累积叠轧焊工艺改善普碳钢材料性能特征

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2005.0M.015 第27卷第4期 北京科技大学学报 Vol.27 No.4 2005年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2005 累积叠轧焊工艺改善普碳钢材料性能特征 许荣昌》唐获》任学平》温永红》王小红”王耀奇) I)北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，北京1000832)北京航空制造工程研究所，北京100024 摘要在普通热轧机上利用累积叠轧焊工艺对普碳钢Q235进行了实验研究，重点研究了 压下量（最大压下量98%）、循环轧制次数等工艺参数对Q235钢组织及性能的影响规律.结果 表明：在普通热轧机上应用累积叠轧焊工艺对同种材料进行焊合，不仅可以获得连续、均匀 的结合组织，而且使Q235钢的组织得到明显的细化，夹杂物分布更加均匀，材料的强度大幅 度提高，抗拉强度达8O0MPa以上. 关键词普碳钢：累积叠轧焊：组织细化：性能特征 分类号TG142.1 累积叠轧焊(ARB)是将表面进行脱脂、加工 于它不需加入任何强化元素，因而其可回收性 硬化等处理后的尺寸相等的两块金属薄板材料 强，是比较典型的环保型钢种.挖掘材料的性能 在一定温度下叠轧并使其自动焊合，然后重复进 潜力，提高材料的性能和使用寿命，对于节约资 行相同的工艺反复叠片、轧制焊合，从而使材料 源、保护环境十分重要).因此本研究在原有工 的组织得到细化，夹杂物均匀分布，大幅度提高 艺的基础上，结合中国的实际情况探索了ARB 材料的力学性能，由于累积叠轧焊工艺在理论上 工艺对普碳钢Q235的组织演变与力学性能的影 能获得比较大的压下量，突破了传统轧制压下量 响规律，分析了规律形成的内在机理. 的限制，并可连续制备薄板类的超细晶金属材 料，所以ARB被认为是大应力变形工艺中惟一 1实验 有希望能工业化生产大块超细晶金属材料的方 法.ARB工艺属于强烈塑性变形(SPD)方法中 实验材料为首钢生产的工业用Q235连铸方 的一种，日本研究者利用此工艺对铜、铝、铝合 坯(120mm×120mm).首先在热轧机上轧制成5 金、F钢等金属材料进行了研究，并取得了积极 mm厚的钢板并空冷，取试样尺寸500mm×100 的效果，获得了200nm超细晶铝合金金属和500 mm×5mm作为原始态，化学成分为（质量分数， nm的超细晶低碳钢(F钢). %):C,0.16;Mn,0.62;Si,0.23:P,0.017:S,0.020. Q235钢是目前我国应用比较普遍的钢种，由 ARB工艺过程啊如图1所示. 表面处理 结合 加热 循环 切分 图1ARB工艺过程示意图 Fig.I Schematic illustration showing the process of accumulative roll-bonding 收稿日期：2004-06-27修回日期：2004-12-10 基金项目：国家自然科学基金资助项目No.50375019) 作者简介：许荣昌(1972-一)，男，博士研究生

第 2 7卷 第 4 期 2 0 0 5 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f U n iv e rs iyt o f s e i e n c e a n d l飞c h n o】o yg B e ij in g Vb】 . 2 7 N O 一 4 A u g . 2 0 5 累积叠轧焊工艺改善普碳钢材料性能特征 许荣 昌 ” 唐 获 ” 任 学平 ” 温 永红 ` , 王 小 红 ” 王 耀 奇 ” 1)北京科 技大 学高 效轧制 国家 工 程研 究 中心 , 北京 10 00 83 2 )北京航 空制 造工 程研究 所 , 北京 10 0 24 摘 要 在普 通热 轧机 上利 用累积 叠 轧焊 工 艺 对普碳 钢 Q 2 35 进 行 了实验 研 究 , 重 点研究 了 压下量 ( 最大压 下 量 98 % ) 、 循环 轧制 次数 等工 艺参数 对 Q2 35 钢 组织及 性 能的 影响规 律 . 结 果 表 明 : 在普 通热 轧机 上应用 累积 叠 轧焊 工艺对 同种 材料 进行 焊合 , 不 仅可 以获得 连续 、 均 匀 的结合 组织 , 而且 使 Q2 35 钢 的组 织得 到 明显 的细 化 , 夹杂物 分布 更加 均匀 , 材料 的 强度大 幅 度 提高 , 抗拉 强度 达 8 0 M P a 以上 . 关键词 普碳钢 ; 累积 叠 轧焊 ; 组织 细化 : 性能特 征 分类号 T G 14 2 . 1 累积 叠轧 焊 (A RB ) 是 将 表面 进行 脱 脂 、 加 工 硬 化 等 处 理后 的尺 寸 相等 的两 块 金 属薄 板 材 料 在一 定温度 下 叠轧 并使其 自动焊 合 , 然后 重复 进 行 相 同 的工 艺 反复 叠 片 、 轧 制焊 合 , 从 而使 材 料 的组 织得 到 细化 , 夹 杂物 均 匀分 布 , 大 幅度 提 高 材 料 的力 学性 能 . 由于 累积 叠轧 焊工 艺在 理论 上 能获得 比较大 的压 下量 , 突破 了传统 轧制 压下 量 的 限制 , 并 可连 续 制 备 薄板 类 的超 细 晶金 属 材 料 , 所 以 A R B 被 认 为是 大应 力 变 形工 艺 中惟 一 有希 望 能 工业 化 生 产 大块 超 细 晶金 属材 料 的方 法 〔, 3 . A R B 工 艺 属于 强 烈 塑性 变形 ( S PD ) 方法 中 的一 种 , 日本研 究者 利用 此 工 艺对 铜 、 铝 、 铝 合 金 、 IF 钢 等 金 属材 料进 行 了研 究 , 并取 得 了积 极 的效 果 , 获 得 了 2 0 0 ln 超 细 晶铝 合 金金 属 和 5 0 utn 的超 细 晶低 碳钢 (IF 钢 尸 . Q2 3 5 钢 是 目前我 国应 用 比较 普遍 的钢种 , 由 于 它 不 需加 入 任 何 强化 元 素 , 因而 其 可 回 收性 强 , 是 比 较典 型 的环 保 型钢 种 . 