分享：硼元素对无间隙原子钢微观组织及成形性能的影响
金 磊1,2,尉 冬1,2,关建东3
(1.首钢集团有限公司技术研究院 100043,北京;2.绿色可循环钢铁流程北京市重点实验室,北京 100043; 3.北京首钢股份有限公司,北京 100043)
摘 要:利用光学显微镜、电子背散射衍射仪、拉伸试验机分析了硼元素对IF钢的组织、织构及 力学性能的影响。利用在线应变测量系统及成形试验机分析了硼元素对IF 钢成形性能的影响。 结果表明:向IF钢中添加硼元素,可以显著细化IF钢组织的晶粒尺寸,降低{111}织构组分含量, 并提高IF钢的屈服强度和抗拉强度,降低塑性应变比;有助于IF钢平面应变及等双向拉伸应变两 种成形方式,提高制造以拉胀成形为主的复杂IF钢成形零件的冲压合格率。
关键词:硼元素;IF钢;织构;力学性能;成形性能 中图分类号:TB31;TG142.1 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)11-0019-04
近些年来,随着我国汽车工业的快速发展,汽车 保有量持续增大,汽车市场的竞争日益激烈。基于 对行车安全、环保、燃油效率等方面的考虑,汽车制 造商更着眼于车身减重、降低制造成本、提升产品性 能等方面。汽车轻量化是降低能耗、减少二氧化碳 排放的最有效手段之一[1]。研究表明,汽车质量每 减少100kg,每百公里燃油消耗下降0.3~0.5L,二 氧化碳排放减少8~11g [2]。由此可见,汽车轻量化 对于减少污染、节约能源等方面具有重要意义。 IF钢(无间隙原子钢)具 备 优 良 的 深 冲 性 能, 能满足车身零件冲压过程中对强度和成形性能的 要求,广泛应用于生产车身覆 盖 件 等。IF 钢 的 主 要强化方 式 是 固 溶 强 化,机 理 是 通 过 添 加 磷、锰、 硅等元素起到强化作用,其中磷元素是最经济,且 固溶强化作用最强的元素;但IF钢中添加的钛、铌 元素使晶界强度降低,磷元素容易偏聚到晶界,导 致IF钢出现冷加工脆性现象[3]。研究表明,向IF 钢中加入硼元素,能够对IF钢的微观组织产生影 响,改善IF钢的二次加工脆性[4-7]。笔者分析了不 同硼元素添加量下IF钢的微观组织与成形性能, 探索硼元素对IF钢性能的影响规律。
1 试验材料
选取牌号为 DC04,尺寸为0.7mm(厚度)的IF 钢,在其他成分不变的情况下,向其中添加一定量的 硼元素。将添加硼元素的IF钢与不添加硼元素的IF 钢进行710℃卷取+800℃退火处理,考虑到热处理 时会有 硼 元 素 残 留,因 此 材 料 中 硼 元 素 含 量 低 于 0.0002%时,判定为不含硼元素,热处理后含硼IF钢 和无硼IF钢的化学成分分析结果如表1所示。
2 硼元素对IF钢的影响
2.1 微观组织
利用光学显微镜观察含硼IF钢和无硼IF钢的 显微组织形貌,结果如图1所示。由图1可知:含硼 IF钢和无硼IF 钢的显微组织均为铁素体,其中含 硼IF 钢的平均晶粒尺寸为20μm,晶粒度等级为 8级;无硼IF钢的平均晶粒尺寸为22μm,晶粒度 等级为8级。
对含硼IF钢和无硼IF 钢进行冷轧处理,然后 对成品的显微组织进行分析,结果如图2所示。由图2可知:经过冷轧工序后,含硼IF钢和无硼IF钢 的晶粒尺寸均发生了较大变化,其中含硼IF钢成品 的平均晶粒尺寸为17μm,晶粒度等级为8.5级;无 硼IF钢成品的平均晶粒尺寸为21μm,晶粒度等级 为8级。
对含硼IF钢和无硼IF钢冷轧前后的显微组织 形貌进行对比可知,硼元素具有细化组织的作用。 硼元素作为一种晶界偏聚元素,当硼元素和钛元素 共存时,硼原子和钛原子之间有相互吸引作用,导致 硼元素和钛元素在再结晶核的界面处共偏析,并强 烈抑制了再结晶核的生长,从而对IF钢显微组织起 到了细化作用。
