組織及織構(gòu)對鈮微合金鋼平面各向異性的影響

姚勇創(chuàng) 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(chǔ)，通過添加鈮、釩、鈦等微合金化元素，并結(jié)合先進的生產(chǎn)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(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[1]。在鋼板作為結(jié)構(gòu)件的工程應(yīng)用中，合金板材力學(xué)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(fā)，通常以板材性能較低的方向作為設(shè)計依據(jù)[2]；在大量以高強鋼作為沖壓件的汽車工業(yè)領(lǐng)域，受合金板材力學(xué)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(huán)節(jié)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(guān)研究表明[4-10]，晶粒組織及織構(gòu)對合金板材的力學(xué)性能各向異性有顯著影響。然而，對于鐵基高強鋼力學(xué)性能各向異性的相關(guān)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(jié)合的手段，研究力學(xué)性能與微觀組織及晶體學(xué)織構(gòu)之間的關(guān)系。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗用合金為工業(yè)生產(chǎn)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(jīng)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(xù)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(xué)成分 %

1.2 拉伸力學(xué)性能測試

拉伸力學(xué)性能樣品取自成品合金板材。在軋制面內(nèi)，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(xué)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(shù)測定

織構(gòu)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(gòu)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(shù)據(jù)的采集由計算機完成，采用Bunge級數(shù)展開法計算取向分布函數(shù)(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(cè)面。研磨拋光后用4%的硝酸酒精侵蝕，利用PMG3-F3型光學(xué)顯微鏡進行微觀組織分析，利用Image-pro plus軟件統(tǒng)計其平均晶粒尺寸。

2 實驗結(jié)果

不同取向條件下實驗鋼板的拉伸力學(xué)性能測試結(jié)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(xué)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?qū)嶒炰摫“逋嘶鸷缶傻容S再結(jié)晶晶粒組成，再結(jié)晶組織中未發(fā)現(xiàn)明顯帶狀組織，經(jīng)Image-pro plus軟件統(tǒng)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(gòu)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(gòu)由α和γ纖維織構(gòu)組成，主要的織構(gòu)組分為{001}＜110＞、{115}＜110＞、{112}＜110＞、{111}＜110＞ 和 {111}＜112＞。利用labtex軟件統(tǒng)計了各織構(gòu)組分的體積分數(shù)，結(jié)果見表3。

圖4 合金板材退火織構(gòu)ODF恒φ2截面

表3 合金板材退火織構(gòu)主要組分的體積分數(shù)

從表3可以看出，α纖維織構(gòu)的體積分數(shù)明顯高于γ纖維織構(gòu)。

3 討論

關(guān)于鋁合金、鎂合金和鈦合金的研究表明，合金板材的力學(xué)性能平面各向異性與晶粒組織及織構(gòu)密切相關(guān)[4-10]。在本研究中，不同取向?qū)嶒炰摫“宓木Я＝M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(xiàn)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(xué)性能平面各向異性的原因。根據(jù)ODF織構(gòu)分析可知，實驗鋼板的退火織構(gòu)主要由{001}＜110＞、{115}＜110＞、{112}＜110＞、{111}＜110＞和{111}＜112＞織構(gòu)組成。為了便于分析織構(gòu)對實驗鋼板力學(xué)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(gòu)晶粒組成的多晶體板材。單組分織構(gòu)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(yīng)力）。當τc=1時，cosφcosλ稱為施密特因子ηs，（cosφcosλ）max為拉伸軸向[uvw]相應(yīng)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(yīng)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(gòu)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(guān)系，將表3中的織構(gòu)體積分數(shù)與表4中的計算結(jié)果加權(quán)平均，結(jié)果見表5。

表4 合金板材織構(gòu)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(quán)平均計算結(jié)果

從表 5可以看出，在 {110}＜111＞ 和 {112}＜111＞滑移系統(tǒng)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(xué)性能的平面各向異性主要是由成品織構(gòu)導(dǎo)致的。

4 結(jié)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(gòu) 主 要為 {001}＜110＞、{115}＜110＞、{112}＜110＞、{111}＜110＞ 和 {111}＜112＞，Schmid計算表明，織構(gòu)造成的Schmid因子最大值ηmax在不同拉伸方向上的差異，是導(dǎo)致力學(xué)性能各向異性的原因。