IF鋼在軋制極薄帶過程中的力學性能尺寸效應(yīng)研究

趙 陽，李文錦，孫艷姣，王 鳴

(1. 東北大學材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110819;2. 遼寧工程技術(shù)大學材料科學與工程學院，遼寧 阜新 123000;3. 遼寧省重要技術(shù)創(chuàng)新與研發(fā)基地建設(shè)工程中心，遼寧 沈陽 110168)

微尺寸材料的應(yīng)用促進了微機電系統(tǒng)、微電子器件、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域的快速發(fā)展[1]，隨著電子元器件的不斷小型化，其使用要求也在逐漸提高[2]。為了提高微尺寸材料的可靠性，必須對其力學性能進行詳細研究。當工件尺寸減小到微米或亞微米級別時，零件在宏觀尺寸所具有的力學性能及一些規(guī)律將不再有效[3,4]，這種現(xiàn)象稱為尺寸效應(yīng)。由于尺寸效應(yīng)的存在，使得微尺寸材料的力學性能不同于宏觀尺寸，不能通過縮小宏觀尺寸直接套用，必須按照實際尺寸進行實驗[5-7]。目前，關(guān)于尺寸效應(yīng)已有較多的研究，并發(fā)現(xiàn)其有若干種表現(xiàn)形式，例如Fleck等[8]對銅絲進行扭轉(zhuǎn)實驗時發(fā)現(xiàn)，當銅絲的直徑從170 μm減小到12 μm時，其無量綱扭轉(zhuǎn)硬化提高了3倍，也就是說銅絲的力學性能隨試樣尺寸的減小而增加。St?lken等[9]對鎳箔的研究表明：隨著鎳箔厚度的減小，其抗拉強度降低。湯德林等[10]的研究則表明，冷軋純銅極薄帶的抗拉強度隨厚度的減小先增加而后減小。由此可見，由于實驗材料和加工工藝的不同，尺寸效應(yīng)具有不同的表現(xiàn)形式。對于具體的微尺寸材料，應(yīng)詳細研究其力學性能隨厚度的變化規(guī)律。

IF鋼由于具有優(yōu)良的深沖性能，可滿足微機械零件制造過程中復(fù)雜的成形性要求，有望成為微制造行業(yè)的潛在應(yīng)用材料。目前，關(guān)于IF鋼極薄帶的研究還不多見，為促進IF鋼極薄帶在微制造行業(yè)的應(yīng)用，有必要研究IF鋼在制備極薄帶過程中的組織性能變化，并闡明其軋制過程中的力學性能尺寸效應(yīng)。

1 實驗材料和方法

實驗所用材料為國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的2 mm厚退火態(tài)IF鋼，其化學成分如表1所示。實驗鋼的微觀組織如圖1所示，可見其微觀組織為等軸狀的鐵素體晶粒，利用截點法測定其平均晶粒尺寸為29.5 μm。

表1 實驗用IF鋼的化學成分 (質(zhì)量分數(shù), %)

圖1 2mm厚退火態(tài)實驗鋼的微觀組織Fig.1 Microstructure of annealed tested steel with thickness of 2 mm

在制備IF鋼極薄帶的過程中，首先進行同步軋制實驗，將實驗鋼由2 mm軋制至0.5 mm；再進行異步軋制實驗，將實驗鋼由0.5 mm軋制至0.02 mm，異步軋制過程中始終保持異速比為1.2。不論是在同步軋制過程中，還是在異步軋制過程中，實驗鋼均不進行中間退火。

選取厚度為1mm、0.5 mm、0.1mm、0.06 mm、0.04 mm、0.03 mm和0.02 mm的IF鋼帶材，沿軋制方向切取金相試樣、拉伸試樣和XRD試樣。金相試樣的觀察面為縱截面，金相試樣經(jīng)拋光、腐蝕后，用4%硝酸酒精進行腐蝕，然后利用OLUMPUSBX43光學顯微鏡對微觀組織進行觀察。拉伸試樣的尺寸如圖2所示，其縱向平行于實驗鋼的軋制方向，在CMT5105電子萬能試驗機上進行拉伸實驗，拉伸速率為0.5 mm/min。按GB/T 4340.1-2009 《金屬材料維氏硬度試驗第1部分：試驗方法》對不同厚度的實驗鋼進行硬度測試。

圖2 拉伸試樣尺寸(mm)Fig.2 Dimension of tensile specimen(mm)

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 微觀組織

圖3為不同厚度冷軋態(tài)IF鋼帶材的微觀組織照片。當IF鋼軋制至1 mm時，如圖3(a)所示，IF鋼中的鐵素體晶粒沿軋制方向(Rolling direction，簡稱RD)被拉長，鐵素體晶粒晶界清晰可見。當IF鋼被軋制到0.5 mm時，鐵素體晶粒進一步沿軋制方向被拉長，沿厚度方向晶粒尺寸減小。當IF鋼的厚度降低至0.1 mm及以下時，鐵素體晶界變得模糊，此時的微觀組織為典型的沿軋制方向的纖維狀組織。

2.2 力學性能

圖4為IF鋼的顯微硬度與厚度之間的關(guān)系曲線，可見退火態(tài)的IF鋼硬度較低，僅為146 HV，而經(jīng)過冷軋后IF鋼的顯微硬度迅速增加。隨著IF鋼厚度的降低，顯微硬度先增加后降低，當冷軋IF鋼的厚度為0.06 mm時，顯微硬度達到最大值，為306HV。冷軋態(tài)IF鋼的顯微硬度隨厚度的減小呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，這與湯德林等[10]在銅極薄帶中觀察到的實驗結(jié)果是相一致的。

