Ti＋Nb和Ti＋V超低碳烘烤硬化鋼的組織和性能研究

陳繼平，錢健清，李勝祗，康永林

（1安徽工業大學 材料科學與工程學院，安徽 馬鞍山243002；2安徽省高校金屬材料與加工重點實驗室，安徽 馬鞍山243002；3北京科技大學 材料科學與工程學院，北京100083）

Ti＋Nb和Ti＋V超低碳烘烤硬化鋼的組織和性能研究

陳繼平1，2，錢健清1，2，李勝祗1，2，康永林3

（1安徽工業大學 材料科學與工程學院，安徽 馬鞍山243002；2安徽省高校金屬材料與加工重點實驗室，安徽 馬鞍山243002；3北京科技大學 材料科學與工程學院，北京100083）

采用Gleeble－1500熱模擬試驗機對Ti＋Nb和Ti＋V復合處理超低碳BH鋼的變形抗力和動態連續冷卻轉變進行研究，并觀察了兩種實驗鋼在不同冷卻工藝條件下的金相組織。結果表明：在1100℃、應變速率1s－1時Ti＋Nb超低碳BH鋼的變形抗力比Ti＋V超低碳BH鋼高出約13MPa，在相同的變形條件下，兩種實驗鋼的組織形貌及晶粒尺寸差別較大。兩種超低碳BH鋼在不同冷卻條件下的室溫金相組織均是多邊形的鐵素體，Ti＋Nb超低碳BH鋼鐵素體晶粒較為細小，形狀不規則，平均晶粒尺寸為16μm，Ti＋V超低碳BH鋼鐵素體晶粒則較為粗大，形狀規則，平均晶粒尺寸為26μm。

超低碳；烘烤硬化；變形抗力；組織性能

近年來，為了滿足汽車工業減重節能減排和安全性的要求，汽車用鋼板向高強度化發展成為一種趨勢。超低碳烘烤硬化（Ultra－Low Carbon Bake Hardening，ULC－BH）鋼具有良好的沖壓成形性能和塑性，較高的抗凹陷性能和強度，特別適合于汽車車身外覆蓋件的沖壓成形，在汽車工業得到了廣泛研究和應用。控制軋制和控制冷卻對產品的顯微組織和綜合力學性能有著重要的影響，是控制產品組織和性能的常用工藝。研究超低碳BH鋼的連續冷卻轉變行為，可以研究冷卻速率對顯微組織的影響，根據測定的連續冷卻轉變曲線制定相關的控軋控冷工藝參數，從而為實際生產超低碳BH鋼時進行控軋控冷提供參考指導［1－5］。

本工作主要研究Ti＋Nb和Ti＋V復合處理超低碳BH鋼在奧氏體區軋制過程中的變形抗力規律，為實際生產過程中軋制力及道次變形量的控制提供依據和參考［6－10］。

1 實驗材料和方法

實驗材料為真空感應爐上冶煉的Ti＋Nb和Ti＋V復合處理超低碳BH鋼。實驗室冶煉的超低碳BH鋼錠鍛造后毛坯經加工處理，去掉表面氧化皮和缺陷，保證熱軋板的表面質量。最終鍛坯的尺寸：厚30mm，寬130mm，長100mm。兩種實驗用鋼的化學成分如表1所示。

表1 超低碳實驗鋼的化學成分（質量分數／%）Table 1 Chemical composition of ULC－BH steels（mass fraction／%）

熱軋工藝參數：板坯加熱溫度為1150℃，開軋溫度為1100℃，終軋溫度為910℃，卷取溫度為750℃。熱軋時將鍛坯加熱至1150℃保溫1h后取出，在實驗室軋機上軋制至所需尺寸的熱軋板，熱軋完成后進行層流冷卻，冷速約20℃／s，冷卻至750℃后放入相應溫度的馬弗爐中保溫1h，隨爐緩冷至室溫，完成模擬卷取過程。然后對厚4.0mm左右的熱軋板經80%的壓下率冷軋至0.8mm厚度。

對Ti＋Nb和Ti＋V復合處理超低碳BH鋼冷軋鋼板進行連續退火實驗，連續退火溫度選取830℃，退火時間為60s，退火板金相組織觀察面為退火板的板面，試樣經磨制、機械拋光后，用4%的硝酸酒精溶液浸蝕，在光學顯微鏡下觀察其組織。在MTS拉伸試驗機上測試實驗用鋼的力學性能和烘烤硬化性能。兩種超低碳BH鋼退火板的織構測試在西門子D5000X射線衍射儀上進行，考慮到鋼板厚向織構存在差異，統一測試距鋼板表面1／4厚度處織構。

