Si和Nb对高强热轧高扩孔钢组织和性能的影响

董　毅，韩　斌，时晓光，张　宇，孙成钱



Si和Nb对高强热轧高扩孔钢组织和性能的影响

董毅，韩斌，时晓光，张宇，孙成钱

（鞍钢股份有限公司技术中心，辽宁鞍山114001）

摘要：为了研究Si和Nb对高强热轧高扩孔钢板显微组织、力学性能和扩孔性能的影响，在CSP连轧线上进行了3种成分试验钢的热轧试制，并对试验钢在扩孔过程中裂纹的形成和扩展行为进行了分析.研究表明：3种成分热轧钢板的显微组织均由铁素体和贝氏体组成，钢板的抗拉强度均高于610 MPa，伸长率大于24.5%，扩孔率高于104%；Si含量的增加，提高了组织中铁素体的含量，钢板的强度、伸长率和扩孔率得到提高；Nb含量的增加，细化了钢板的组织，钢板的强度和扩孔率增加明显，伸长率变化不大；试验钢在扩孔过程中裂纹主要沿铁素体和贝氏体的晶界处扩展，部分裂纹穿过铁素体晶粒.关键词：铁素体与贝氏体；扩孔性能；合金元素；组织和性能；冷却工艺；析出物

近年来，随着汽车工业的迅猛发展，汽车对钢铁材料的要求也越发严格，作为车辆的重要组成部分，汽车底盘部件和车轮等由于形状复杂，且在制造过程中需要进行包括拉伸翻边、弯曲、扩孔等成形方式，因此，对钢板的成形性能，尤其是扩孔性能（延伸凸缘性能）提出了较高的要求［1-2］.在此条件下，高强热轧高扩孔钢（High Hole-Expansion）的研制与开发得到了汽车生产商的广泛关注.与同级别的高强度低合金钢相比，高扩孔钢除了具有良好的延伸凸缘性能外，还具有良好的强度-疲劳性能配合、高的应变硬化指数（n值）、高的总伸长率等特点，更适合于制造如悬架臂、横梁、轮辐、轮惘等汽车部件［3-4］.

目前，国外许多钢铁公司和研发机构均对高扩孔钢进行了研制与开发［5-6］.如日本的神户钢铁、住友公司、新日铁公司等已成功开发出440～780 MPa多个强度级别的热轧高扩孔钢，其中600 MPa级高扩孔钢的扩孔率约为80%～100%.韩国Posco公司、印度Tata公司等也对高扩孔钢进行了研制开发，并取得了良好的进展.在国内，许多科研机构和学者对热轧高扩孔钢的组织和性能特点以及应用领域等进行了一定研究［7-10］，其中宝钢开发的600 MPa级热轧高扩孔钢的扩孔率约为95%.但到目前为止，除宝钢等极少数公司外，国内尚未进行大批量工业生产和应用，绝大多数高扩孔钢均依赖于进口.

本文以3种成分的试验钢为对象，通过CSP生产线进行了高强热轧高扩孔钢的工业热轧试制，研究分析了Si和Nb对试验钢显微组织、力学性能和扩孔性能的影响，并对高强热轧高扩孔钢在扩孔过程中的裂纹形成和扩展行为进行了探讨.

1　试 验

1.1 试验材料及试制工艺

试验钢的化学成分见表1.工业试制试验钢采用C-Si-Mn-Nb系成分设计，相对于A钢，B钢和C钢成分中的Si和Nb元素的含量增加，其他成分含量相当.

表1　试验钢的化学成分（质量分数/%）

试验钢在CSP生产线上进行试制，工艺路线为:铁水预处理→转炉冶炼→炉外精炼→连铸→加热→轧制→层流冷却→卷取.通过对试验钢相变规律的研究和前期实验室热轧试制，制定了合理的热轧工艺，具体为将厚度为230 mm的连铸坯在加热炉中加热至1 220℃，保温约2 h后进行热轧，精轧终轧温度为860～880℃，钢板出精轧机组后进行冷却，冷却采用三段式冷却，如图1所示，第1段以大于40℃/s的冷速将钢板冷却至660～700℃，而后进行空冷，空冷时间约为7 s，再将钢板以大于 50℃/s的冷速冷却至 480～520℃进行卷取，成品钢板的厚度为2.0 mm.

1.2 组织观察与性能检测

钢板卷取冷却至室温后进行取样检测.金相试样、拉伸试样及扩孔率检测试样均在钢板宽度方向的1/4处切取.金相试样经研磨、抛光和腐蚀后，通过光学显微镜和扫描电镜对显微组织进行观察、统计和分析.组织的精细结构通过Tecnai G220型透射电镜进行观察.拉伸试样采用纵向试样，将其加工成标准试样后进行拉伸试验，以测定钢板的力学性能.钢板的扩孔试验在ITC SP225万能板材成型试验机上进行，显微硬度采用MF-700显微硬度计进行检测.