挖掘 材料 的 性 能 潜 力 , 提 高材 料 的性 能 和 使用 寿命 , 对于 节 约 资 源 、 保 护环 境 十分 重 要 『3] . 因 此本 研 究在 原 有 工 艺 的基 础 上 , 结 合 中国 的实 际情 况 探 索 了 A卫B 工 艺对 普 碳钢 Q2 35 的组 织演 变 与力 学性 能 的 影 响 规律 , 分析 了规律 形成 的 内在机理 . 1 实验 实验 材 料 为首 钢 生产 的工 业用 Q2 35 连 铸方 坯 ( 120 ~ x l2 0 ~ ) , 首 先在 热 轧机 上 轧制 成 5 m 幻。 厚 的钢板 并 空冷 , 取试 样 尺 寸 5 0 r n l ll x l0 0 m 们n x s ~ 作 为 原始 态 , 化 学 成分 为 ( 质量 分 数 , % ) : C , 0 . 16 : M n , 0 . 62 : 5 1 , 0 . 2 3 ; P , 0 . 0 17 ; S , 0 . 0 2 0 . A R B 工 艺过 程 14 如 图 1 所 示 . 表面处理 「 - - 甲 , 二二 二二二二二二二二二 厂一一一一一一二 一 】 结合 卜二二一 {二一州 循环 图 1 A R B 工 艺过 程示惫 图 F i g · 1 S c 卜e m a ict 川 u s t ar it o . s h o 初 n g 伍 e P or c e s s o f a c e u m u la 咖 e or 卜 b o n d in g 收稿 日期 : 2 0 0 4刁 6 - 2 7 修 回 日期 : 2 0 0 -4 12 一 10 基 金项 目 : 国家 自然科 学基金 资助项 目 N( 。 5 0 3 7 5 01 9) 作者 简介 : 许 荣 昌 ( 19 72 一 ) , 男 , 博士 研 究 生 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 04. 015

Vol.27 No.4 许荣昌等：累积叠轧焊工艺改善普碳钢材料性能特征 449 将材料表面经过酸洗30min去除表面的氧 过超低温大变形强加工后，强度可以大大提高， 化铁皮，清水漂洗l0min去除表面残留的酸液， 而延伸率却降低. 然后用丙酮脱脂、应用不锈钢刷将材料表面硬化 经过累积叠轧后普碳钢材料的拉伸实验表 处理后叠合在一起，叠片周围密封防止加热时内 明，随着叠轧次数的增加，拉伸试样逐步由韧性 表面二次氧化，加热至530℃并保温30min,在北 断裂转向脆性断裂，加工硬化现象消失，从叠轧 京科技大学的强力轧机上进行轧制，一次压下率 第4道以后这种趋势已经比较明显，这是因为材 为50%，300℃退火，保温60min后将材料均分成 料未经再结晶，晶粒处于拉长破碎状态（见图4）. 两半.重复以上步骤，循环轧制6次，每次留取分 另一方面，经过夹杂物分析表明，随着叠轧次数 析试样.试样经过机械抛光用3%的硝酸酒精溶 的增加夹杂物的数量特别是氧化物夹杂数量增 液侵蚀显现组织，然后使用NEOPHOT21大型光 加，这也是导致材料韧性降低的原因之一. 学显微镜观察材料的金相组织，应用Cambridge 另外，随着ARB工艺道次增加，材料的弹性 S250MK2型扫描电子显微镜(SEM)与H-800透 模量出现降低的趋势，对于普通材料来说的弹性 射电镜(TEM)观察材料的微观组织.应用300kN 模量是原子结合力的表现，材料晶体受到应力以 微机控制电子万能力学实验机在室温下对材料 后，原子因受力偏离平衡位置，当原子间的作用 进力学性能测试， 力与晶体受到的应力平衡时晶体是弹性应变状 态，弹性模量低的材料原子结合力相对比较低向. 2结果与分析 ARB工艺叠轧次数n与材料层数N的关系可简单 表示为N=2n,当-6时N=64,当m=10时N=1024.材 2.1力学性能 料的厚度为5mm,经过ARB10次以后，材料的 实验用Q235母材抗拉强度.为385MPa,屈 服强度a,为255MPa,延伸率29%.经过ARB工艺 层厚仅为4.88μm,达到细晶钢晶粒的尺度m.但 6次叠轧以后材料的平均抗拉强度达到了797.5 是晶粒的变化是不规则的，所以材料经过ARB MPa,最低770MPa,最高840MPa,如图2所示.屈 工艺以后弹性模量的降低是由于材料层数增加 服强度a,最高达到750MPa,是母材的2.94倍.经 的结果：同时ARB工艺固有的界面人为处理，夹 过第1道叠轧材料的强度急剧升高至780MPa, 杂物的出现亦不可避免，在二者的共同作用下， 是母材的2.03倍：随着叠轧次数的增加材料的抗 材料表现出弹性模量降低.弹性模量降低的机理 拉强度增加，第5道叠轧时达到最大值，抗拉强 还需进一步的实验验证. 度达到840MPa,是母材(385MPa)的2.18倍：继续 2.2微观组织 叠轧强度反而下降.这是由于随着叠轧次数的增 光学和SEM显微组织（见图3和图4）表明， 加，氧化物夹杂物增加，结合面缺陷增加，从而降 材料的晶粒尺寸随着轧制次数的增加而明显变 低了材料的强度，但是，随着叠轧道次的增加材 小，母材的平均晶粒尺寸16μm,第2道轧制后平 料出现无屈服断裂的情况，延伸率呈下降趋势， 均品粒尺寸3m,第4道轧制后平均晶粒尺寸1 叠轧6次以后延伸率降低到7%.这是说明材料经 m,第6道轧制后平均晶粒尺寸0.7μm,光学组 织和SEM组织是一致的.轧向组织（图4(a),(b)和 30 抗拉强度 横断面组织（图4（©）可以看出，材料经过低温大 800 25 压下量轧制以后晶粒被拉长，并有部分破碎.另 700 20 到 外，可以看出，随着累积变形量的增加，铁素体体 积分数增加，晶粒更加细小. 15 600 由于经过多次叠轧焊，累积压下量比较大，层 延伸率 10 数较多(6次ARB为64层)，所以金属表面的氧化 500 5 膜以及内生原有夹杂物在强烈塑性变形的情况 4 下破碎，并且在产品机体内分布均匀，这在扫描 叠轧次数 图2叠轧次数与抗拉强度的关系曲线 电镜下可以清楚地看到（如图5所示），分析表明， Fig.2 Changes in mechanical properties of Q235 with the number 粒子主要是氧化物、氮化物、碳化物等材料带入 of cycles 的夹杂物，以及在加工过程中新带入的氧化铁夹

