硼元素對無間隙原子鋼微觀組織及成形性能的影響

金 磊,尉 冬,關建東

(1.首鋼集團有限公司技術研究院 100043,北京；2.綠色可循環鋼鐵流程北京市重點實驗室,北京 100043；3.北京首鋼股份有限公司,北京 100043)

近些年來，隨著我國汽車工業的快速發展，汽車保有量持續增大，汽車市場的競爭日益激烈。基于對行車安全、環保、燃油效率等方面的考慮，汽車制造商更著眼于車身減重、降低制造成本、提升產品性能等方面。汽車輕量化是降低能耗、減少二氧化碳排放的最有效手段之一[1]。研究表明，汽車質量每減少100 kg，每百公里燃油消耗下降0.3～0.5 L，二氧化碳排放減少8～11 g[2]。由此可見，汽車輕量化對于減少污染、節約能源等方面具有重要意義。

IF鋼(無間隙原子鋼)具備優良的深沖性能，能滿足車身零件沖壓過程中對強度和成形性能的要求，廣泛應用于生產車身覆蓋件等。IF鋼的主要強化方式是固溶強化，機理是通過添加磷、錳、硅等元素起到強化作用，其中磷元素是最經濟，且固溶強化作用最強的元素；但IF鋼中添加的鈦、鈮元素使晶界強度降低，磷元素容易偏聚到晶界，導致IF鋼出現冷加工脆性現象[3]。研究表明，向IF鋼中加入硼元素，能夠對IF鋼的微觀組織產生影響，改善IF鋼的二次加工脆性[4-7]。筆者分析了不同硼元素添加量下IF鋼的微觀組織與成形性能，探索硼元素對IF鋼性能的影響規律。

1 試驗材料

選取牌號為DC04，尺寸為0.7 mm(厚度)的IF鋼，在其他成分不變的情況下，向其中添加一定量的硼元素。將添加硼元素的IF鋼與不添加硼元素的IF鋼進行710 ℃卷取+800 ℃退火處理，考慮到熱處理時會有硼元素殘留，因此材料中硼元素含量低于0.000 2%時，判定為不含硼元素，熱處理后含硼IF鋼和無硼IF鋼的化學成分分析結果如表1所示。

表1 熱處理后含硼IF鋼和無硼IF鋼的化學成分分析結果 %

2 硼元素對IF鋼的影響

2.1 微觀組織

利用光學顯微鏡觀察含硼IF鋼和無硼IF鋼的顯微組織形貌，結果如圖1所示。由圖1可知：含硼IF鋼和無硼IF鋼的顯微組織均為鐵素體，其中含硼IF鋼的平均晶粒尺寸為20 μm，晶粒度等級為8級；無硼IF鋼的平均晶粒尺寸為22 μm，晶粒度等級為8級。

圖1 含硼IF鋼和無硼IF鋼的顯微組織形貌

對含硼IF鋼和無硼IF鋼進行冷軋處理，然后對成品的顯微組織進行分析，結果如圖2所示。由圖2可知：經過冷軋工序后，含硼IF鋼和無硼IF鋼的晶粒尺寸均發生了較大變化，其中含硼IF鋼成品的平均晶粒尺寸為17 μm，晶粒度等級為8.5級；無硼IF鋼成品的平均晶粒尺寸為21 μm，晶粒度等級為8級。

圖2 含硼IF鋼成品和無硼IF鋼成品的顯微組織形貌

對含硼IF鋼和無硼IF鋼冷軋前后的顯微組織形貌進行對比可知，硼元素具有細化組織的作用。硼元素作為一種晶界偏聚元素，當硼元素和鈦元素共存時，硼原子和鈦原子之間有相互吸引作用，導致硼元素和鈦元素在再結晶核的界面處共偏析，并強烈抑制了再結晶核的生長，從而對IF鋼顯微組織起到了細化作用。

