Ti含量对IF钢再结晶温度及力学性能的影响

，12，丁桦12

(1. 东北大学 材料科学与工程学院， 辽宁 沈阳 110819； 2. 东北大学 辽宁省轻量化用关键金属结构材料重点实验室， 辽宁 沈阳 110819)

IF钢(Interstitial-free steel)的C含量(质量分数)为0.002%～0.006%，并可添加微量Ti或Nb。根据Ti和Nb含量，可分为Ti-IF钢、Nb-IF钢和Ti+Nb-IF钢。IF钢中的Ti、Nb与C、N结合形成碳氮化物，会降低C、N固溶量，使基体呈无间隙原子状态，原子间的结合力显著下降，因此深冲性能优异，塑性应变比(r值)可达2.0以上，被称为超深冲钢[1-2]，主要应用于汽车冲压板行业和镀锡薄板行业[3-4]。

在实际生产中，随着罩式退火温度的升高，IF钢钢卷边部容易产生氧化色缺陷。研究表明，退火过程中钢卷边部之所以出现色差，是因为高温有利于Mn的扩散，导致Mn在表面富集并形成颗粒状聚集物[5-6]。本文研究了Ti含量的变化对IF钢再结晶温度的影响，并研究了不同Ti含量IF钢在不同退火温度下的性能变化规律，为在满足性能需求的前提下降低IF钢的退火温度从而降低氧化色缺陷提供依据。

1 试验材料及方法

设计了两种不同Ti含量的IF钢，化学成分如表1所示。

试验钢热轧坯料尺寸为30 mm×100 mm×120 mm，将坯料加热至1200 ℃保温1 h后进行热轧，开轧温度为1150 ℃，终轧温度为930 ℃，经7道次轧至3.0 mm，热轧总压下率90%，随后通过层流冷却将钢板冷却至

表1 IF钢的化学成分(质量分数，%)

680 ℃，用石棉毡包裹模拟卷取。热轧板酸洗后进行冷轧，经多道次轧至0.3 mm，冷轧总压下率为90%。为了测量再结晶温度，冷轧板在580、600、620、640、660和680 ℃保温1 h后空冷保留组织，根据再结晶温度测量结果，制定合理的退火工艺。

图1 1号钢冷轧后经不同温度保温1 h后的微观组织Fig.1 Microstructure of the cold-rolled No.1 steel held at different temperatures for 1 h(a) 580 ℃; (b) 600 ℃; (c) 620 ℃; (d) 640 ℃; (e) 660 ℃; (f) 680 ℃

采用MH-5L型显微维氏硬度计测试试验钢的硬度，载荷砝码300 g，保载时间5 s，每个试样测量5个硬度值，取平均值。按照GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》、GB/T 5027—2016《金属材料 薄板和薄带 塑性应变比(r值)的测定》和GB/T 5028—2008《金属材料 薄板和薄板 拉伸应变硬化指数(n值)的测定》，采用AG-XPLUS100KN电子万能试验机测试试验钢经630、660 ℃保温10 h后的屈服强度、抗拉强度、伸长率、n值和r值，设置的参数为：拉伸力10 t，拉伸速率3 mm/min，轴向引伸计标距50 mm和宽度规格12.5 mm。每组试样拉伸3次，取平均值。

采用JXA-8530F场发射扫描电镜(SEM)在低倍下观察试验钢在不同加热温度下保温1 h后的微观组织形貌。采用FEI G20透射电镜(TEM)在高倍下观察试验钢再结晶过程中的析出物形貌。

2 试验结果及分析

2.1 微观组织

在不同加热温度下保温1 h后，冷轧试验钢的微观组织如图1和图2所示。由图1可知，当加热温度为580 ℃时，1号钢只发生了回复。随着温度的进一步升高，在600 ℃时，试验钢的组织发生了变化，在冷轧变形组织中零星地分布着再结晶初始晶粒，这主要是由于在变形储存能高的区域，其再结晶驱动力大，会优先发生再结晶形核，此时处于再结晶初期阶段。当加热温度为620 ℃时，试验钢的组织发生明显的改变，再结晶晶粒大量形核，部分再结晶晶粒发生了长大，只有少量的冷轧变形组织未发生再结晶。随着温度的继续升高，在640 ℃时，试验钢的再结晶程度进一步提高，全部转变为等轴的再结晶晶粒，此时再结晶已完成。当加热温度为660 ℃和680 ℃时，试验钢的再结晶组织未发生明显改变，晶粒尺寸略有增大。

图2 2号钢冷轧后经不同温度保温1 h后的微观组织Fig.2 Microstructure of the cold-rolled No.2 steel held at different temperatures for 1 h(a) 580 ℃; (b) 600 ℃; (c) 620 ℃; (d) 640 ℃; (e) 660 ℃; (f) 680 ℃

由图2可知，2号钢经580 ℃和600 ℃热处理后的组织只发生回复。经620 ℃热处理后，2号钢的冷轧变形组织中出现少量的再结晶初始晶粒。在640 ℃时，2号钢的组织发生显著的变化，出现大量再结晶晶粒，但是仍然存在变形组织。在660 ℃时，2号钢的再结晶体积分数进一步升高，全部转变为再结晶组织，此时再结晶已完成。在680 ℃时，2号钢的晶粒尺寸略有增大。

随着加热温度的升高，两种试验钢的微观组织演变过程基本一致，均经历回复、再结晶和晶粒长大3个阶段，冷轧变形组织逐渐转变为无畸变的等轴再结晶晶粒。但是，两者的再结晶开始温度明显不同，1号钢是低Ti含量IF钢，在600～620 ℃即已出现大量的再结晶晶粒，而2号钢是高Ti含量IF钢，在620～640 ℃才开始发生再结晶，表明随着Ti含量的降低，IF钢发生再结晶的温度明显下降。