2 結果與討論

2.1 實驗鋼的退火板金相顯微組織

Ti＋Nb和Ti＋V復合處理超低碳BH鋼退火板金相組織如圖1所示?？梢钥闯觯琓i＋Nb超低碳BH鋼的金相組織主要為餅形的再結晶鐵素體晶粒和一些伸長的餅形晶粒，Ti＋V超低碳BH鋼金相組織也主要為餅形的再結晶鐵素體晶粒和少量伸長的不規則多邊形鐵素體晶粒。用平均截線法對退火板鐵素體晶粒尺寸進行測量，得到Ti＋Nb超低碳BH鋼的平均晶粒尺寸為16μm，Ti＋V超低碳BH鋼的平均晶粒尺寸為26μm，前者比后者的平均晶粒尺寸細小，主要是由于Nb對鐵素體晶粒再結晶和晶粒長大的遲滯作用引起的。

圖1 兩種超低碳BH鋼退火板的金相組織 （a）Ti＋Nb；（b）Ti＋VFig.1 Microstructures of two ULC－BH annealed steel sheets （a）Ti＋Nb；（b）Ti＋V

2.2 實驗鋼的力學性能

兩種實驗鋼的拉伸實驗結果如表2所示?？芍?，Ti＋V超低碳BH鋼的厚向異性指數r值和應變硬化指數n值均略高于Ti＋Nb。Ti＋Nb和Ti＋V復合處理超低碳BH鋼的上屈服強度ReH分別為283MPa和270MPa，下屈服強度ReL分別為270MPa和250MPa，Ti＋Nb超低碳BH鋼的屈服強度和抗拉強度Rm均高于Ti＋V，這可能是由于在熱變形過程中加入到鋼中的微量合金元素Nb一部分溶于奧氏體，一部分則生成穩定的碳氮化物沉淀質點，這些析出粒子與形變奧氏體晶粒的晶界和亞晶界產生交互作用，一方面抑制或延遲再結晶后的晶粒長大，形成較細小等軸狀的奧氏體晶粒，另一方面，這些彌散析出與位錯和晶界的相互作用也提高了強度。特別是在較低形變溫度時所表現出的溶質原子的固溶拖曳作用和沉淀析出對回復再結晶的抑制或延遲作用，可使奧氏體的形變得以疊加起來，從而形成具有形變帶呈薄餅狀形態的組織。

表2 超低碳BH鋼的力學性能和烘烤硬化性能Table 2 Mechanical properties and BH values of ULC－BH steels

對兩種實驗鋼在應變速率為1s－1和30s－1下的真應力－真應變進行了測試，曲線如圖2所示。可知，應變速率為30s－1、變形溫度在900～1100℃之間、應變量較小時，Ti＋Nb超低碳BH鋼的變形抗力明顯增加，當應變量增加到一定程度時，變形抗力增加變緩直至出現了平臺，這表明出現了回復的現象，變形抗力的增加和回復軟化相互平衡。對于Ti＋V超低碳BH鋼，其變形抗力基本上呈現出上升的趨勢，沒有出現明顯的應力平臺，這時加工硬化起著主要的作用。在應變速率1s－1時，隨著變形溫度的升高，Ti＋Nb和Ti＋V超低碳BH鋼均出現了明顯的回復和再結晶的現象，隨著應變量的增加，變形抗力增加較快直至出現峰值，后隨著應變量的增加應力值下降，軟化此時起著主要的作用。變形溫度越高，位錯的交滑移和攀移更加容易進行，經過位錯的重新排列和多邊形化，發生了動態回復和再結晶，可減輕或消除由于塑性變形所產生的加工硬化，使變形抗力降低［2］。變形溫度1100℃時，Ti＋Nb超低碳BH鋼比Ti＋V超低碳BH鋼略高約13MPa，這主要是由于兩種超低碳鋼中的微合金化元素Nb在鋼中的析出和對再結晶的抑制程度比V大，從而引起了變形抗力的差異。

圖2 兩種實驗鋼在兩種不同應變速率下的真應力－真應變曲線（a）Ti＋Nb，1s－1；（b）Ti＋Nb，30s－1；（c）Ti＋V，1s－1；（d）Ti＋V，30s－1Fig.2 True stress－strain curves of two experimental steels under two strain rates（a）Ti＋Nb，1s－1；（b）Ti＋Nb，30s－1；（c）Ti＋V，1s－1；（d）Ti＋V，30s－1

