1～2］.退火時(shí)間、退火溫度、冷卻模式及過時(shí)效參數(shù)等對(duì)退火板再結(jié)晶組織、織構(gòu)及力學(xué)性能的影響，前人已開展了大量的研究工作［3～5］.Attallah等［6］研究了加熱速率對(duì)Al－Mg合金開始發(fā)生初次再結(jié)晶的影響，認(rèn)為加熱速率可提高再結(jié)晶開始溫度，且存在某一臨界溫度;但也有學(xué)者認(rèn)為加熱速率能夠單調(diào)提高(或降低)再結(jié)晶溫度［7～9］;Massardier等研究了超快速加熱退火下Al鎮(zhèn)靜鋼的再結(jié)晶組織和機(jī)械性能特征［7］.然而，關(guān)于加熱速率對(duì)再結(jié)組織和晶界特征的研究，國(guó)內(nèi)外均鮮見報(bào)道.近年來，隨著鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)裝備的發(fā)展及人們對(duì)高生產(chǎn)效率的追求，有關(guān)超速退火的研究成為了人們研究的目標(biāo)［6～9］.

本文以一種冷軋Nb－IF鋼為研究對(duì)象，采用電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)和XRD織構(gòu)分析等技術(shù)手段，觀察了試驗(yàn)鋼在不同加熱速率下微觀組織及織構(gòu)變化規(guī)律，為超快速退火的工業(yè)化應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo).

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料制備

試驗(yàn)鋼在國(guó)內(nèi)某鋼廠150 kg真空感應(yīng)熔煉爐中冶煉，其實(shí)際檢測(cè)成分如表1所示.試驗(yàn)鋼錠經(jīng)鍛造、機(jī)加工成待軋方坯，利用RAL－φ450 mm兩輥可逆式熱軋機(jī)經(jīng)7道次熱軋至3.3 mm，精軋終軋溫度控制在905±15℃范圍內(nèi).終軋結(jié)束后立即水冷至610～635℃，并在600℃電阻爐中保溫1 h后爐冷模擬卷取過程.熱軋板經(jīng)酸洗、潤(rùn)滑冷軋至0.5 mm厚，冷軋總壓下率為84.8%.為避免加熱速率及軋制方向?qū)M織及織構(gòu)的影響，每道次冷軋壓下率均＜1%，并保持軋制上下表面不變.在冷軋板上用線切割切取90 mm×35 mm(軋向×橫向)長(zhǎng)條狀試樣，酸洗后清洗干凈以作退火用.

為了精確控制加熱速率和退火溫度，退火試驗(yàn)在MMS－300熱力學(xué)模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.設(shè)備采用電阻加熱方式，并由K－型熱電偶控制溫度，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)退火所需升溫、保溫、降溫等各階段的參數(shù)控制.設(shè)定加熱速率分別為10、20、50、100、150℃/s，退火溫度為860℃，加熱到退火溫度后保溫5 s，然后以10℃/s的速度冷卻.

表1 試驗(yàn)鋼成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the test steels(mass fraction) %

1.2 組織觀察及織構(gòu)測(cè)試

退火試樣經(jīng)酸洗、平整，用線切割切取金相樣進(jìn)行組織觀察及織構(gòu)測(cè)試.金相樣用砂紙逐級(jí)打磨并進(jìn)行機(jī)械拋光，隨后進(jìn)行電解拋光.在FEI Quanta 600掃描電鏡自帶的OIM 4000 EBSD系統(tǒng)對(duì)不同加熱速率下退火試樣縱向截面進(jìn)行取向分析，步長(zhǎng)為1.5 μm.對(duì)測(cè)試結(jié)果采用面積法計(jì)算各加熱速率下冷軋退火組織的再結(jié)晶晶粒尺寸.

