冷轧压下率对退火含铌钛IF钢性能及织构的影响

张功庭，郑之旺，王敏莉

（攀钢集团研究院有限公司，钒钛资源综合利用国家重点实验室，攀枝花617000）

0 引 言

冷轧总压下率是影响退火IF钢（无间隙原子钢）深冲性能的主要因素。若没有冷轧变形，就不会有退火过程的再结晶，从而也无法获得较强的｛111｝有利织构和高r（塑性应变比）值。因此，在适当的化学成分和合理的热轧之后，保证充分的冷轧压下率是此类钢获得高r值的重要条件。研究者一致认为［1］，对于IF 钢，r 值 随冷轧 压下率 的增加而 单 调增大，直至压下率高达90%时。在实际生产中为了获得高的r值，普遍采用大于75%的冷轧压下率，但由于生产设备的能力有限，压下率一般不会超过85%。目前，冷轧压下率对IF钢组织和性能影响的研究较多［2-4］，但在对含铌钛IF钢的研究方面，仅有张鹏［5］研究了加入铌、钛IF钢在单机架四辊轧机一次冷轧退火和二次冷轧退火后的组织、性能及织构演变规律，其主要考虑的是冷轧压下率分配的问题，并未对不同的冷轧压下率进行研究分析。鉴于此，作者对含铌钛IF钢进行不同压下率的冷轧，之后进行退火处理，研究了冷轧压下率对其性能和织构的影响，并确定了最优性能对应的冷轧压下率，期望能指导其工业化生产。

1 试样制备与试验方法

试验钢取自工业生产的4.5mm厚含铌钛IF钢热轧板，其化学成分见表1。

热轧板经酸洗后，在实验室SG-300型四辊轧机上进行冷轧，冷轧压下率分别为60%，70%，80%和90%。垂直于轧向取样，试样尺寸为40mm×230mm×板厚，在预抽真空保护气氛退火炉中进行退火。退火工艺：以360℃·h-1的加热速率快速加热至500℃，然后以50℃·h-1的加热速率加热至720℃，保温5h后随炉冷却至150℃出炉。

根据GB/T 228-2010加工标准拉伸试样，在INSTRON 5569型电子式万能试验机上进行拉伸试验；在力学性能测试后的试样端头切取24mm×26mm（26mm为轧向）的织构试样，采用单面浸蚀的方法获得1/4层测试面，然后在D/max-C型X射线衍射仪上，用Cu-Ka射线，采用Schulz反射法在各试样1/4层面上采集｛110｝、（200）和｛112｝三张不完整极图，由Buange系统分析软件计算取向分布函数f（g），并绘制ODF图；沿织构测试后试样纵截面的轧向磨制金相试样，采用MeF3型光学显微镜观察显微组织。

表1 试验钢的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of the experimental steel（mass） %

2 试验结果与讨论

2.1 力学性能

图1中n和r值是在试样拉伸15%～30%后，处于均匀塑性变形时，根据应力应变关系计算得到的，其中r90为垂直于轧向上试样宽度方向与厚度方向的真应变之比，n90为垂直于轧向上试样的应变硬化指数。由图1可见，在试验冷轧压下率下，退火态试验钢屈服强度（93～104MPa）和抗拉强度（290～300MPa）的波动均较小，即冷轧压下率对退火态屈服强度和抗拉强度的影响很小；冷轧压下率在70%～90%时，退火态试验钢具有良好的伸长率，A80为45.5%～48%；随着冷轧压下率从60%增至90%，应变硬化指数n90从0.34逐渐降为0.32，塑性应变比r90在2.2～2.45范围内，且呈先升后降的趋势，并在70%冷轧压下率下达到最大。可见，冷轧压下率为70%～90%时，退火态试验钢具有较好的综合力学性能。

图1 不同冷轧压下率下退火态试验钢的力学性能Fig.1 Mechanical properties of the annealed experimental steel with different cold rolled reductions：（a）yield strength and tensile strength；（b）elongation and（c）strain hardness index n90and plasticity strain ratio r90perpendicular to the rolling direction

2.2 显微组织与再结晶织构

由图2可见，在不同冷轧压下率下，退火态试验钢均为完全再结晶铁素体组织，且随着冷轧压下率的增加，铁素体晶粒不断细化。这是因为，随着冷轧压下率的增加，冷轧态形变储能增加，增大了退火时再结晶晶核的形核率，因而再结晶晶粒尺寸得以细化。

由图3可见，冷轧态试验钢主要由｛001｝〈110〉、｛114｝〈110〉、｛223｝〈110〉和｛111｝等织构组成，随着冷轧压下率的增大，上述织构强度增大，但织构类型无明显变化。

由图4可见，在退火态试验钢的α取向线上，｛001｝〈110〉织构与｛110｝〈110〉织构的强度很低，冷轧压下率越大，结构强度越接近于零，即该类织构逐渐消失；随着冷轧压下率从60%增至90%，织构强度增大，但织构的类型和最强织构并未发生变化，｛223｝〈110〉织构保持最强，｛114｝〈110〉织构也保持较高强度，这可能是遗传了冷轧｛114｝〈110〉织构的缘故；另外，｛111｝〈110〉织构并未因为大的压下率而成为最强的再结晶织构。在γ取向线上，随冷轧压下率的增大，再结晶织构强度增大，当冷轧压下率为60%～80%时，｛111｝〈110〉织构与｛111｝〈112〉织构的强度基本同步增强，｛111｝〈110〉织构的强度高于｛111｝〈112〉织构的；当冷轧压下率继续增大至90%时，｛111｝〈112〉织构的强度大大增强，｛111｝〈110〉织构的强度略微降低，它们对应的f（g）值分别为7.5和5.0，此 时 ｛111｝〈112〉织 构 的 强 度 已 高 于｛111｝〈110〉织构的。