2.3 實驗鋼的織構分析

Ti＋Nb和Ti＋V復合處理超低碳BH鋼的退火鋼板主要織構組分的含量如圖3所示?？芍?，對退火鋼板沖壓成形不太有利的｛100｝面織構在Ti＋Nb和Ti＋V復合處理超低碳BH退火鋼板中分別為5.11%和3.88%；Goss織構在Ti＋Nb和Ti＋V復合處理超低碳BH退火鋼板中所占比率分別為4.47%和4.80%；對退火鋼板沖壓成形性能最為有利的｛111｝面織構在Ti＋Nb和Ti＋V復合處理超低碳BH退火鋼板中所占比率分別為16.99%和17.57%，這與拉伸力學性能測試得到的反映鋼板深沖性能的r值結果相對應。

圖3 Ti＋Nb和Ti＋V復合處理超低碳BH鋼退火鋼板主要織構組分Fig.3 Main texture components volume fraction of Ti＋Nb and Ti＋V bearing ULC－BH annealed steel sheets

3 結論

（1）在相同的變形條件下，兩種實驗鋼的組織形貌及晶粒尺寸差別較大。兩種超低碳BH鋼在不同冷卻條件下的室溫金相組織均是多邊形的鐵素體，Ti＋Nb超低碳BH鋼鐵素體晶粒較為細小，形狀不規則，平均晶粒尺寸為16μm，Ti＋V超低碳BH鋼鐵素體晶粒則較為粗大，形狀規則，平均晶粒尺寸為26μm。

（2）Ti＋Nb超低碳BH鋼的屈服強度和抗拉強度均高于Ti＋V超低碳BH鋼，這可能是由于兩種超低碳鋼中的微合金化元素Nb在鋼中的析出和對再結晶的抑制程度比V大，在熱變形過程中Nb在奧氏體中的固溶拖曳和沉淀析出對回復再結晶的抑制或延遲作用有關。

（3）變形溫度1100℃時，Ti＋Nb超低碳BH鋼的變形抗力比Ti＋V超低碳BH鋼高約13MPa，這主要是由于兩種超低碳鋼中的微合金化元素Nb在鋼中的析出和對再結晶的抑制程度比V大。

（4）Ti＋Nb和Ti＋V復合處理超低碳BH鋼的退火鋼板主要織構組分中對退火鋼板沖壓成形性能最為有利的｛111｝面織構所占比率分別為16.99%和17.57%，這與拉伸力學性能測試得到的反映鋼板深沖性能的r值結果相對應。

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Research on Microstructure and Mechanical Properties of Ti＋Nb and Ti＋V Ultra－low Carbon Bake Hardening Steels

CHEN Ji－ping1，2，QIAN Jian－qing1，2，LI Sheng－zhi1，2，KANG Yong－lin3
（1School of Materials Science and Engineering，Anhui University of Technology，Maanshan 243002，Anhui，China；2Key Lab of Metals and Processing of Anhui Province，Maanshan 243002，Anhui，China；3School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

Deformation resistance and dynamic continuous cooling transformation of Ti＋Nb and Ti＋V bearing ultra－low carbon bake hardening steels were studied using Gleeble－1500thermal simulator.The microstructures of two experimental steels under different cooling conditions were also analyzed.The results showed that the deformation resistance of Ti＋Nb bearing ultra－low carbon bake hardening steel was 13MPa higher than that of Ti＋V bearing ultra－low carbon bake hardening steel at 1100℃ with the strain rate of 1s－1.The morphology of the microstructures and the grain size have big difference for two experimental steels under the same deformation conditions.The room temperature microstructures of the two experimental steels are polygonal ferrites under various cooling conditions.The ferrites of Ti＋Nb bearing ultra－low carbon bake hardening steel are finer and have irregular shape with the average grain size of 16μm，while for Ti＋V bearing ultra－low carbon bake hardening steel，the ferrites are coarse and have regular shape with the average grain size of 26μm.

ultra－low carbon；bake hardening；deformation resistance；microstructure and property

TG113

A

1001－4381（2012）04－0032－04

“十一五”國家科技支撐計劃資助項目（2006BAE03A13）

2011－07－20；

2012－01－10

陳繼平（1975—），男，博士，講師，主要從事汽車板的開發與研究，聯系地址：安徽省馬鞍山市湖東路59號安徽工業大學材料科學與工程學院（243002），E－mail：leavejames9443＠yahoo.com.cn