图1　试验钢冷却工艺示意图

2　结果与分析

2.1 Si和Nb对钢板组织的影响

试验钢冷却至室温后的显微组织见图2.由图2可知，3种成分试验钢的显微组织主要由铁素体和贝氏体组成.由于成分的不同，钢板的组织形貌及各相含量具有一定的差异，见表2.

图3　A 钢组织的精细结构（TEM）

表2　试验钢组织构成及铁素体含量和晶粒尺寸

对于A钢，组织中的铁素体由少量多边形铁素体和大量准多边形铁素体组成，铁素体平均晶粒尺寸约为5.6 μm，含量约为71.5%.A钢中的贝氏体主要由粒状贝氏体和针状铁素体构成.A钢的精细结构见图3，通过透射电镜观察，A钢中的铁素体晶粒细小，部分铁素体晶粒内部具有高密度位错，而贝氏体精细组织大部分呈板条状，板条贝氏体上位错密度较高.

图3　A钢组织的精细结构（TEM）

B钢中Si含量较高，Si是非碳化物形成元素［11］，其含量的增加扩大了两相区范围.奥氏体向铁素体转变时，Si促进了铁素体中的C元素向奥氏体内部扩散，加速了铁素体相变，有利于增加组织中铁素体的含量.由图2和表2可知，相比于A钢，B钢中铁素体含量明显增加，铁素体平均晶粒尺寸增大，由5.6 μm增加到6.3 μm，组织中等轴铁素体的含量增加.

与A钢相比，C钢中Nb的含量增加，而在高温区域内Nb元素固溶于奥氏体基体中，能够抑制奥氏体晶粒的长大［12］，细化原始奥氏体晶粒并最终达到细化铁素体晶粒的作用；同时，Nb元素的添加能够提高钢的未再结晶温度，使钢在热连轧精轧机组的后部机架处于未再结晶区，增加应变积累，提高奥氏体向铁素体转变驱动力，细化钢板组织；此外，Nb与碳和氮元素形成的碳氮化物析出能够提高铁素体基体强度.由图2和表2可知，C钢中铁素体含量比A钢略有增加，铁素体的平均晶粒尺寸降低明显，由5.6 μm降低到5.1 μm.

图4为透射电镜观察到的C钢中的析出物，能谱分析显示为Nb的碳氮化物，析出物呈圆形和椭圆形，尺寸约为30 nm，主要分布于铁素体基体上，这些Nb的碳氮化物析出对铁素体基体的强度提高具有较大作用，有利于钢板的强度和扩孔性能的提高.

图4　C钢中析出物（a）及能谱分析（b）

2.2 Si和Nb对钢板力学性能的影响

试验钢卷取后空冷至室温，钢板的力学性能检测结果见表3，拉伸试样采用纵向试样.由表3可知，3种试验钢的力学性能良好，钢板的抗拉强度高于610 MPa，屈服强度达到520 MPa以上，伸长率高于24.5%.由于Si是铁素体强化元素，其固溶于铁素体基体中大大提高了铁素体基体的强度，同时，Si的加入提高了钢板组织中软相铁素体的含量，尤其是等轴铁素体的含量增加较多，最终使B钢的屈服强度高于A钢，抗拉强度变化不大，伸长率得到较大程度的提高.C钢与B钢相比，钢板的强度提高30 MPa，伸长率变化不大，这主要是由Nb含量的增加所致，Nb元素的细晶强化和析出强化作用明显.

表3　试验钢的力学性能

2.3 Si和Nb对钢板扩孔性能的影响

钢板的扩孔性能可以由扩孔率的大小来反映，表4为试验钢各相显微硬度及扩孔率的检测结果，其中各相硬度为维氏硬度.

表4　各相显微硬度和扩孔率

经过学者的大量研究［13-15］，普遍认为钢板的扩孔性能影响因素主要有3方面:1）组织因素的影响；2）合金元素的影响；3）非金属夹杂物的影响.对于A钢，组织中铁素体和贝氏体两相硬度相差88，扩孔率达到104%.与A钢相比，B钢中Si含量增加，Si元素通过固溶强化作用提高了铁素体基体强度，缩小了铁素体与贝氏体的强度差，而强度差的减小有利于提高钢板在塑性变形过程中两相协调变形能力，最终改善钢板的扩孔性能，由表4可知，B钢两相硬度差为67，扩孔率达到119%.而C钢与A钢相比，成分中Nb含量增加，Nb元素对于扩孔性能的影响主要有2个方面，一是Nb的增加细化了钢板的组织，增加了组织中的晶界数量，钢板开裂时位错滑移贯穿晶界需要克服的晶界能增加，使开裂难度增加，有利于扩孔率的提高；另一方面，铁素体基体上的细小碳氮化物通过析出强化提高了铁素体基体强度，缩小了铁素体与贝氏体两相的强度差，从而提高了钢板的扩孔性能，最终C钢的扩孔率达到114%.