冷軋態(tài)X射線衍射(XRD)織構(gòu)分析試樣尺寸為20 mm×22 mm，測(cè)試其中心層織構(gòu).對(duì)待測(cè)定表面首先測(cè)定(110)、(200)、(211)三張不完整極圖，測(cè)量范圍為 α由0～70(°)，β由0～360(°)，測(cè)量步長(zhǎng)為5(°)，并計(jì)算出三維取向分布函數(shù)(ODF).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1加熱速率對(duì)再結(jié)晶組織的影響

圖1為試驗(yàn)鋼在不同加熱速率下的EBSD取向成像圖，其中黑色代表{111}//ND取向，取向容差角為15(°)，白色為Goss取向或立方取向.再結(jié)晶完成時(shí)，不同加熱速率下的再結(jié)晶晶粒均以黑色為主，晶粒取向?yàn)閧111}//ND，即以有利成形性能的γ織構(gòu)為主.各取向晶粒儲(chǔ)能順序如{110}＞{111}＞{112}＞{100}［5］，根據(jù)“定向形核”機(jī)制，再結(jié)晶形核優(yōu)先發(fā)生在高儲(chǔ)能的取向晶粒處.對(duì)冷軋IF鋼板而言，鋼板中{110}取向的晶粒數(shù)量極少，故{111}//ND取向晶粒將優(yōu)先形核、發(fā)展，進(jìn)而成為再結(jié)晶織構(gòu)的主要發(fā)源地.

試驗(yàn)鋼在不同加熱速率下的平均再結(jié)晶晶粒尺寸如圖2所示.從圖中可以看出，隨著加熱速率增加，再結(jié)晶晶粒平均尺寸降低.當(dāng)加熱速率由10℃/s增加到100℃/s時(shí)，晶粒平均直徑由16.72 μm細(xì)化到13.92 μm.然而，當(dāng)加熱速率繼續(xù)增加，由100℃/s提高到150℃/s時(shí)，晶粒平均直徑仍達(dá)13.8 μm，再結(jié)晶晶粒尺寸變化趨于平緩.Muljono等［8］研究結(jié)果表明:當(dāng)加熱速率在1 000℃/s以上時(shí)，增加加熱速率對(duì)再結(jié)晶晶粒尺寸的細(xì)化效應(yīng)將達(dá)到飽和狀態(tài)，即再結(jié)晶晶粒尺寸將不再隨加熱速率的增加而降低，本試驗(yàn)所得結(jié)果與其趨勢(shì)相一致.此現(xiàn)象解釋如下:再結(jié)晶過程中，晶粒長(zhǎng)大速度取決于晶界遷移率和長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力兩個(gè)因.長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力主要來源為冷軋變形時(shí)的變形儲(chǔ)能;晶粒遷移率與溫度之間為典型的Arrhenius指數(shù)關(guān)系，隨溫度升高而增加［8］.一般而言，隨加熱速率增加，再結(jié)晶形核溫度提高，晶粒遷移率增加，晶粒長(zhǎng)大速度增加，對(duì)晶粒具有粗化作用.同時(shí)，快速加熱過程中，一方面，形核溫度提高，形核率增加，可細(xì)化晶粒尺寸;另一方面，加熱過程中回復(fù)時(shí)間短，消耗能量少，變形儲(chǔ)能及殘余位錯(cuò)密度高，細(xì)化再結(jié)晶晶粒.因此，最終得到的再結(jié)晶晶粒尺寸是粗化效應(yīng)和細(xì)化效應(yīng)兩種因素共同作用的結(jié)果.隨后，繼續(xù)提高加熱速率，再結(jié)晶晶粒尺寸達(dá)飽和狀態(tài)，這與高溫形核率達(dá)飽和狀態(tài)和長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力有關(guān)，也有文獻(xiàn)認(rèn)為是由超快速加熱過程中再結(jié)晶溫度降低造成的［9］.