V匕】 . 2 7 N 0 . 4 许荣 昌等 : 累积 皿轧焊 工 艺 改善普 碳 钢材 料性 能特 征 一 4 4 9 - 将材 料 表 面 经过 酸 洗 30 m in 去 除 表 面 的氧 化 铁皮 , 清水 漂 洗 10 m in 去除 表 面残 留的 酸 液 , 然 后用 丙酮 脱脂 、 应用 不锈 钢 刷将 材 料表 面 硬化 处理 后叠 合在 一 起 , 叠 片周 围密封 防止 加 热 时 内 表面 二 次氧 化 , 加 热至 5 30 ℃ 并 保 温 30 m in , 在 北 京科 技大 学 的强 力轧 机 上进 行 轧制 , 一 次压 下率 为 5 0% , 30 0 ℃ 退火 ,保温 60 m in 后 将 材 料均 分 成 两半 . 重 复 以上 步骤 , 循环 轧 制 6 次 , 每 次 留取 分 析试样 . 试样 经 过机 械 抛 光 用 3 % 的硝 酸酒 精 溶 液 侵蚀 显 现 组 织 , 然 后 使用 N E O P H O T ZI 大 型 光 学显 微镜 观 察 材料 的金 相组 织 , 应 用 C am ibr 鲍 e 5 2 5 0 M K2 型 扫描 电子 显微 镜 (S EM ) 与 H 一 8 00 透 射 电镜 ( T E M )观 察材料 的微 观 组织 . 应 用 3 0 kN 微 机 控制 电子 万 能力 学 实 验 机 在 室温 下对 材 料 进 力学 性 能测 试 . 2 结果 与分析 .2 1 力 学性 能 实 验 用 Q2 35 母材 抗 拉 强度 饥 为 38 5 M p a, 屈 服 强度 氏 为 2 5 M P a , 延伸 率 29 % . 经 过 A 丑B 工 艺 6 次 叠轧 以后材 料 的平 均 抗 拉 强度 达 到 了 797 , 5 M P a , 最 低 7 70 M P a , 最 高 8 4 0 M P a , 如 图 2 所 示 . 屈 服 强度 仇 最 高达 到 7 50 M P a , 是 母 材 的 .2 94 倍 . 经 过第 1 道 叠轧 材 料 的 强度 急 剧 升 高至 7 80 M P a , 是母 材 的 .2 03 倍 : 随着 叠轧 次数 的增加 材 料 的抗 拉 强 度增 加 , 第 5 道 叠 轧 时 达 到最 大 值 , 抗 拉 强 度 达 到 8 40 M P a , 是母 材 ( 3 8 5 M P a) 的 2 . 18 倍 ; 继 续 叠 轧 强度 反而 下 降 . 这 是 由于 随着 叠 轧 次数 的增 加 , 氧 化物 夹杂 物 增加 , 结合 面缺 陷增 加 , 从 而 降 低 了材 料 的 强度 . 但 是 , 随着 叠 轧道 次 的增加 材 料 出现 无 屈服 断 裂 的情 况 , 延 伸率 呈 下 降趋 势 , 叠轧 6 次 以后 延伸 率 降低 到 7% . 这 是 说 明材料 经 250巧310 抗拉强度 并母芝艘 延伸率 58076 川芝考ó ~ L 二 J S 0 2 4 6 叠 轧次数 图 2 亚 轧 次数 与抗拉 强度 的关 系 曲线 iF g . 2 C h a n g e s i n m e c h a n ic a l p 功P e川 e , o f Q 2 3 5 w it h th e n u m b e r o f e y e l e s 过 超低 温 大 变形 强 加 工后 , 强 度可 以大大 提 高 , 而延 伸 率 却 降低 . 经 过 累 积 叠 轧 后普 碳 钢 材 料 的 拉伸 实 验表 明 , 随着叠 轧 次数 的增 加 , 拉伸 试 样 逐步 由韧 性 断裂 转 向脆性 断裂 , 加 工 硬 化现 象 消 失 , 从 叠 轧 第 4 道 以后 这 种趋 势 已经 比 较 明显 , 这是 因 为材 料 未 经 再 结 晶 , 晶粒 处 于拉 长破 碎 状 态 (见 图 4) . 另一 方 面 , 经 过 夹杂 物 分 析表 明 , 随着叠 轧 次数 的增 加 夹 杂 物 的 数量 特 别是 氧 化 物 夹 杂数 量 增 加 , 这 也 是导 致材 料 韧 性 降低 的 原 因之 一仁5〕 . 另 外 , 随着 A R B 工 艺道 次 增加 , 材 料 的 弹性 模 量 出现 降低 的趋 势 . 对 于普 通材 料 来说 的弹 性 模 量是 原 子结 合力 的表现 , 材料 晶体受 到应 力 以 后 , 原子 因受 力偏 离 平衡 位 置 , 当原 子 间 的作用 力 与 晶 体 受到 的应 力 平 衡 时 晶体 是 弹 性 应 变状 态 , 弹性 模量 低 的材料 原子 结合 力相对 比 较低 `6] . A R B 工艺 叠 轧 次数 n 与材 料 层 数N 的 关系 可 简单 表 示 为刀二 Z n , 当 n = 6 时刀三 6 4 , 当 n 二 10 时刀汪 102 4 . 