在緒論中已經提及,目前,傳統熱軋雙相鋼的生產方法可分為中溫卷取型熱軋法和低溫卷取型熱軋法。但各有缺點:采取中溫卷取型熱軋法生產雙相鋼時,鋼中必然要加入鉻,鉬等合金元素,增加生產成本;而采取低溫卷取型熱軋法時,由于軋后冷卻工藝的復雜性,使其較難控制,難以得到均勻穩定的組織,且成分中元素硅的含量較高,造成鋼板表面質量較差。


 本次浙江至德鋼業有限公司以低硅-鉻成分為研究對象,通過對元素硅和鉻進行不同含量的添加,著重研究元素硅和鉻對力學性能以及組織的影響,通過制定合理的熱軋工藝參數,簡化冷卻工藝流程,研制低成本高強度熱軋雙相鋼,并主要分析終軋溫度以及超快冷溫度對雙相鋼力學性能以及微觀組織的影響規律。


一、實驗材料及方法


 1. 實驗材料


本次采用3種成分的雙相鋼,其具體成分見表4-1。


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 2. 實驗工藝


  軋制過程在東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室的Φ450mmx450mm二輥可逆熱軋實驗機組上進行。鋼坯初始厚度為70mm,成品厚度3.5mm.為模擬CSP現場的壓縮比,壓下量分配為:70mm-39mm-21mm-13mm-8mm-6mm-4.5mm-3.5mm.前幾道次盡量增加壓縮比,后幾道次在保證一定的壓下量時候,使得雙相鋼板能平穩過渡。


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  雙相鋼坯料在箱式電阻爐中加熱到1200℃,保溫1小時后軋制。實驗室第一次軋制實驗工藝設定如表4-2所示,主要研究元素硅和鉻對雙相鋼力學性能與組織的影響;實驗室第二次軋制實驗工藝設定如表4-3所示,主要研究終軋溫度、出超快冷溫度對實驗鋼力學性能與組織的影響。


 3. 組織觀察與力學性能檢測


  實驗完成后,從熱軋板中部切取金相試樣,經研磨、拋光后分別采用4%(體積分數)的硝酸酒精溶液和Lepera試劑腐蝕,用以觀察鐵素體和馬氏體組織的形貌和分布。金相組織和兩相含量通過LEICAQ550IW型圖像分析儀進行觀察和測定。鐵素體晶粒尺寸采用割線法來測定。沿板縱向切取3個板狀拉伸試樣,加工成標準試樣進行拉伸實驗,測定力學性能。


二、實驗結果與分析


1. 化學成分對性能與組織的影響


  從圖4-1可以發現,在相同工藝的情況下不同化學成分對定驗鋼的力學性能具有顯著的影響。其中元素硅和鉻的添加均使得屈服強度和抗拉強度得到提高,而伸長率下降。在該工藝下,1號雙相鋼的屈服強度為305MPa,抗拉強度為530MPa,屈強比為0.58,n值為0.2,伸長率為26%;2號雙相鋼的屈服強度為355MPa,抗拉強度為625MPa,屈強比為0.57,n值為0.2,伸長率為20%;3號雙相鋼的屈服強度為345MPa,抗拉強度為610MPa,屈強比為0.56,n值為0.2,伸長率為21%.2號和3號雙相鋼的力學性能均符合DP580的標準要求,而1號實驗鋼的力學性能不符合DP580的標準要求。


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  元素鉻和硅的添加對力學性能的提升是顯著的,同時發現,元素硅和鉻元素均由0.2%提高到0.4%的情況下時,增加元素硅的實驗鋼屈服強度提高了50MPa,抗拉強度提高了95MPa;而增加合金元素鉻的屈服強度提高了40MPa,抗拉強度提高了80MPa.顯然,元素硅對力學性能的提高作用要優于加合金元素鉻,但二者實際相差并不是很大。從圖4-2所獲得的金相組織可以發現,三種工藝下的金相組織均主要為鐵素體+馬氏體,增加元素硅和鉻后,馬氏體的體積分數明顯增加。這也是力學性能明顯提高的原因。


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2. 終軋溫度對性能和組織的影響


  雙相鋼的力學性能如圖4-3所示,可以發現,隨著終軋溫度的提高,屈服強度和抗拉強度均呈現降低趨墊,伸長率則是先降低后增加。實驗鋼拉伸曲線平滑,無屈服平臺,為連續屈服。當終軋溫度為780℃時,屈服強度為350MPa,抗拉強度為615MPa,伸長率為22%,屈強比為0.57,n值為0.21;當終軋溫度為810℃時,屈服強度為345MPa,抗拉強度為610MPa,伸長率為20%,屈強比為0.56,n值為0.21;當終軋溫度為830℃時,屈服強度為335MPa,抗拉強度為595MPa,伸長率為21%,屈強比為0.56.當終軋溫度由830℃降到780℃時,屈服強度提高了15MPa,抗拉強度提高了20MPa,伸長率變化不大,整體來說強度提高而伸長率變化不大,在此工藝范圍內,力學性能均符合DP580的標準要求。從圖4-4可以看出,雙相鋼的金相組織主要為鐵素體+馬氏體,隨著終軋溫度的降低,鐵素體晶粒尺寸略微降低。通過透射電鏡觀察到的試樣的組織,發現鐵素體中具有較高密度的位錯,而馬氏體的精細結構為板條馬氏體,見圖4-5。