2.2 織構含量

IF鋼的織構發展需要經歷3個階段：鑄造織構、形變織構和再結晶織構。其中以再結晶織構最為重要，因為再結晶之后會形成對IF鋼深沖性能有著極為關鍵作用的{111}織構，{111}織構越強烈、均勻，其深沖性能越好，因此對于含硼IF鋼與無硼IF鋼，對比二者{111}織構的含量，可以直觀體現硼元素對IF鋼深沖性能的影響。

采用電子背散射衍射技術(EBSD)對含硼IF鋼和無硼IF鋼的織構進行分析，結果如圖3所示，織構含量的計算結果如表2所示。由圖3和表2可知，無硼IF鋼中{111}織構組分增加了7%，{112}織構組分增加了5%，含硼IF鋼的晶粒尺寸為17.317 μm，無硼IF鋼的晶粒尺寸為21.21 μm，與金相檢驗得到的晶粒尺寸一致性較好，說明無硼IF鋼的晶粒尺寸得到了粗化。

圖3 含硼IF鋼成品和無硼IF鋼成品的EBSD分析結果

表2 含硼IF鋼與無硼IF鋼織構含量的計算結果

2.3 力學性能

冷軋后，對兩種IF鋼成品進行力學性能測試，結果如表3所示。由表3可知：無硼IF鋼成品相比含硼IF鋼成品，屈服強度和抗拉強度均有所降低，斷后伸長率和加工硬化指數變化不大，但塑性應變比有所提升，各向異性指數沒有明顯變化。可見，在退火過程中,IF鋼中發生了回復再結晶現象，逐漸形成有利于深沖性能的{111}織構。由金相檢驗結果可以看出，IF鋼的晶粒尺寸會因硼元素的添加而發生變化，在后續的冷軋工序中，IF鋼成品的顯微組織、退火再結晶時晶粒的形核和長大過程同樣會受到影響，進而導致{111}織構強度不同，最終影響材料的塑性應變比。因此，硼元素對IF鋼的塑性應變比有較大影響。

表3 含硼IF鋼成品和無硼IF鋼成品的力學性能測試結果

2.4 成形性能

成形極限圖(FLD)是研究材料成形性能，反映材料沖壓性能和沖壓工藝的重要參數，成形極限曲線(FLC)可用于進行材料變形失穩理論分析和建立應變數學模型[8]，因此FLC對研究硼元素對IF鋼成形極限的影響有著很重要的意義。

根據標準GB/T 15825.8—2008 《金屬薄板成形性能與試驗方法 第8部分:成形極限圖(FLD)測定指南》，利用剛性凸模脹形試驗進行FLD試驗，試驗過程如圖4所示，將一側板面噴有散斑的試樣置于凹模與壓邊圈之間，施加一定的壓邊力，壓牢試樣，在保證沖頭與試樣之間足夠潤滑的條件下，試樣中部在凸模力作用下均勻變形，產生脹形變形，并形成凸包，當試樣局部產生頸縮或破裂時，停止試驗，采用ARAMIS型在線光學應變測量系統對試樣的應變進行測量，從而獲得材料的成形極限。

圖4 FLD試驗過程示意

含硼IF鋼和無硼IF鋼的典型力學性能如表4所示，二者的FLC如圖5所示。由圖5可知：當次應變小于0時，即單向拉伸變形階段，無硼IF鋼的主應變要略高于含硼IF鋼；當次應變不小于0時，材料處于平面應變和等雙向拉伸應變狀態，含硼IF鋼的主應變更高。說明對于深拉延零件，無硼IF鋼的成形性能更好；而對于一些成形較為復雜，以拉脹成形為主的零件，含硼IF鋼的成形性能更好。

表4 含硼IF鋼和無硼IF鋼的典型力學性能

圖5 含硼IF鋼和無硼IF鋼的FLC

3 結論

(1) 添加硼元素會降低IF鋼中有利于深沖性能的{111}織構組分含量。

(2) IF鋼的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率、加工硬化指數受硼元素影響不大，硼元素對塑性應變比有較大影響，向IF鋼種添加一定量的硼元素，會使材料塑性應變比降低。

(3) 向IF鋼中添加硼元素，可以提高IF鋼的平面應變及等雙向拉伸應變能力，然而對單向拉伸應變則有不良影響。