材 料 的厚度 为 5 m m , 经 过 A R B 10 次 以后 , 材料 的 层 厚 仅 为 .4 8 卜m , 达 到细 晶钢 晶粒 的尺度 口] 、 但 是 晶粒 的变 化 是不 规 则 的 , 所 以材 料 经过 A R B 工 艺 以 后 弹 性模 量 的 降低 是 由于材 料 层 数 增 加 的 结果 ; 同时 A R B 工 艺 固有 的界面 人 为 处理 , 夹 杂物 的 出现 亦 不 可 避免 , 在 二 者 的共 同作 用 下 , 材 料 表现 出弹性 模量 降低 . 弹性 模量 降低 的机理 还 需进 一步 的实验验 证 . .2 2 微 观 组织 光 学和 S E M 显 微组 织 ( 见 图 3 和 图 4) 表 明 , 材 料 的 晶 粒 尺 寸 随着 轧 制 次 数 的增 加 而 明显 变 小 , 母 材 的平 均 晶粒 尺 寸 16 林m , 第 2 道 轧制 后平 均 晶粒 尺 寸 3 林m , 第 4 道 轧制 后 平均 晶粒尺 寸 1 娜 , 第 6 道 轧 制 后平 均 晶粒 尺 寸 .0 7 卿 , 光 学组 织 和 S EM 组 织 是一 致 的 . 轧 向组织 ( 图 4( a), 伪 ))和 横 断 面组 织 (图 4( c) )可 以看 出 , 材料 经 过低 温 大 压 下量 轧制 以后 晶粒 被 拉长 , 并 有部 分破 碎 . 另 外 , 可 以看 出 , 随着 累 积变 形量 的增 加 , 铁 素体 体 积 分数 增 加 , 晶粒 更加 细 小 . 由于 经过 多 次叠 轧 焊 , 累积 压下 量 比 较 大 ,层 数 较 多 (6 次 A R B 为 64 层 ) , 所 以金属 表 面 的氧 化 膜 以及 内生 原 有夹 杂 物 在 强 烈 塑 性变 形 的情 况 下破 碎 , 并 且 在产 品机体 内分 布均 匀 , 这在 扫描 电镜 下 可 以清 楚地 看到 (如 图 5所 示 ) . 分 析表 明 , 粒 子 主 要 是氧 化物 、 氮 化 物 、 碳 化 物等 材料 带入 的夹 杂物 , 以及 在加 工过 程 中新 带入 的氧 化铁 夹

·450· 北京科技大学学报 2005年第4期 (e) 20m 10m 10m 10 um 图3ARB工艺后材料金相组织照片，(a),b以，（⊙，(）分别为为原样、叠轧2,4,6道后的组织 Fig.3 Microstructures of Q235 before(a)or after 2(b),4(c),and 6 cycles(d)of accumulative roll-bonding(ARB) I um 图4ARB工艺2,4,6次的SEM组织照片 Fig.4 SEM micrographs after 2 (a).4(b),6 cycles (c)of accumulative roll-bonding (ARB) 不加入任何强化元素的情况下的高强度， 2.3界面结合特性 图6所示，在光学显微镜下观察ARB工艺后 材料的结合特性.虽然变形温度比较低(773K), 但是由于变形量比较大(50%~98%)，所以材料层 与层之间的结合比较紧密.研究表明，只要材料 在叠合以前表面处理合理，一次压下达到临界变 形量以上，界面结合完全可以接近机体强度.如 图6在1000倍光学镜下观察，最后叠轧留下的结 合缝隙尺度小于晶粒尺寸，随着轧制次数的增 加，原来的结合界面已经不明显， 将材料沿界面剥离在扫描电镜(SEM)下观察 (如图7)，ARB2次出现凹凸不平的表面，ARB6 次表面出现了裂口和显微孔隙，并已接近机体特 征.其原因是材料表面经过加工硬化引起应力集 中，轧制过程中破裂露出新鲜的材料从而使得材 料相互融合，由于摩擦力的作用材料表面粘接 在一起流动，在压应力和切向应力的共同作用下 晶粒发生了压缩、转动，晶界遭到破坏，出现显微 图56次ARB工艺后材科组织与粒子分布SM照片 孔隙，如果再经过进一步的变形，新鲜的金属更 Fig.5 Material microstructure and partical distribution after 6 容易流出，从而使得界面结合更加紧密，这种结 cycles of accumulative roll-bonding(SEM) 合机制通常称为裂口结合机制阿.实验表明，随 杂物.正是由于这些微小粒子的存在起到了钉扎 着轧制温度的增加，临界变形量明显减小：当轧 晶界阻碍晶粒移动长大的作用，材料才表现出在 制温度达到530℃时，复合临界变形量为50%左

45 0 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 5 年 第 4 期 图 5 ` 次 A R B 工 艺后材 科组 织与 粒 于分 币 , 艺 M 照 斤 R .g 5 M a t e 对a l . i c枷的 c hl er a . d Pa lrt cal 曲itr b u it o . a n e r 6 e y e les o f a c c u m u l a枷 e ur U 一 b o n d i n g ( S EM ) 杂物 . 正 是 由于 这些 微 小粒子 的存 在起 到 了钉 扎 晶界 阻碍 晶粒 移动 长大 的作 用 , 材料 才表 现 出在 不 加 入任 何 强化 元 素 的情 况下 的 高强度 . .2 3 界 面 结合 特性 图 6 所 示 , 在 光 学显 微镜 下 观察 A R B 工 艺后 材 料 的结合 特 性 . 虽 然变 形 温度 比较 低 ( 7 73 K ) , 但 是 由于变 形 量 比较 大 (5 0% 一 98 % ) , 所 以材料 层 与 层之 间的结 合 比 较紧 密 . 研 究表 明邝, , 只 要材料 在 叠合 以前 表面 处理 合理 , 一次 压下达 到 临界变 形 量 以上 , 界 面 结合 完全 可 以接 近 机体 强度 . 