圖3所示為不同加熱速率對(duì)退火樣晶界角度及重位點(diǎn)陣分布的影響.從圖中可以看出，再結(jié)晶完成時(shí)，不同加熱速率下再結(jié)晶晶粒晶界夾角小角晶界含量在13.1%～18.7%之間，大角晶界在81.3%～86.9%范圍內(nèi)波動(dòng)，這些均符合深沖壓用板退火后晶界分布特征［10～11］.當(dāng)加熱速率在10℃/s至150℃/s之間變化時(shí)，退火樣中重位點(diǎn)陣(CSL)晶界數(shù)量在34.1%～44.5%波動(dòng).此外，小角晶界及CSL晶界數(shù)量隨加速速率增加有逐漸減少的趨勢(shì)，但兩者仍能保持在13%和30%以上.根據(jù)Watanabe提出的晶界特征分布的概念，將晶界分為3種類型［10］:當(dāng)相鄰兩晶粒間的取向差小于15(°)時(shí)，定義為小角度晶界(也稱∑1晶界);當(dāng)晶界的∑值位于3～29時(shí)，定義為低∑重位點(diǎn)陣;當(dāng)晶界的∑值大于29時(shí)的晶界稱為隨機(jī)晶界［11］.前兩種晶界一般稱為低能晶界，而第3種晶界稱為高能晶界［10～11］.眾多研究表明［12～13］，由于低∑值CSL晶界和小角度晶界能量低，晶界結(jié)合力強(qiáng)，不易與溶質(zhì)原子和位錯(cuò)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(duì)微裂紋的擴(kuò)展還能起到阻礙作用.試驗(yàn)鋼在10～150℃/s加熱速率范圍內(nèi)，能夠獲得含量≥13.1%的小角晶界和≥34.1%的CSL晶界，有利于獲得優(yōu)良的沖壓性能和抗二次加工脆性的鋼板［10～13］.

圖4 試驗(yàn)鋼冷軋態(tài)中心層φ2=45(°)ODF截面圖Fig.4 φ2=45(°)ODF sections of the central texture of the test steel after cold rolling

2.2 加熱速率對(duì)再結(jié)晶織構(gòu)的影響

圖4為試驗(yàn)鋼冷軋板中心層φ2=45(°)ODF截面圖.由圖中可知，試驗(yàn)鋼冷軋織構(gòu)表現(xiàn)出極強(qiáng)的α織構(gòu)、相對(duì)較弱的γ織構(gòu)及較高含量的旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu){001}＜110＞.其中，α織構(gòu)主要分布在{001}～{223}＜110＞之間，織構(gòu)最強(qiáng)點(diǎn)在{223}＜110＞附近處獲得，其強(qiáng)點(diǎn)密度f(g)=14.41;γ取向線附近織構(gòu)密度在5.0左右，相對(duì)較弱，上述冷軋織構(gòu)特征均符合BCC金屬軋制織構(gòu)的一般特征［14］.

圖5為退火板在不同加熱速率下典型的φ2=45(°)ODF截面圖.從圖中可以看出，試驗(yàn)鋼在不同加熱速率下再結(jié)晶織構(gòu)均為單一、強(qiáng)烈的γ織構(gòu)，織構(gòu)最強(qiáng)點(diǎn)在γ線附近{112}～{111}＜231＞處，強(qiáng)點(diǎn)峰值密度范圍為f(g)=9.0～10.95.與圖4中冷軋織構(gòu)相比，再結(jié)晶織構(gòu)中α織構(gòu)密度大幅度下降，其密度強(qiáng)度由f(g)=14.41下降到f(g)=2.0左右.根據(jù)“定向形核”機(jī)制，優(yōu)先形核晶粒通過吞噬周圍的α取向晶粒而長(zhǎng)大，整體織構(gòu)取向在γ取向線附近聚集，最終成品織構(gòu)幾乎都集中在γ取向線附近;與此同時(shí)，α纖維織構(gòu)所占比例下降，取向密度降低［5］.

