IF钢组织性能和位错研究

张贵杰，王建霞，高建青

(1.河北联合大学冶金与能源学院，河北唐山063009;2.国丰钢铁有限公司薄板厂技术科，河北唐山063000)

IF钢(Interstitial－Free Steel)的基本特点是钢中碳、氮原子与铌、钛等微合金元素形成碳、氮化合物，使钢中无间隙原子存在，即无间隙原子钢又称为第三代深冲板(沸腾钢为第一代冲压用钢，铝镇静钢为第二代冲压用钢)［1］。与之前的深冲钢板，如铝镇静钢相比，由于IF钢基体为单一纯净的铁素体组织，因此该钢具有非常好的塑性变形能力即塑性应变比较高，而该钢又具有屈强强度低，使得这种钢具有优异的深冲性能，受到了汽车、机械行业的欢迎。IF钢铁素体区轧制是一种先进的生产工艺，具有广阔的应用前景，其生产周期短、成本低，具有明显的技术先进性和显著的经济效益，因此开展热轧IF钢的研究工作具有重要的理论意义和实用价值［2-4］。

1 实验材料

该部分实验采用的材料为唐钢1810生产线上铁素体区热轧的Ti－IF钢，其化学成分如表1所示

表1 Ti－IF钢的化学成分(%，质量分数)

2 退火工艺

该部分实验按照均匀设计方案对试样进行退火，并对不同退火工艺下的显微组织和力学性能进行分析对比，进而研究其再结晶行为。目的是寻找合适的退火工艺以得到较好的组织，为实现IF钢在轧制时实现在线退火提供帮助。

六组试样的详细加热温度及保温时间如表2所示。其中由于Ti－IF钢对于退火升温速度不敏感［5］，故加热时先把加热炉温度上升到接近加热试样所需的温度，然后再将试样放入加热炉中。加热完毕后将试样取出进行空冷。

表2 退火制度

续表2

3 金相组织观察

显微组织观察有二个截面，即平行于轧向的截面、垂直于轧向的截面。

实验过程如下:将试样在实验室的线切割机上切成小块以利于镶嵌，然后镶嵌，磨光，机械抛光。接下来进行腐蚀，金相腐蚀的一般步骤为:水冲洗试样→擦酒精→涂腐蚀剂→水冲洗试样→擦酒精→吹干。

本次试验用3%硝酸酒精溶液腐蚀，腐蚀后利用OLYMPUS－PMG3光学进行显微组织观察示

图1 各种退火工艺下的铁素体轧制IF钢的显微组织

由图1比较可知，整体上铁素体轧制IF钢的横断面晶粒尺寸小于纵断面晶粒尺寸;从中心到表面晶粒尺寸逐渐减小。

这可能是因为在轧制过程中，轧件的延伸量远远大于宽展量，造成晶粒在轧制方向上伸长，增大了纵断面晶粒尺寸;同时，在纵断面上伸长的晶粒所占的比例也较大，而横向晶粒大多数为等轴晶。表面晶粒小于中心晶粒主要是表层产生的形变带多，储存能就大，因此再结晶形核相对较多，还因为表面冷却速度高，新生晶粒来不及长大，使得表面晶粒尺寸小于中心晶粒尺寸。

另外，观察不同组试样可知，退火温度较低、保温时间较长的试样，其中部的显微组织为晶粒较大的再结晶铁素体;退火温度较高、保温时间较短的试样，其显微组织为纤维状铁素体+少量再结晶铁素体;退火温度更高、保温时间较长的试样，其中部的显微组织为晶粒较大的再结晶铁素体。这说明退火后的IF钢内部组织是否发生再结晶，和该钢的退火温度和保温时间有密切的关系。具体各组试样分析如下:

铁素体基本没有再结晶，组织呈纤维状，应该退火时间太短号样对应工艺相当于进行回火，晶粒组织为回火索氏体。它的金相特征是，铁素体基体上分布着粒状渗碳体，此时铁素体已经再结晶，呈等轴细晶粒状。

2号样对应工艺相当于进行再结晶退火，晶粒组织为大量铁素体+部分索氏体。

2号样，4号样，6号样都相当于进行不完全退火，晶粒组织为原始组织，发生了回复再结晶，晶粒变大，应该达到了降低硬度、消除内应力的目的。相比较可以发现，4号样与6号样所得晶粒组织比2号样更加均匀，应该具有较好的塑性。