如 图 6 在 1 00 0 倍 光 学镜下 观 察 , 最后 叠轧 留下 的结 合 缝 隙尺 度 小 于 晶粒 尺 寸 , 随着 轧 制 次 数 的增 加 , 原来 的结 合 界面 己经 不 明显 . 将 材 料沿 界面 剥 离在扫 描 电镜 (S E M ) 下观 察 ( 如 图 7) , A R B Z 次 出现 凹 凸不 平 的表 面 , A R B 6 次表 面 出现 了裂 口 和显 微孔 隙 , 并 已 接近 机体 特 征 . 其 原 因是材 料表 面 经过 加工 硬化 引起 应 力集 中 , 轧制 过程 中破 裂露 出新 鲜 的材料 从而 使得 材 料相 互 融合 `91 , 由于摩 擦 力 的作 用 材料 表 面粘 接 在一起 流 动 , 在压 应力 和切 向应 力 的共 同作用 下 晶粒发 生 了压缩 、 转 动 , 晶 界遭到破 坏 , 出现显微 孔 隙 , 如 果再 经过 进 一步 的变 形 , 新鲜 的金 属 更 容 易流 出 , 从而 使 得界 面 结合 更加 紧 密 , 这 种结 合 机 制通 常称 为裂 口 结 合机 制 `10] . 实验 表 明 , 随 着 轧制 温 度 的增 加 , 临 界变 形量 明显减 小 : 当轧 制 温度 达 到 5 30 ℃ 时 , 复合 临 界变 形 量 为 5 0% 左

VoL27 No.4 许荣昌等：累积叠轧焊工艺改善普碳钢材料性能特征 451· 分布、保温温度与时间有关， 3结论 (1)ARB工艺实验结果表明，Q235钢在低温 下经过累积叠轧实现大的压下量可以生产大块 超细晶钢，在不加入任何强化元素的情况下抗拉 强度可达800MPa以上.但是，随着ARB次数的 增加，材料的塑性逐渐降低，弹性模量降低，在 20m ARB4次以后拉伸实验出现明显脆性断裂， (2)随着ARB次数的增加晶粒尺寸明显变 小，ARB两次晶粒尺寸即可达到3m,ARB4次 以后晶粒尺寸可达1m,ARB6次以后可进一步 减少到0.7m. (③)循环超大压下量使得材料轧制层数的增 加，每层厚度可以小于晶粒尺度：由于结合界面、 夹杂物粒子、残余、应力、缺陷等在材料内部分散 均匀，所以材料强度增加 20m (4)只要材料表面处理合理，一次变形超过临 图6ARB工艺2(a),6次b)结合层光学显微照片 界变形量，材料可以实现很好的结合.随着ARB Fig.6 Optical micrograms of interface after 2(a),6 ARB cycles(b) 循环次数的增加，材料的结合接近基体.在Q235 的ARB工艺条件下，界面结合为裂口结合机制. 参考文献 [1]LeeS H,Saito Y,Sakai T.Microstructures and mechanical pro- perties of 6061 aluminum alloy processed by accumulative roll- bonding.Mater Sci Eng,2002,A(325):228 [2]Huang X,Tsuji N,Hansen N,et al.Microstructural evolution dur- ing accumulative roll-bonding of commercial purity aluminum. Mater Sci Eng,2003,A(340):265 [3]Koizumi Y,Ueyama M.High damping capacity of ultra-fine gra- 10m ined aluminum produced by accumulativeroll bonding JAlloys Compd,2003(355):47 [4]Tsuji N.ToyodaT,Minamino Y,et al.Microstructural change of ultrafine-grained aluminum during highspeed plastic deforma- tion.Mater Sei Eng,2003,A(350):108 [5]Tsuji N,Ueji R,Minamino Y.Nanoscale crystallographic analy- sis of ultra-fine grained IF steel fabricated by ARB process. Scripta Mater.2002,47:69 []王铭宗.铝钢双金属复合轧制层厚比及轧制力的研究.轧 钢，1994(6)：14 [刀黄光杰，汪凌云，三层复合铝合金板材的复合工艺和结合 10m 机制.金属成形工艺，1998,16(3少：10 图7ARB工艺2(a),6次b)后剥离结合面SEM显微照片 [⑧]张红梅.采用低温急冷大压下细化铁素体组织.东北大学 Fig.7 SEM micrograms of interface after 2(a),6 ARB cycles(b) 学报（自然科学版），2001,22(4)：22 [9)张胜华，郭祖军.铝钢轧制复合板的界面结合机制.中南 右，剪切强度可达330MPa,变形量超过70%以后， 工业大学学报，1995,26(4：510 (10]Sato Y S,Tsuji N.Novel ultra-high straining process for bulk 界面结合强度接近机体强度，界面结合强度的大 material development of the accumulative roll-bonding(ARB) 小还与材料表面清洁程度、硬化程度、表面应力 process.Mater Sci Eng,2002,A(319):45