圖5 加熱速率對(duì)試驗(yàn)鋼微觀織構(gòu)的影響Fig.5 The effect of heating rate on the texture of the test steel(a)—Heating rate=10℃/s;(b)—Heating rate=20℃/s;(c)—Heating rate=50℃/s; (d)—Heating rate=100℃/s;(e)—Heating rate=150℃/s

此外，當(dāng)加熱速率為10～50℃/s時(shí)，再結(jié)晶織構(gòu)次強(qiáng)點(diǎn)均為{111}＜123＞織構(gòu)，而加熱速率升高到100℃/s和150℃/s時(shí)，次強(qiáng)點(diǎn)織構(gòu)則為{554}＜225＞織構(gòu)，織構(gòu)強(qiáng)度密度變化不大.{554}＜225＞織構(gòu)和{111}＜123＞織構(gòu)與冷軋變形織構(gòu){112}＜110＞存在25～30(°)＜110＞關(guān)系，即∑19a(26.5(°)＜110＞)或∑13b(27.8 (°)＜110＞)重位點(diǎn)陣，具有較高的晶界移動(dòng)性［5，15，16］.研究表明，大變形下的金屬，再結(jié)晶織構(gòu)取決于再結(jié)晶后期的選擇生長(zhǎng)［15］.再結(jié)晶后期晶核將向{112}＜110＞未再結(jié)晶基體中生長(zhǎng)，使得最終再結(jié)晶織構(gòu)具有{554}＜225＞和{111}＜123＞織構(gòu)［16］.當(dāng)加熱速率由10℃/s增加到100～150℃/s時(shí)，再結(jié)晶發(fā)生之前回復(fù)時(shí)間縮短，冷軋變形儲(chǔ)能消耗少，以至于在后期的再結(jié)晶過程中能夠起到加速再結(jié)晶的作用，增加了{(lán)112}＜110＞取向通過選擇生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)閧554}＜225＞取向的比例，當(dāng){554}＜225＞取向晶粒達(dá)到一定比例的情況下，再結(jié)晶織構(gòu)才會(huì)表現(xiàn)出相對(duì)較強(qiáng)的次強(qiáng)點(diǎn).

3 結(jié)論

(1)隨加熱速率增加，試驗(yàn)鋼再結(jié)晶晶粒平均直徑由16.72 μm細(xì)化到13.8 μm，當(dāng)加熱速率高于100℃/s，晶粒平均直徑變化緩慢.

(2)不同加熱速率下再結(jié)晶完成后，晶粒晶界夾角均以大角晶界為主，隨加熱速率變化，大角晶界分布在81.3% ～86.9%之間，重位點(diǎn)陣(CSL)晶界數(shù)量在34.1%～44.5%范圍內(nèi)波動(dòng).

(3)試驗(yàn)鋼在不同加熱速率下再結(jié)晶織構(gòu)均為鋒銳的γ織構(gòu)，最強(qiáng)點(diǎn){111}＜231＞織構(gòu)密度在f(g)=9.01～10.42之間，隨加熱速率增加，次強(qiáng)點(diǎn){111}＜123＞織構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閧554}＜225＞織構(gòu).

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Influence of heating rate on the microstructure and texture of Nb－IF steel sheet

DENG Qiao1，HOU Zi-yong2，YAN Ji-jun3，LI Jian-ping2

(1.School of Management，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China; 2.The State Key Laboratory of Rolling and Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China;3.Technology Center，Benxi Iron and Steel Co.Ltd.，Benxi，111700)

Microstructure and texture characterization of a cold Nb－IF steel sheet after annealing with different heating rates was investigated.The results reveal that the average grain size is gradually refined from 16.72 μm to 13.8 μm as the heating rate increase from 10℃/s to 150℃/s;the average grain size is slightly fined when the heating rate is over 100℃/s.The high angle boundary range of 81.3% ～86.9%and ΣCSL boundaries range of 34.1% ～44.5%can be find various with heating rates.The strong γ texture，with a peak value of f(g)=9.01～10.42，can be obtained under conditions of rapid or common heating rate.

Annealing;heating rate;Nb－IF steel;microstructure;texture

TG 142

A

1671-6620(2012)01-0038-05

2011-11-18.

國(guó)家自然科學(xué)基金 (No.50734001);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目 (No.110607004).

鄧嶠 (1978—)，男，華中科技大學(xué)博士研究生，E－mail:QQQQQQ26@LIVE.CN;李建平 (1958—)，男，東北大學(xué)研究員，E－mail:ljp@mail.neu.edu.cn.