试样在扩孔过程中孔缘处变形量最大，其主要受切向拉应力和径向拉应力的拉伸作用，随着扩孔实验的进行，孔缘处最先发生塑性变形，当变形到一定程度时，孔缘上表面（未与凸模接触的面）最先发生开裂，其开裂方向为最大宏观切应力方向，即沿与主应力方向成45°角的方向进行开裂，见图5（a），此结论与王斌等人的研究结果一致［16］.

图5　试验钢扩孔后宏观和微观形貌

在变形过程中，试验钢组织中软相铁素体最先发生塑性变形，铁素体晶粒被拉长，随着变形的进行，硬相贝氏体也发生一定程度的塑性变形，但由于两相强度不同，变形程度不同，当变形量达到一定程度时，会在铁素体和贝氏体两相晶界间产生孔洞.同时，在变形过程中，若组织中存在较大的非金属夹杂物，也会与基体分离产生微观孔洞.随着变形量的进一步增大，微观孔洞互相连接形成裂纹导致试样的断裂.从图5（b）可以看出，A钢裂纹主要沿铁素体和贝氏体的晶界处扩展，少量裂纹穿过铁素体晶粒.与A钢相比，B钢和C钢中由于Si和Nb元素的增加，缩小了铁素体和贝氏体强度差，提高了钢板的扩孔率，因此，在扩孔过程中，B钢和C钢中开裂区显微组织变形程度增加，但其裂纹扩展方式与A钢基本相同，裂纹主要沿铁素体和贝氏体的晶界处扩展，图5（c）为观察到的B钢裂纹尖端显微形貌.

3　结 论

1）通过CSP生产线工业热轧试制，获得的3种成分热轧高扩孔钢的显微组织主要由铁素体和贝氏体组成，钢板的抗拉强度均高于600 MPa，伸长率大于24.5%，扩孔率高于104%.

2）Si含量的增加，提高了B钢组织中铁素体的含量，尤其是等轴铁素体含量增加明显.与A钢相比，B钢的屈服强度增加22，伸长率增加2%，扩孔率由104%提高到111%，

3）Nb含量的增加，除细化了钢板的组织外，其析出强化提高了基体组织的强度，缩小了铁素体与贝氏体强度差.与A钢相比，C钢屈服强度和抗拉强度各提高了35和30 MPa，伸长率降低0.5%，扩孔率由104%提高到109%，

4）在扩孔过程中，裂纹主要沿铁素体和贝氏体的晶界处扩展，部分裂纹穿过铁素体晶粒.

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（编辑 吕雪梅）

中图分类号：TG142.1

文献标志码：A

文章编号：1005-0299（2016）02-0053-05

doi:10.11951/j.issn.1005-0299.20160206

收稿日期：2015-07-01.

作者简介：董 毅（1981—），男，博士.

通信作者：董 毅，dongyiwv@163.com.

Effects of Si and Nb on the microstructure and properties of high strength hot-rolled steel with high hole expansion ratio

DONG Yi，HAN Bin，SHI Xiaoguang，ZHANG Yu，SUN Chengqian

（Technology Centre，Angang Steel Co.Ltd，Anshan 114001，China）

Abstract:The hot-rolled test of the three tested steels with different chemical composition had been done on the CSP rolling line for studying the effects of Si and Nb on the microstructure，mechanical properties and stretch-flangeability of hot rolled high hole-expansion steel.The crack formation and propagation behavior of the tested steels was analyzed.The results showed that the three-component hot-rolled steels were composed of ferrite and bainite.The tensile strength of the steels was higher than 610 MPa，elongation was more than 24.5%，and the hole expansion ratio was higher than 104%.With the increase of Si，the volume fraction of ferrite increased，the strength，elongation and hole expansion ratio of the steels were improved.With the increase of Nb，the microstructure of the steel was refined，the strength and the hole expansion ratio increased significantly，and the elongation changed slightly.Cracks mainly propagated along the grain boundary of ferrite and bainite，but some cracks propagated through the ferrite grain.

Keywords:ferrite and bainite；stretch-flangeability；alloying element；microstructure and properies；cooling process；precipitation