硼元素对无间隙原子钢微观组织及成形性能的影响

金 磊,尉 冬,关建东

(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)

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100 kg，每百公里燃油消耗下降0.3～0.5 L，二氧化碳排放减少8～11 g[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0.7 mm(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0.000 2%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。

表1 热处理后含硼IF钢和无硼IF钢的化学成分分析结果 %

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20 μm，晶粒度等级为8级；无硼IF钢的平均晶粒尺寸为22 μm，晶粒度等级为8级。

图1 含硼IF钢和无硼IF钢的显微组织形貌

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17 μm，晶粒度等级为8.5级；无硼IF钢成品的平均晶粒尺寸为21 μm，晶粒度等级为8级。

图2 含硼IF钢成品和无硼IF钢成品的显微组织形貌

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，无硼IF钢中{111}织构组分增加了7%，{112}织构组分增加了5%，含硼IF钢的晶粒尺寸为17.317 μm，无硼IF钢的晶粒尺寸为21.21 μm，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。

图3 含硼IF钢成品和无硼IF钢成品的EBSD分析结果

表2 含硼IF钢与无硼IF钢织构含量的计算结果

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。

表3 含硼IF钢成品和无硼IF钢成品的力学性能测试结果

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/T 15825.8—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。

图4 FLD试验过程示意

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。

表4 含硼IF钢和无硼IF钢的典型力学性能

图5 含硼IF钢和无硼IF钢的FLC

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。