烘烤硬化钢140BH组织和性能的研究

烘烤硬化钢140BH组织和性能的研究 【摘要】：本文采用光学显微镜对经过不同退火制度后的烘烤硬化钢140BH退火钢板的金相显微组织进行观察，在拉伸试验机和X射线衍射仪上分别对退火钢板的力学性能、烘烤硬化值以及退火板织构进行研究。试验结果表明，烘烤硬化钢140BH退火退火板的组织为再结晶铁素体晶粒。随连续退火温度的升高，140BH的晶粒尺寸变大，第二相NbC的固溶度积增大，{111}织构加强，造成钢板的强度下降，延伸率、n值、r平均值和BH值升高。连续退火温度在860℃时，各项力学性能达到最佳值。 【关键词】：烘烤硬化钢，连续退火温度，组织，力学性能，织构

Research on Microstructure and Properties of Bake-hardening Steel 140BH

Abstract: The microstructure of bake-hardening annealed steel sheets 140BH was observed using optical microscopy. The mechanical properties of annealed steel sheet, as well as the annealed texture was investigated using tensile test machine and X-ray diffractometer respectively. The results show that the microstructure of bake-hardening steel 140BH was ferrite recrystallized grain. As the continuous annealing temperature arising, strength decreased while the related ductility, n, r, BH values increased. At 860℃, the properties of bake-hardening steel 140BH were maximized. Key words: Bake-hardening Steel, Continuous Annealing Temperature, Microstructure, Mechanical Property, Texture

1.前言 以超低碳钢为基础，通过添加微量元素Nb或Ti而制成的烘烤硬化冷轧钢板，兼有优良的深冲性能和高的烘烤硬化性能的新型优质汽车用钢板。烘烤硬化钢主要应用在汽车门外板、发动机盖板、行李箱外板和顶棚等覆盖件等，经过冲压后要进行喷漆和烤漆。BH钢板烘烤硬化的本质是应变时效。在初始状态时，碳原子固溶于铁素体基体，经过拉伸冷变形后，基体内的位错密度增加。如果继续拉伸，位错线与碳原子不发生作用。如果少量预变形的钢板经过高温时效处理，就会使碳原子扩散到位错线周围，形成柯氏气团，限制位错的运动。这时如果使钢板变形就需要更大的力，钢板呈现出烘烤硬化性。也就是说在烤漆过程中，间隙原子会在烤漆温度下进行时效的反映，使得钢在最后的过程中有一个固溶强化的过程，在成形后强度再有一个提高[1~5]。

BH钢板的特点是冲压成形前较软，原始屈服强度比较低，成形性好，冲成汽车零件后在涂漆烘烤过程中通过时效提高钢板的屈服强度（增加30～60MPa），最终冲压后的零件表现出较高的抗凹陷性能。这一优良的烘烤特性成功地解决了高强度钢板强度高但成形性差的问题[6]。

本文研究了不同连续退火温度下，烘烤硬化钢140BH的组织、性能和织构。

2.试验材料及方法 2

本文采用本钢二冷轧线生产的140BH为研究对象，其规格为0.8mm×1400mm。其化学成分如表1所示。生产过程为铁水预处理-转炉冶炼-精炼-连铸-热连轧-酸洗-冷连轧。热轧制度：加热温度为1190℃，终轧温度900℃，卷取温度700℃。冷轧制度：厚度为4.0mm的热轧板料，压下率为80%，钢板按照三种退火制度进行退火，具体见表2，酸轧连退后规格为0.8mm×1400mm。在钢板的宽度方向的1/4处取拉伸试样，而后加工成标准的拉伸试样，L0=80mm，b=20mm，按GB/T228-2002 GB/T 5028-1999 GB/T 5027-1999检测试样的屈服强度、抗拉强度、延伸率、r值（0、45、90）、n值与BH值等力学性能。同样在钢板的宽度方向的1/4处取金相试样，经砂纸研磨、抛光并用4%硝酸酒精腐蚀后，用Leica显微镜观察其金相组织。然后用X-Ray衍射仪，实测极图、反极图和ODF截面图。

表1 烘烤硬化钢140BH的化学成分 Tab.1 Chemical composition of 140BH steel

钢种 C Si Mn P S Als Nb N 140BH 0.002 0.005 0.14 ≤0.030 ≤0.008 0.03 0.01 0.002 表2 三种不同的退火制度 Tab.2 Three different annealing schedule

试样 编号 加热段 HS(℃) 缓冷段 SCS(℃) 快冷段 RCS(℃) 过时效段 OAS(℃) 终冷段 FCS(℃)

1 860 770~780 450~460 350~360 150~160 2 850 770~780 450~460 350~360 150~160 3 840 770~780 450~460 350~360 150~160

3.试验结果与分析 3.1 金相组织与分析

（a）860℃ （b）850℃ （c）840℃ 图1 不同退火制度下的显微组织 Fig.1 The microstructures of the samples at different annealing temperatures 图1为不同退火制度下140BH的金相组织。从图1可看到140BH的金相组织为铁素体，随退火温度的升高，晶粒尺寸增大。