V b L Z , N O 一 4 许 荣 昌等 : 累积 盛 轧焊工 艺 改兽普碳 钢材 料性 能特征 一 45 1 - 分 布 、 保 温温度 与 时 间有 关 . 右 , 剪切 强度 可达 3 30 M P a, 变 形量 超 过 70 % 以后 , 界面 结合 强度 接近 机 体强 度 . 界 面 结合 强度 的大 小还 与材 料 表面 清 洁 程度 、 硬 化程 度 、 表 面应 力 3 结 论 ( l) A R B 工 艺 实验 结 果表 明 , Q2 35 钢在 低 温 下 经 过 累 积 叠 轧 实现 大 的压 下 量 可 以生 产 大 块 超 细 晶钢 , 在 不加 入任 何 强化 元 素的情 况 下抗 拉 强 度 可达 8 0 M P a 以上 . 但 是 , 随着 A R B 次 数 的 增 加 , 材 料 的 塑性 逐 渐 降低 , 弹 性 模量 降低 , 在 A R B 4 次 以后 拉伸 实验 出现 明显 脆 性 断裂 . (2 ) 随着 A R B 次 数 的增 加 晶粒 尺 寸 明显 变 小 , A R B 两 次 晶粒 尺 寸即 可达 到 3 砰m , A RB 4 次 以后 晶粒 尺 寸 可达 1 林m , A 丑B 6 次 以后 可 进一 步 减 少 到 .0 7 卿 · (3 ) 循环 超 大 压下 量 使得 材 料 轧制 层 数 的增 加 , 每 层 厚度 可 以小于 晶粒 尺度 ; 由于 结合 界面 、 夹 杂物 粒 子 、 残余 、 应 力 、 缺 陷等 在材料 内部分 散 均 匀 , 所 以材料 强 度 增加 . (4 )只 要 材 料表 面处 理 合理 , 一 次变 形超 过 临 界变 形 量 , 材 料 可 以 实现 很好 的结 合 . 随着 A R B 循环 次 数 的增 加 , 材 料 的结合 接 近基 体 . 在 Q 2 35 的 A R B 工 艺条 件 下 , 界面 结合 为 裂 口 结合机 制 . 参 考 文 献 [ 1] L e e S H , S a i t o 丫 S ak ia .T M ic or s trU c 仪廿 e s an d m e e h an i e ia P r o - P e rt ies o f 60 6 1 al 叨m l n 切m al lOy P r oc e s s e d b y ac e um u l iat v e or ll - b o n d in g . M a te r S e i E n 吞 2 0 02 , A ( 3 2 5 ) : 2 2 8 2[ 』uH an g X , sT uj i N , H als e n N , et 目 . 场cor stZu c tU r a l e v o lut ion d ur . 加 9 ac e um u lat i v e or ll 一 b o n d in g o f e o n 止 n cer ial P u ir ty a l切叮 m u r n . M a t e r S e i E n g, 2 0 0 3 , A ( 3 4 0 ) : 26 5 [ 3 ] K o l刀 山 n i 丫 U cy am a M . 孤gh d a m P in g e 即 a e ity o f u l tr a . ifn e gar - in e d al um l n 叨m P or d u e e d by ac c um u l iat v e m ll b o n d ign . J A 朋o ys C o m P d , 2 0 0 3 ( 3 55 ) : 4 7 [ 4 ] sT uj i N , 介y o d a T, M in am ion ,Y e t a l . Mi cor sutr e ut ar l e h an ge o f u l tr a if n e . g ar in e d al um in um d ur ign h ihg s Pe d P las ti e d e of mr a - t ion . M a et r S e i E n g , 2 0 0 3 , A (3 5 0 ) : 10 8 [ 5 ] sT uj i N , U ej i 民 M in am 咖 Y N an o s e a l e e ry s at l o g ar Ph i e an a ly - 5 1 5 o f u latr 一 伽 e gr a l n de I F st e e l af b r i c ate d by A R B P ocr e s s . S c ir P at M a te r , 2 00 2 , 4 7 : 6 9 6[] 王铭 宗 . 铝钢 双 金属 复合轧 制层 厚 比 及轧 制力 的研究 . 轧 钢 , 19 9 4 ( 6 ) : 14 7[ ] 黄光 杰 , 汪凌 云 . 三 层 复合铝 合金板 材 的复合 工艺 和结合 机 制 . 金属 成形 工艺 , 19 9 8 , 16 (3 ) : 10 8[] 张 红梅 . 采用低 温急 冷大压 下 细 化铁 素体组 织 . 东北 大学 学 报( 自然科 学版 ) , 20 0 1 , 2 2 ( 4 ) : 2 2 9[ ] 张胜 华 , 郭 祖军 . 铝钢 轧制 复合板 的界 面结 合机 制 . 中南 工 业大 学学报 , 19 9 5 , 2 6 (4 ) : 5 10 [ 10 ] S aot Y S , sT uj i N . N voe l u l atr 一 h igh s tr a in 吨 rP o c e s s of r b u lk m ate ir al d ve e 】O P m e in o f ht e 即e um u lat iV e or ll 一 b o n d ign ( A BR ) p or e e s s . M a te r S c i E n g, 2 0 0 2 , A ( 3 19 ) : 4 5

