組織及織構對鈮微合金鋼平面各向異性的影響

姚勇創 李建英 馬德剛

（河鋼集團唐鋼公司）

0 引言

微合金高強鋼以低碳錳系或硅錳系為基礎，通過添加鈮、釩、鈦等微合金化元素，并結合先進的生產工藝，使其在較低的碳當量下具有較高的強度和塑性，在工程及汽車領域有著廣泛應用[1]。在鋼板作為結構件的工程應用中，合金板材力學性能的各向異性給其使用帶來了許多局限，從安全性角度出發，通常以板材性能較低的方向作為設計依據[2]；在大量以高強鋼作為沖壓件的汽車工業領域，受合金板材力學性能各向異性的影響，為保證沖壓成材率，在沖壓前的剪切、落料等環節需要考慮材料不同方向的沖壓性能差異，給沖壓流程帶來諸多不便[3]。鋁合金、鎂合金和鈦合金的相關研究表明[4-10]，晶粒組織及織構對合金板材的力學性能各向異性有顯著影響。然而，對于鐵基高強鋼力學性能各向異性的相關研究鮮有報道。筆者以鈮微合金鋼為實驗材料，旨在通過實驗與理論計算相結合的手段，研究力學性能與微觀組織及晶體學織構之間的關系。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗用合金為工業生產的鈮微合金化高強鋼，合金成分見表1。合金板材的制備過程為：鑄坯經1 250 ℃均勻化處理3 h并熱軋至3.5 mm厚，隨后將熱軋板冷軋至1.2 mm，冷軋板在唐鋼連續退火線進行成品退火，退火工藝曲線如圖1所示。

表1 合金板材的化學成分 %

1.2 拉伸力學性能測試

拉伸力學性能樣品取自成品合金板材。在軋制面內，沿與軋制方向呈0°（軋向）、45°和90°（橫向）的3個方向上切取拉伸試樣，如圖2所示。按照GB/T 228—2002標準在退火板上切取A80的標準拉伸樣，在ZWICK拉伸機上對其進行拉伸實驗，測定其力學性能。

圖1 合金板材的退火工藝曲線

圖2 合金板材拉伸試樣取樣方向

1.3 取向分布函數測定

織構測試在Philip X-Pert的X射線衍射儀上完成，按Schulz背反射法進行。織構測定時，管電壓為35 kV，管電流為40 mA。采用Fe-Kα輻射，測量{110}、{200}和{211}三張不完整極圖，數據的采集由計算機完成，采用Bunge級數展開法計算取向分布函數(ODF)。

1.4 組織觀察

金相樣品的觀察面是分別與0°（軋向）、45°和90°（橫向）試樣的拉伸方向平行的側面。研磨拋光后用4%的硝酸酒精侵蝕，利用PMG3-F3型光學顯微鏡進行微觀組織分析，利用Image-pro plus軟件統計其平均晶粒尺寸。

2 實驗結果

不同取向條件下實驗鋼板的拉伸力學性能測試結果見表2。

從表2可以看出，與軋向呈90°方向上的實驗鋼板的屈服和抗拉強度最高，0°方向上的次之，45°方向上的最低，伸長率則是在45°方向上的最高。

不同取向條件下實驗鋼板的顯微組織如圖3所示。

表2 不同拉伸方向合金板材的拉伸力學性能

圖3 不同拉伸方向合金板材的顯微組織

從圖3可以看出，不同取向實驗鋼薄板退火后均由等軸再結晶晶粒組成，再結晶組織中未發現明顯帶狀組織，經Image-pro plus軟件統計，0°、45°和90°方向樣品的平均晶粒尺寸分別為3.5 μm、3.7 μm 和 3.4 μm。

實驗鋼板的退火織構ODF恒φ2=0°和φ2=45°截面如圖4所示。

從圖4可以看到，實驗鋼退火織構由α和γ纖維織構組成，主要的織構組分為{001}＜110＞、{115}＜110＞、{112}＜110＞、{111}＜110＞ 和 {111}＜112＞。利用labtex軟件統計了各織構組分的體積分數，結果見表3。

圖4 合金板材退火織構ODF恒φ2截面

表3 合金板材退火織構主要組分的體積分數

從表3可以看出，α纖維織構的體積分數明顯高于γ纖維織構。

3 討論

關于鋁合金、鎂合金和鈦合金的研究表明，合金板材的力學性能平面各向異性與晶粒組織及織構密切相關[4-10]。在本研究中，不同取向實驗鋼薄板的晶粒組織均為細小均勻的等軸晶，平均晶粒尺寸無明顯差異，且沿軋向不同方向上未表現出帶狀組織差異。因此，晶粒組織不是造成本研究中實驗鋼力學性能平面各向異性的原因。根據ODF織構分析可知，實驗鋼板的退火織構主要由{001}＜110＞、{115}＜110＞、{112}＜110＞、{111}＜110＞和{111}＜112＞織構組成。為了便于分析織構對實驗鋼板力學性能各向異性的影響，可將實驗鋼簡化為含5種單組分織構晶粒組成的多晶體板材。單組分織構板材的屈服強度σ0.2=τc/（cosφcosλ）max（φ為外加載荷與滑移面的夾角，λ為外加載荷與滑移方向的夾角，τc為臨界分切應力）。當τc=1時，cosφcosλ稱為施密特因子ηs，（cosφcosλ）max為拉伸軸向[uvw]相應的ηs的最大值（ηmax），則有σ0.2=1/ηmax。由此可見，施密特因子的最大值ηmax越大，則對應的屈服強度越小。對于BCC金屬，在室溫下變形時，{110}＜111＞和{112}＜111＞滑移系通常作為主要滑移系。表4為 {110}＜111＞ 和 {112}＜111＞ 滑移系開動的情況下，實驗鋼成品織構主要組分在不同拉伸方向條件下的施密特因子最大值ηmax。為了更清楚地表征ηmax與拉伸方向的關系，將表3中的織構體積分數與表4中的計算結果加權平均，結果見表5。

表4 合金板材織構主要組分在不同拉伸方向條件下的施密特因子的最大值

表5 不同拉伸方向條件下的施密特因子最大值的加權平均計算結果

從表 5可以看出，在 {110}＜111＞ 和 {112}＜111＞滑移系統中，實驗鋼板的ηmax均按90°、0°和45°的順序依次增大，意味著屈服強度按90°、0°和45°的順序依次降低，這與表2中的實際拉伸性能的變化趨勢一致，說明本研究中實驗鋼薄板力學性能的平面各向異性主要是由成品織構導致的。

4 結論

（1）實驗鋼板不同拉伸方向上的顯微組織無顯著差別，但強度在90°方向上的最高、0°方向上的次之、45°方向上的最低。

（2）實 驗鋼 板 的 織 構 主 要為 {001}＜110＞、{115}＜110＞、{112}＜110＞、{111}＜110＞ 和 {111}＜112＞，Schmid計算表明，織構造成的Schmid因子最大值ηmax在不同拉伸方向上的差異，是導致力學性能各向異性的原因。