图2 不同冷轧压下率下退火态试验钢的显微组织Fig.2 Microstructure of annealed experimental steels with different cold reductions

图3 不同冷轧压下率下冷轧态试验钢1/4层α取向线和γ取向线上的f（g）Fig.3 f（g）alongα-fiber skeleton（a）andγ-fiber skeleton（b）at 1/4thickness of the cold-rolled experimental steel with different cold rolling reductions

图4 不同冷轧压下率退火态试验钢1/4层α取向线和γ取向线上的f（g）Fig.4 f（g）alongα-fiber skeleton（a）andγ-fiber skeleton（b）at 1/4thickness of the annealed experimental steel with different cold rolling reductions

2.3 讨 论

冷轧退火态高强IF钢的优异成形性能与其再结晶织构有关，冷轧压下率越大，形变储能越大，再结晶织构形成的驱动力也就越大。在冷轧过程中，晶粒受强烈的塑性变形会发生转动，处于软取向的晶粒先开动并最终转到稳定取向；随着冷轧变形率的增大，开动滑移系的动力也越大，一些处于硬取向的晶粒也发生转动，并至稳定取向，这样就形成了不同的冷轧织构。试验钢冷轧后，其主要的冷轧织构由｛001｝〈110〉、｛114｝〈110〉、｛223｝〈110〉和｛111｝织构组成。｛111｝〈110〉和｛111｝〈112〉组分具有最高的形变储能［1］，因而在退火过程中，具有这两个取向的形变晶粒最先发生再结晶形核，并且｛111｝〈110〉再结晶晶粒形核于｛111｝〈112〉形变晶粒，｛111｝〈112〉再结晶的晶粒形核于｛111｝〈110〉形变晶粒，而另两个取向的形变晶粒直到再结晶后期才被新的再结晶晶粒取代，这种定向形核机制是IF钢具有强烈γ-〈111〉//ND再结晶织构的主要原因。

从试验钢的冷轧织构到再结晶织构的演变可以推测，其再结晶过程应由定向形核-选择生长机制共同作用完成。根据IF深冲钢板再结晶织构的形成与演变理论［6-7］，IF钢深冲钢板主织构中的γ纤维织构的｛111｝〈110〉取向与｛111｝〈112〉取向之间存在30°〈111〉取向关系，其重位点阵晶界位为∑13b。重位点阵晶界具有较低的晶界能，具有∑晶界的晶核不但优先形成，而且还能够优先长大［8］。在再结晶初期，｛111｝〈110〉和｛111｝〈112〉再结晶晶核分别在冷轧γ取向线上的｛111｝〈112〉和｛111｝〈110〉形变晶粒中形核；在再结晶中后期，｛111｝〈110〉取向和｛111｝〈112〉取向又分别吞并了α纤维织构中的｛112｝〈110〉取向和｛001｝〈110〉取向。这充分解释了90%冷轧压下率下退火后γ取向线中｛111｝〈112〉取向密度高于｛111｝〈110〉取向强度的原因，因为90%冷轧压下率下｛001｝〈110〉取向密度大幅增大。因此，当冷轧压下率大于80%时，一方面，冷轧态γ取向线上的取向密度明显增强，增加了原位形核的｛111｝取向；另一方面，因冷轧态α取向线上｛001｝〈110〉和｛112｝〈110〉附近的取向密度明显增强，导致｛111｝取向晶粒选择生长时γ取向线上的取向密度明显增强，且当冷轧压下率为90%时，不仅γ取向线上的织构密度明显增强，而且f（g）峰值从｛111｝〈110〉变为了｛111｝〈112〉。因此对于试验钢而言，要想获得强的｛111｝织构，冷轧压下率需控制在80%以上。这与冷轧压下率对含钛IF钢影响的结论相似［9］。

另外，再结晶后α取向线线上｛223｝〈110〉和｛114｝〈110〉取向附近仍保留较高的取向密度，且随着冷轧压下率的增加，其取向密度还有所增加，说明｛223｝〈110〉和｛114｝〈110〉是较稳定的织构，在｛111｝织构形核和长大过程中不容易被吞并，且具有较强的遗传性。

3 结 论

（1）冷轧压下率对试验钢力学性能的影响较小，当冷轧压下率为70%～90%时，再结晶组织均匀细小，试验钢具有良好的综合力学性能。

（2）冷轧态试验钢主要由｛001｝〈110〉、｛114｝〈110〉、｛223｝〈110〉和｛111｝织构组成，且织构取向密度随冷轧压下率的增加而增大；再结晶退火后，随着冷轧压下率的增大，组织不断细化，｛114｝〈110〉和｛223｝〈110〉取向由于稳定性高而被遗传下来，｛001｝〈110〉取向被｛111｝〈112〉取向晶粒吞并，形成较强的｛111｝再结晶织构。

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