·452. 北京科技大学学报 2005年第4期 Improvment of the quality and mechanical properties of a plain carbon steel by ac- cumulative roll-bonding XU Rongchang",TANG Di,REN Xueping",WEN Yonghong",WANG Xiaohong",WANG Yaogi 1)National Engineering Research Center for Advanced Rolling Technology,University of Science and Technology of Beijing,Beijing 100083, China 2)Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute,Beijing 100024,China ABSTRACT Industrial experiments of Q235 plain carbon steel by Accumulitive Roll-Bonding(ARB)process were carried out.The effects of deformation temperature,reduction(the max reduction 98%)and cyclic roling pass on the microstructure and mechanical properties of the steel were investigated.The results showed that a steel with ultrafine grains and higher mechanical properties could be obtained on a plain hot rolling mill by ARB process.It was also proved that the interfacial microstructure was continuous and homogeneous because of the same material rolling. KEY WORDS plain carbon steel;accumulative roll-bonding;microstructure evolvement;mechanical properties (上接第430页) 电工钢，1987(2：159 [8]蔡开科.浇铸与凝園.北京：冶金工业出版社，1992.163 [7何忠治.电工钢.北京：冶金工业出版杜，1997.13 Behavior of microinclusions in cold-rolled non-oriented silicon steel GUO Yanyong,CAl Kaike,LUO Zhonghan,LIU Liangtian LIU Zhimin 1)Metallurgical and Ecological Engineering School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 10008,China 2)Wuhan Iron and Steel Group Co,Wuhan 430083,China ABSTRACT The amount,size distribution and style of microinclusions in non-oriented silicon steel sheets with or without calcium treatment were studied by metalloscope,image analytical meter,scan electron microscope and transmission electron microscope.The results show that microinclusions in the range of 0.1 to 0.4 um influence the core loss of silicon steel sheets greatly but the style of microinclusions has less influence. KEY WORDS non-oriented silicon steel sheet;calcium treatment;microinclusions;core loss

一 4 5 2 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 50 年 第 4期 Im P r o mv e in o f th e q u a liyt an d m e e h an i e a l P r o P e rt i e s o f a P l a in c a r b o n s t e e l by a e - e u mu l at i v e r o ll 一 b o n d ign 尤U R o 月 gc h a gn ,毛TA N G D i , ), R E N Xu eP i gn , ), 矽万 N oY n g h o馆 ,气恻刀G iX a o h o 馆 , ), 环月 N G aY o q i ” l ) N at ion al E D g i n e emr g eR s e acr h C e n ter fo r A dy娜 e d R o ll ign eT e hn o l o g y , U in v esr iyt o f s e i e nc e an d eT e ha o l o gy o f B e ij i n g , B e ij in g l 0 00 83 , C