2.2 再结晶温度的测量

采用硬度法测量再结晶温度，在硬度-加热温度曲线上，从初始硬度到完全再结晶时的硬度变化量称为100%软化，一般情况下，软化50%对应的温度被确定为再结晶温度[7]。试验钢在不同温度下保温1 h后的维氏硬度变化曲线如图3所示。

图3 试验钢的硬度-加热温度曲线Fig.3 Hardness-heating temperature curves of the tested steels

由图3可知，对于1号钢，当加热温度从580 ℃升至600 ℃时，试样的硬度值从182 HV0.3缓慢降至170 HV0.3，此时试样处于回复阶段，主要发生点缺陷消除、位错湮灭和重新排列，释放少量的变形储存能，因此随着温度的升高，硬度缓慢下降。当加热温度从600 ℃升至640 ℃时，试样的硬度值从170 HV0.3快速降至96 HV0.3，这一阶段试样发生再结晶，再结晶晶粒大量形核且再结晶体积分数逐渐增大，直至全部转变为再结晶组织，位错密度显著降低，释放大量的变形储存能，所以随着加热温度的升高，硬度急剧下降。当加热温度从640 ℃升至680 ℃时，试样的硬度值从96 HV0.3缓慢降至86 HV0.3，此阶段试样的再结晶已全部完成，组织的变化不明显，因此随着加热温度的升高，硬度下降趋缓。同理，2号钢的加热温度低于620 ℃时，硬度由580 ℃时176 HV0.3缓慢降至620 ℃时的154 HV0.3，此时试样发生回复；当加热温度从620 ℃升至660 ℃时，硬度由154 HV0.3迅速降至86 HV0.3，试样处于再结晶阶段；当加热温度高于660 ℃时，硬度由660 ℃时的86 HV0.3缓慢降至680 ℃时的83 HV0.3，此时试样完成再结晶，仅发生晶粒长大。因此，按照软化50%对应的温度为再结晶温度，1号钢和2号钢的再结晶温度分别约为610 ℃和630 ℃。

随着加热温度的升高，试验钢的硬度经历缓慢下降、快速下降和再次缓慢下降，分别对应于组织变化过程的回复、再结晶和晶粒长大3个阶段，硬度法测量结果与组织变化规律吻合良好。

2.3 含Ti析出物

为进一步探究Ti含量对再结晶温度的影响机理，采用透射电镜(TEM)观察试验钢经620 ℃保温1 h后再结晶过程中的析出物，如图4所示。

图4 试验钢经620 ℃保温1 h后析出物的形貌(a)1号钢;(b)2号钢Fig.4 Morphologies of precipitates in the tested steels after holding at 620 ℃ for 1 h(a) No.1 steel; (b) No.2 steel

由图4(a)可见，1号钢的晶界以及晶界两侧稀疏均匀地分布着纳米级析出物，经衍射斑点标定，析出物为TiC，呈球状，尺寸细小，且体积分数较低。由图4(b)可知，2号钢的TiC析出物同样均匀地分布于晶界以及晶界两侧的晶粒中，呈球状，但是析出物分布更密集，尺寸较为粗大，并且体积分数更高。研究表明，IF钢中的Ti主要以析出物的形式存在，类型为TiN、TiS、Ti2C2S2和TiC，且析出物的数量和程度取决于Ti含量的高低[8]。在退火过程中，当钢中存在析出物时，它们将会钉扎基体晶界，阻碍再结晶的发生，钉扎力如式(1)所示[9]：

FP=6γfI/(πd2)

(1)

式中：γ为基体的界面能；I为亚晶尺寸；f为第二相的体积分数；d为第二相的平均直径。

根据图4可知，1号钢的含Ti析出物明显比2号钢更加细小和稀疏，并且体积分数更小，结合式(1)可得，1号钢的钉扎力小于2号钢，所以在退火过程中1号钢更容易发生晶界迁移，在相对较低的温度下退火时即可发生再结晶，因此再结晶温度较低。

2.4 退火后的力学性能

根据以上研究结果，对两种试验钢进行了退火试验。为保证在退火过程中充分发生再结晶，1号钢的退火温度取630 ℃，2号钢的退火温度取660 ℃，保温时间均为10 h。两试验钢经拉伸试验后，试验钢退火板的屈服强度、抗拉强度、伸长率、n值和r值如表2所示。由表2可知，完全再结晶退火后，1号钢和2号钢的屈服强度相当，与2号钢相比，1号钢的抗拉强度降低了13 MPa，伸长率无明显差异。1号钢和2号钢的n值大致相同， 1号钢的r值比2号钢提高了0.15，深冲性能更加优越。性能对比结果表明，1号钢在630 ℃退火时，其力学性能不逊色于2号钢在660 ℃退火的性能，且深冲性能还有所提高。因此，对Ti含量较低的IF钢，降低退火温度后，不会导致深冲性能的降低。

3 结论

1) 随着IF钢中Ti含量的降低，纳米级含Ti析出物的尺寸减小，分布稀疏且体积分数减小，钉扎作用减弱，再结晶温度降低。Ti含量(质量分数)从 0.078%降至0.034%，IF钢的再结晶温度降低20 ℃。

2) 含较低Ti含量的IF钢在低温退火后，力学性能未降低。Ti含量为0.034%的IF钢经630 ℃退火保温10 h后，屈服强度为198 MPa，抗拉强度为312 MPa，伸长率为36.78%，n值为0.25，r值为2.42，符合超深冲钢的性能要求。