5号样热处理的时间较短，只是部分组织进行了回复再结晶，缺陷还比较严重，应该没有良好的组织性能。

总之，IF钢经过热处理后，晶粒组织明显好于未热处理之前的纤维组织。由图知编号为2，4，6的试样组织分布比较均匀，但是晶粒比较粗大;编号为1，3，5的试样组织呈纤维状的比较多，冲压性能应该稍差。由回复再结晶时间的不同可以看出，编号为2，4，6的试样的回复再结晶时间比较长，其中6号相对时间比较短一些，而性能相差不大。

因此，在实验范围内，最佳的热处理方案应该采用6号试样对应的热处理方案，即加热到750℃保温120min。

4 力学性能测定

经过加热处理后的试样在进行力学性能测试之前，要对试样进行处理，先要用砂纸将表面的氧化铁皮层磨去(以表面光洁，无缺陷，不影响测试力学性能测试结果为准)，然后在试样中部较窄处对称地量取5 cm，并以细线作标记，如图2所示。

图2 标记试样

将试样依次在SUN20电子拉伸试验机上通过拉伸试验测定试样的屈服强度、抗拉强度以及延伸等各项力学性能，实验结果见表3所示。

表3 力学性能指标

从表3数据中可以看出，整体试样的纵向延伸比横向延伸性能较好。这是因为在轧制过程中，轧件的延伸量远远大于宽展量，造成晶粒在轧制方向上伸长，增大了纵断面晶粒尺寸，使纵向为伸长的晶粒而横向晶粒等轴状，因此纵向延伸性能更好。

另外可以比较得出680℃保温60 min的试样，其抗拉强度和屈服强度均较高，尤其是屈服强度过高，而延伸率明显偏低，因此钢的综合力学性能偏低;试样在695℃保温240 min抗拉强度屈服强度以及延伸率均接近合理范围，因此钢的性能较好;710℃保温30 min的试样，其抗拉强度屈服强度偏高尤其是前者，还有延伸率偏低，钢的性能偏低;725℃保温180 min的试样其各项性能指标都在合理范围之内，因此钢的综合性能良好;试样在735℃保温10 min时，钢的屈服强度较好，但抗拉强度偏高且延伸率偏低，其性能偏低;750℃保温120 min钢的各项性能指标都接近合理范围，其性能较好，即6号样对应的性能较好，这与显微组织分析所得结论相符。

5 透射电子显微镜试验

从金相和拉伸试验中，6号组织和性能比较好，所以用透镜观察6号试样的晶体结构。6号试样750℃保温120 min位错相片如图2所示。

图3 6号试样750℃保温120 min位错

(a)位错成“曲折线”形，位错集中，位错密度较高，导致这一现象的原因可能是，在塑性变形时，位错沿滑移面运动，又因滑移面是相交的，位错相遇是必然的，这就发生交割或相撞。

(b)晶界形成位错胞，b图在晶内有位错胞形成。原因是:IF钢板在塑性变形形成的。位错源产生的许多位错在切应力的作用下沿滑移面运动，遇到晶界阻碍位错运动，造成位错缠结，在晶界形成位错胞;在晶内位错运动受到第二相粒子和其它一些较大的析出物阻碍，也可能造成位错缠结和堆集，形成位错胞。

6 结论

铁素体IF钢通过金相观察、拉伸试验和透射电子显微镜观察可的如下结论

(1)1号680℃保温60 min，3号710℃保温30 min，5号735℃保温10 min组织呈纤维状的比较多，冲压性能应该稍差:2号695℃保温240 min，4号725℃保温180 min，6号750℃保温120 min晶粒比较粗大，组织分布比较均匀;

(2)2号695℃保温240 min，4号725℃保温180 min，6号750℃保温120 min各项力学性能指标都接近合理范围，6号样对应的性能较好;

(3)6号试样显微结构中存在“曲折线”形位错和位错胞等缺陷

［1］ 康永林.现代汽车板工艺及成形理论与技术［M］.北京:冶金工业出版社，2009，44－46.

［2］ 关小军，周家娟，潘伟.终轧温度对Ti+Nb处理的高强IF钢板组织与性能的影响［J］.特殊钢，2000，21(6).

［3］ TAKACHIH.Development in High strength.Hotand Cold-rolled Steels for Automotive Application.Hotand Cold-rolled Steels.Pradhan R and Ludkovsky B.Pennsylvania，USA:TMS 1998，117.

［4］ NILSSON K Iand JOHANSSON E.Developmentof IF-Steels on Ultra-low-carbon Basis for EDDQ and High Strength Application Using Continuousannealing and Hot-dip Galvanizing Lines.Metallurgy of Vacuum-degassed Steel.Pradhan R.Pennsylvania，USA:TMS，1990，143.

［5］ 左军.Ti-IF钢冷轧板罩式退火工艺研究［J］.钢铁钒钛，2007，28(1):68-72.