h i n a 2 ) B e ij i n g A er on aut i c al M anu af c t团 n g eT c hn o 1 0 g y R e s e ar e h I n st i t u t e , B e ij ign 10 0 0 2 4 , C h in a A B S T R A C T nI du istr a l e x P e ir m e nt s o f Q2 3 5 Plia n e arb o n s te e l by A c c切m u lit i v e oR ll 一 B o dn ign (A 丑B ) rP o e e s s we re c aJ 叮ide o u t . hT e e 月七c t s of de of rm iat on ot m P e r a 奴犷e , er du ict on h(t e m ax er du ict on 98 % ) an d cy icl o olr ign p as s o n ht e m i cr o s lt ” c tL ir e an d m e e h aJ 桩c al rP o P e rt i e s o f ht e s t e e l w e er i n v e s igt at e d . T h e er s ult s s h o we d ht at a st e e l iw th u latr ifn e gr ian s an d h igh er m e e h耐 e a l P r op e irt e s e o ul d b e o b t ian e d o n a P l ian h ot or ll ign m i ll by A RB Por e e s s . It w as a l s o rP o v e d t h at ht e int e r af e i al m i e or s trU c it 叮 e aw s e o int n u o us an d h o m o g en e ous b e e aus e o f th e s am e m aet ir a l or llin g . K E Y W O R D S P lia n e毗 o n st e e l; ac e uj m u lat iv e or ll 一 b o n d ign ; m i e or s t ur c n 叮e e v o Vl e m e in ; m e e h印吐e a l P or P e rt i e s ( 上接 第 4 3 0 页 ) 电工钢 , 19 8 7 (2 ) : 15 9 v1[ 何忠 治 电工钢 . 北京 : 冶金 工业 出 版社 , 19 97 . 13 8[] 蔡开科 . 浇 铸与 凝固 . 北 京 : 冶金工 业 出版 社 , 19 92 . 16 3 B e h va i o r o f m i c r o i n c lu s i o n s i n c o l d 一 r o ll e d n o n 一 o ir e n t e d s ili e o n s et e l G 〔10 aY ny o ng 伙 CA I aK ike ,) L U O hZ 口刀 g h a )nz, L I U Li a久盯ia n跳 刀口 hZ im inz , l ) M e alt l u饱 ic al an d cE o lgo i c a l E n g in e e r in g S e h o o l , 血 i v e sr iyt o f s c i e nc e an d 介 `加 0 1 0留 B iej l n g , B iej in g 10 0 8 3 , bC 如 2 ) W u h an I r o n an d tS e e l G r o uP C o , W u h an 4 3 0 0 8 3 , C h in a A B S T R A C T hT e am o un t , s泳 d i s itr b u ti o n an d s yt l e o f m i e or i cn lus i o n s in n on 一 ior ent e d s i li e on s ot e l hs e et s 幼 ht o r w it h o ut e a l e i um tr e a it n ent w er s ut d i e d by m e at ll o s e o P e , im ag e an a lyt i e al m e etr, s e an e l e e tr o n m i cr o s e o P e an d tr an s m i s s i o n e l e c tr o n m i c r o s e o P e . hT e r e s u lt s s h o w th at m i c or in e ut s i o n s in ht e r an g e o f o . l to o . 4脚 i n fl ue cn e ht e e o r e 1 0 5 5 o f s i li e on s t e e l s h e e st gr e at ly b u t ht e s yt l e o f m i e or in c Ius i osn h as l e s s in fl u e n e e . K E Y W O R D S n o n 一 o ir e n t e d s ili e o n s et e l s he e t : e al e l u r n加 a tm en t : m i cor in e l u s ion s ; e o r e 1 0 5 5