3.2 力学性能

(a)100μm 100μm 100μm (b)(c) 3

试验测得不同退火温度下试样的力学性能，并与国家标准对比，测试结果具体见表3。 从表3可以看到，1#试样的各项力学性能完全达到国家标准，2#试样除屈服强度较高外，其余均达到国家标准，3#试样屈服强度为224MPa，n90值为0.19，未达到国家标准，其余力学性能皆符合国家标准。且随退火温度的升高，屈服强度、抗拉强度下降，延伸率升高，n90值升高，r平均值增大，烘烤硬化值无多大变化。参照图1，引起强度下降的原因是退火温度升高，导致晶粒尺寸增大。另外，在退火的过程中，随退火温度的升高，第二相NbC溶解量越来越大，未溶解NbC聚集长大，必然造成第二相沉淀强化减弱，这些因素均使强度降低。而影响钢板n值的主要因素是纯净度和晶粒度，晶粒尺寸变大，n值增大[7]。

表3 不同退火条件下的力学性能 Tab.3 The mechanical properties of the samples at different annealing temperatures

编号 退火温度/℃ Rp0.2/MPa Rm/MPa A80/% n90 r BH/MPa

1 860 183 305 40.0 0.22 1.91 34 2 850 214 320 38.0 0.21 1.88 33 3 840 224 326 34.5 0.19 1.84 31 国标 - 140~200 ≥270 ≥36 ≥0.2 ≥1.8 ≥30 3.3 织构 影响烘烤硬化钢140BH的r值的主要因素是成分、第二相尺寸、晶粒度和织构等，但核心的因素是织构对r值的影响，因为其它的因素都是或多或少的通过改变钢板织构的组分来影响r值的[8]。

退火温度为860℃1#试样织构的轧面反极图与轧向反极图如图2所示。从实验结果来看，轧面反极图中，[111]轴密度最大，说明钢板中大多数晶粒的<111>晶向平行于轧面的法向，即大多数晶粒的{111} 晶面族平行于轧面，钢板具有{111}面织构。在860℃退火的1#试样的{111}面织构密度最大。

（a）轧面反极图 （b）轧向反极图 图2 退火温度为860℃1#试样织构的轧面反极图与轧向反极图 Fig.2 Inverse pole figures of the texture at 860℃ of the sample 1# 在轧向反极图找到等轴密度线的最强区域，轧向反极图，[011]轴密度最大，说明<011>为平行于轧向的晶向。钢板不仅有强的<011>∥R.D,而且也有较强的<112>∥R.D。

根据晶体学特征对确定的晶面和晶向进行排列组合，最终确定该钢板的织构指数为{111}<011>。在860℃退火的1#试样的[011]轴密度最大。

不同退火温度下织构φ=45°的ODF 截面如图3所示，可以看出其织构均为纯粹强烈的γ纤维织 4

构，即{111}织构。试样的织构分布较集中。从图3可以看出，随退火温度升高和时间的延长，{l1l}织构依次加强。对照图1和表3可见，随退火温度升高和时间的延长，再结晶的晶粒长大，{111}织构加强，因而r平均值也增加。随再结晶晶粒长大，{111}织构加强而其它取向织构减弱，实质是{111}取向的晶粒靠消耗（吞并）其它取向的晶粒而长大的，故随晶粒尺寸的增加，r平均值提高。所以在生产实际中，通过工艺控制追求较粗大的铁素体晶粒是适当的措施之一[9]。

（a）860℃ （b）850℃ （c）840℃ 图3 140BH不同退火温度下织构的ODF截面图（φ=45°） Fig.3 ODF sections of texture at different temperatures during annealing (φ=45°)

4.结论 （1）烘烤硬化钢140BH退火退火板的组织主要为再结晶铁素体晶粒。 （2）退火条件对烘烤硬化钢性能影响较大，随退火温度升高，晶粒长大、第二相NbC的固溶度积增大，{111}织构加强，造成钢板的强度下降，延伸率、n值、r平均值和BH值升高。 （3）本实验用钢在退火温度为860℃时，r平均值达1.91，屈服强度、抗拉强度、延伸率、n值、BH值等均达到国家标准。

参考文献： [1] 姚贵升,景立媛,汽车用钢应用技术.北京：机械工业出版社,2007. [2] 江海涛,康永林,王全礼,熊爱明. 高强度汽车板的烘烤硬化特性[J]. 钢铁研究, 2006, (01) . [3] 江海涛,康永林,于浩. 烘烤硬化汽车钢板的开发与研究进展[J]. 汽车工艺与材料, 2005, (03) . [4] 李东升,李雪峰,周贤宾. 汽车板材烘烤硬化特性的研究[J]. 金属成形工艺, 2001, (02) . [5] A.V. Nachankar,A.K. Vaish,M.M. Humane,P.K. De,D.V.Moghe,S.U.Pathak. Bake hardening mechanism in steels .J.Metall.Mater.Sci, 2003,,45, 45 (No.4,) :p143 . [6] 华桥柱. 烘烤硬化（BH）钢的生产工艺研究[J]. 宝钢技术, 1994, (03) .