圖3 不同厚度冷軋態(tài)IF鋼的微觀組織Fig.3 Microstructures of cold rolled IF steel with different thicknesses(a)1mm;(b)0.5mm;(c)0.1mm;(d) 0.06 mm, 0.04 mm, 0.03 mm and 0.02 mm

圖4 冷軋IF鋼的顯微硬度與厚度之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between microhardness and thickness of cold rolled IF steel

圖5為不同厚度IF鋼的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖5可知，不論是退火態(tài)的原料，還是冷軋后的鋼板，其工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)連續(xù)屈服的特征，不存在屈服點和屈服平臺，這與IF鋼中無間隙C、N原子的自身特點有關(guān)。由圖5還可以看出，退火態(tài)IF鋼的均勻伸長率較高，可以達到29%左右；而不同厚度冷軋態(tài)IF鋼的均勻伸長率均較低，在2%以下，這與冷軋態(tài)IF鋼中存在較高的位錯密度有關(guān)。

圖6為IF鋼的屈服強度、抗拉強度隨厚度的變化曲線。可見退火態(tài)IF鋼的屈服強度和抗拉強度均較低，分別為148 MPa和271 MPa。IF鋼經(jīng)過冷軋后其屈服強度和抗拉強度迅速增加，當厚度大于等于0.06 mm時，隨著厚度的降低，屈服強度和抗拉強度增加，并在0.06 mm時達到最大值，分別為621 MPa和695 MPa；當厚度小于0.06 mm時，隨著厚度的減小，屈服強度和抗拉強度緩慢降低。由圖4和圖6可知，IF鋼的硬度和屈服強度、抗拉強度均在0.06 mm時達到最大值，也就是說當冷軋態(tài)IF鋼的厚度大于0.06 mm時，隨著厚度的減小，IF鋼出現(xiàn)“加工硬化現(xiàn)象”；當厚度小于0.06 mm時，隨厚度的減小，IF鋼出現(xiàn)“加工軟化”現(xiàn)象。

圖5 不同厚度IF鋼的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Engineering stress-strain curves of IF steel with different thicknesses

圖6 IF鋼的屈服強度、抗拉強度與厚度之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between yield strength, tensile strength and thickness of IF steel

2.3 位錯密度

相關(guān)研究結(jié)果表明，材料在軋制極薄帶的過程中出現(xiàn)力學性能的尺寸效應(yīng)與位錯密度的變化密切相關(guān)[10-12]。為了闡明力學性能隨厚度的變化規(guī)律，有必要測量不同厚度IF鋼的位錯密度，本文采用X射線衍射法測量不同厚度IF鋼中的位錯密度。

Williamson和Hall[13]認為，當材料的晶粒尺寸大于100 nm時，晶粒細化造成的衍射峰寬化量δhkl可以忽略不計。因此，由位錯引起的δhkl與X射線波長γ(本文采用Cu靶進行實驗，其中Cu-Kα為0.15406nm)、{hkl}衍射峰位置θhkl、平均有效微應(yīng)變e之間存在如下的關(guān)系：

(1)

其中，δhkl可通過下式進行計算：

(2)

式中，δhkl,m、δhkl,o分別為所測樣品和標準試樣(無形變鐵粉)的半高寬。

作不同衍射峰的δhklcosδhkl/λ和2sinδhkl/λ之間的散點圖，然后通過線性擬合求出斜率，該斜率即為平均有效微應(yīng)變e。圖7為IF鋼帶材e與厚度之間的關(guān)系。

圖7 IF鋼帶材中平均有效微應(yīng)變e與厚度之間的關(guān)系Fig.7 Relationship between micro-strain and thickness of IF steel strip

在只考慮材料內(nèi)部位錯密度變化造成晶格畸變的情況下，位錯密度ρ和e存在以下關(guān)系：

(3)

式中，b為鐵素體柏氏矢量(0.248 nm)，利用公式(3)可計算出不同厚度IF鋼帶材的位錯密度，如圖8所示。

圖8 IF鋼帶材中位錯密度與厚度之間的關(guān)系Fig.8 Variation curve of dislocation density with IF steel thickness

由圖8可知，IF鋼帶材的位錯密度隨著厚度的減小呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，當IF鋼帶材厚度為0.06 mm時，位錯密度達到最大值，為5.6×1014m-2。位錯密度的變化趨勢與硬度、屈服強度、抗拉強度的變化趨勢一致，這說明了位錯密度的變化是造成硬度和強度出現(xiàn)尺寸效應(yīng)的主要原因。在冷軋初期，IF鋼中的位錯密度迅速增加，使得加工硬化不斷增強，這就導(dǎo)致了硬度和強度的增加。而當冷軋軋制到一定厚度時，由于晶界間距縮短，位錯產(chǎn)生后更容易在晶界處消失[14, 15]。此外，當位錯滑移到自由表面時更容易從表面逃逸，導(dǎo)致位錯的減小速率大于增殖速率，從而導(dǎo)致加工軟化。

3 結(jié)論

(1)在無中間退火的條件下，IF鋼在極薄帶制備過程中出現(xiàn)了厚度尺寸效應(yīng)。當IF鋼的厚度大于0.06 mm時，屈服強度和抗拉強度隨著厚度的減小而增加，當厚度小于0.06 mm時屈服強度和抗拉強度隨著厚度的減小而降低。

(2)軋制變形初期，位錯密度增加是導(dǎo)致硬度、屈服強度和抗拉強度增加的主要原因，當IF鋼厚度降低至0.06 mm時，位錯密度的降低是硬度和強度隨厚度減小而降低的原因。