2.2 织构含量
IF钢的织构发展需要经历 3 个阶段:铸造织 构、形变织构和再结晶织构。其中以再结晶织构最 为重要,因为再结晶之后会形成对IF钢深冲性能有 着极为关键作用的{111}织构,{111}织构越强烈、均 匀,其深冲性能越好,因此对于含硼IF钢与无硼IF 钢,对比二者{111}织构的含量,可以直观体现硼元 素对IF钢深冲性能的影响。 采用电子背散射衍射技术(EBSD)对含硼IF钢 和无硼IF钢的织构进行分析,结果如图3所示,织 构含量的计算结果如表2所示。由图3和表2可 知 织 , 构 无 组 硼 分 IF 增 钢 加 中 了 {111}织构组分增加了7%,{112} 5%,含 硼 IF 钢 的 晶 粒 尺 寸 为 17.317μm,无硼IF钢的晶粒尺寸为21.21μm,与金相检验得到的晶粒尺寸一致性较好,说明无硼IF 钢的晶粒尺寸得到了粗化。
2.3 力学性能
冷轧后,对两种IF钢成品进行力学性能测试, 结果如表3所示。由表3可知:无硼IF钢成品相比 含硼IF钢成品,屈服强度和抗拉强度均有所降低, 断后伸长率和加工硬化指数变化不大,但塑性应变 比有所提升,各向异性指数没有明显变化。可见,在 退火过程中,IF 钢中发生了回复再结晶现象,逐渐 形成有利于深冲性能的{111}织构。由金相检验结 果可以看出,IF钢的晶粒尺寸会因硼元素的添加而 发生变化,在后续的冷轧工序中,IF 钢成品的显微 组织、退火再结晶时晶粒的形核和长大过程同样会 受到影响,进而导致{111}织构强度不同,最终影响 材料的塑性应变比。因此,硼元素对IF钢的塑性应 变比有较大影响。
2.4 成形性能 成形极限图(FLD)是研究材料成形性能,反映 材料冲压性能和冲压工艺的重要参数,成形极限曲 线(FLC)可用于进行材料变形失稳理论分析和建立 应变数学模型[8],因此 FLC 对研究硼元素对IF 钢 成形极限的影响有着很重要的意义。 根据标准 GB/T15825.8—2008 《金属薄板成形性能与试验方法 第8部分:成形极限图(FLD)测 定指南》,利用刚性凸模胀形试验进行 FLD试验,试 验过程如图4所示,将一侧板面喷有散斑的试样置 于凹模与压边圈之间,施加一定的压边力,压牢试 样,在保证冲头与试样之间足够润滑的条件下,试样 中部在凸模力作用下均匀变形,产生胀形变形,并形 成凸包,当试样局部产生颈缩或破裂时,停止试验, 采用 ARAMIS型在线光学应变测量系统对试样的 应变进行测量,从而获得材料的成形极限。
含硼IF钢和无硼IF钢的典型力学性能如表4 所示,二者的 FLC如图5所示。由图5可知:当次 应变小于0时,即单向拉伸变形阶段,无硼IF钢的 主应变要略高于含硼IF钢;当次应变不小于0时, 材料处于平 面 应 变 和 等 双 向 拉 伸 应 变 状 态,含 硼 IF钢的主应变更高。说明对于 深 拉 延 零 件,无 硼 IF钢的成形性能更好;而对于一些成形较为复杂, 以拉胀成形为主的零件,含硼IF钢的成形性能更 好。
3 结论
(1)添加硼元素会降低IF 钢中有利于深冲性 能的{111}织构组分含量。 (2)IF钢的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、 加工硬化指数受硼元素影响不大,硼元素对塑性应 变比有较大影响,向IF 钢种添加一定量的硼元素, 会使材料塑性应变比降低。 (3)向IF 钢中添加硼元素,可以提高IF 钢的 平面应变及等双向拉伸应变能力,然而对单向拉伸 应变则有不良影响。
来源：材料与测试网