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 3. 超快冷出口溫度對性能和組織的影響


  雙相鋼的力學性能如圖4-6所示,當超快冷出口溫度為680℃時,屈服強度為355MPa,抗拉強度為615MPa,伸長率為24%,屈強比為0.58,n值為0.2;當超快冷出口溫度為700℃時,屈服強度為345MPa,抗拉強度為610MPa,伸長率為22%,屈強比為0.57,n值為0.2;當出超快冷溫度為720℃時,屈服強度為335MPa,抗拉強度為600MPa,伸長率為21%,屈強比為0.56,n值為0.2。


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  當出超快冷溫度由720℃降到680℃時,屈服強度提高了25MPa,抗拉強度提高了15MPa,伸長率變化不大,而當出超快冷溫度為680℃時,伸長率高。在此工藝范圍內,雙相鋼的力學性能均符合DP580的標準要求。從圖4-7、圖4-8可以看出,雙相鋼的金相組織主要為鐵素體+馬氏體。


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  采用透射電鏡觀察,在終軋溫度840℃下,組織中出現了少量的馬氏體島,其彌散分布于鐵素體晶界處。在超快冷出口溫度680℃時,組織中的鐵素體位錯密度較高,見圖4-9a,其中靠近馬氏體島的位錯為奧氏體轉變為馬氏體時發生切變和體積膨脹造成的,而鐵素體內部的位錯可能是軋制變形時生成的位錯保留下來的;在超快冷出口溫度為720℃時(圖4-9b),鐵素體中位錯密度降低,觀察到少量孿晶馬氏體的存在,孿晶馬氏體的存在對雙相鋼的強度提升有較大作用,但其對延性有不利影響,如果馬氏體的精細結構為板條,則拉伸變形時會在馬氏體和鐵素體的界面上萌生孔洞,然后聚合產生延性斷裂,若馬氏體的精細結構孿晶,且馬氏體體積分數較高時,則會發生孿晶馬氏體斷裂,然后引起鐵素體的解理,以脆性方式發生斷裂。


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三、總結


   浙江至德鋼業有限公司通過本次實驗室熱軋雙相鋼實驗,研究了化學成分、終軋溫度、超快冷出口溫度等因素對三種實驗鋼組織和性能的影響。通過對各工藝條件下雙相鋼組織的觀察和性能的測定,得到的研究結果如下:


   1. 對于1號雙相鋼,終軋溫度為820℃,超快冷出口溫度為710℃,空冷后層冷到100℃時,屈服強度和抗拉強度均低于DP580的標準要求,而伸長率良好;而對于2號雙相鋼,元素硅含量添加將近一倍后,屈服強度為355MPa,抗拉強度為625MPa,屈強比為0.57,n值為0.2,伸長率為20%,符合DP580的標準要求;對于3號雙相鋼,合金元素鉻含量添加將近一倍后,屈服強度為345MPa,抗拉強度為610MPa,屈強比為0.56,n值為0.2,伸長率為21%,同樣符合DP580的標準要求,同時對比分析可以得到元素硅對強度的提高作用要優于合金元素鉻的作用,在此工藝窗口,能得到符合DP580要求的雙相鋼。


  2. 對于3號雙相鋼而言,終軋后采用超快冷+空冷+層冷的冷卻工藝時,隨著終軋溫度的升高,雙相鋼的強度和屈強比降低,伸長率和n值變化不大。在終軋溫度為780~830℃時,超快冷出口溫度為660~670℃,保溫6s之內時。雙相鋼的屈服強度為335~350MPa,抗拉強度為615~595MPa,伸長率為20%~22%.力學性能符合DP580的標準要求。


 3. 對于3號雙相鋼而言,終軋后采用超快冷+空冷+層冷的冷卻工藝時,隨著超快冷出口溫度的升高,雙相鋼的強度和屈強比降低,伸長率和n值變化不大。在超快冷出口溫度為680~720℃,終軋溫度為840~845℃,保溫6s之內時。雙相鋼的屈服強度為335~355MPa,抗拉強度為615~600MPa,伸長率為21%~24%.力學性能符合DP580的標準要求,超快冷出口溫度為680℃時,得到的力學性能最佳。