超低碳冷轧薄板单向拉伸过程变形机理

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1999.06.012 第21卷第6期 北京科技大学学报 Vol.21 No.6 1999年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1999 超低碳冷轧薄板单向拉伸过程变形机理 初元璋)黄玲) 李慧琴》 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)重庆钢铁设计院，重庆4000133)包头钢铁学院，包头014010 摘要通过对超低碳F钢冷轧薄钢板拉伸过程中不同变形程度的测试与扫描电镜的观察， 研究了其表面形貌及组织的变化规律.探讨了超低碳钢韧性断裂中内部孔洞形成机理，并指出 超低碳钢中的微孔洞不是主要由夹杂物或第二相粒子产生，而是因为位错的滑移、集聚，在原 有损伤处形成. 关键词冷轧薄板：表面形貌：组织的变化：孔洞形成机理 分类号TG355.11 目前宝钢生产的超低碳钢BF是国产汽车 GB228一87进行拉伸实验.当试样产生一定程 用冷轧钢板中超深冲级别钢的典型产品.研究 度的变形时，停机卸载，共得到8种不同延伸率 这个钢种的冲压成形过程及影响冲压性能的因 下的变形试样，即：10.0,2一15.0%，3，一25.0%，4 素十分重要.冲压成形一般含有大量的应变，其 -32.0%,5-42.0%,6—48.5%,7-49.4%,8- 失效通常是由拉伸中的塑性失稳所致.对于失 50.4%. 稳问题，前人已经做了很多研究工作，并取得一 (3)扫描电镜观察在S-250MK3扫描电镜上 定成果.近一个时期人们已把注意力集中在如 对不同程度变形后试样的表面形貌及内部组织 何理解微细观结构与宏观结构之间的关系及如 结构进行观察. 何运用微细观结构对变形各种形态的响应来解 12超低碳钢单向拉伸过程中表面形貌及组织的 释变形失稳的机理.材料的性能与其组织和结 变化 构有着密切的关系，宏观上，薄板在拉伸过程中 (1)超低碳钢的拉伸曲线.BIF的拉伸曲线 经历着屈服、颈缩直至最后断裂的过程：微细观 与普通含碳较高钢种的拉伸曲线的明显差别主 上，其内部组织结构也必然发生着一系列变化. 要表现在：①拉伸曲线在屈服之后强化速率小， 本文对BIF钢在单向拉伸过程中的表面形貌、 曲线平缓：②颈缩失稳之后，曲线并不马上下 内部组织结构、断裂与损伤进行了分析，并对孔 降，而是在经过较大一段变形之后，材料断裂， 洞形成机理进行了初步探讨. 曲线才下降.如图1所示. 4.00 1实验材料及实验方法 3.00 1.1实验材钭 2.00 实验材料选取宝钢生产的BIF,1.2mm厚， 其化学成分（质量分数/%)：C0.03,Si--0.016, 1.00 Mn-0.18,P0.010,S0.0062,N0.016,A- 0.00 0.034,Ti-0.83. 0 10 2030 40 50 1.2实验方法 △Lfmm (1)试样制备.按GB228一87制作拉伸试 图1F钢与A,钢的拉伸曲线 样. F钢钢质纯净，夹杂少，因而位错运动的 (2)拉伸实验，在MTS810材料试验机上按 阻碍少，位错一经开动，即能很顺利地进行滑 移，因此，应力一直维持在较低的水平. 1999-07-19收稿初元璋男.53岁，副教授 *国家“九五”攻关课题(No.95-527-01-04-01) (2)超低碳钢单向拉伸过程中表面形貌的

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 一 超低碳冷轧薄板单 向拉伸过程变形机理 初元璋 ‘， 黄 玲 ， 李慧琴 ” 北京科技大学材料科学与工程学院 ， 北京 重庆钢铁设计 院 ，重庆 包头钢铁学院 ， 包头 摘 要 通过对超低碳 钢 冷 轧薄钢 板拉伸过程 中不 同变形程度的测试与扫描 电镜的观察 ， 研究 了其表面 形貌及 组织 的变化规律 探讨 了超低碳钢 韧性断裂 中内部孔洞形成机理 ， 并指出 超低 碳钢 中 的微孔洞 不是主 要 由夹杂物或 第二 相粒子产生 ， 而 是 因为位错的滑移 、 集聚 ， 在原 有损伤处 形 成 关键 词 冷轧薄板 表面形貌 组织 的变化 孔洞形成机理 分类号 目前 宝 钢 生 产 的超低 碳钢 是 国产汽 车 用 冷 轧钢 板 中超深 冲 级 别钢 的典型产 品 研究 这个钢 种 的冲 压 成 形 过程 及 影 响冲压性 能 的因 素十分重要 冲 压成 形一 般含 有大量 的应变 ， 其 失 效 通 常 是 由拉 伸 中 的塑 性 失稳所 致 对 于 失 稳 问题 ， 前人 己 经做 了很 多研 究工 作 ， 并取 得一 定成 果 近 一 个 时期 人 们 已 把注 意 力集 中在如 何理解微细 观 结构 与宏观 结构之 间 的关 系及 如 何运用微细 观 结构对 变形各种 形 态 的响应来解 释 变 形 失稳 的机理 材料 的性 能 与其 组 织 和 结 构有着密 切 的关 系 宏 观 上 ， 薄板 在拉 伸过 程 中 经 历着 屈 服 、 颈缩直 至 最 后 断裂 的过程 微细观 上 ， 其 内部 组 织结 构也 必 然 发 生着一 系列变化 本文 对 钢 在 单 向拉伸 过 程 中的表 面 形 貌 、 内部组织 结构 、 断裂 与损伤进行 了分析 ， 并对孔 洞 形 成机 理 进行 了初 步探讨 一 进 行拉伸实验 当试样产生一 定程 度 的变形 时 ， 停机卸载 ， 共得到 种不 同延伸率 下 的变形试样 ， 即 一 ， 一 ，， ， 一 ， 一 ， 一 ， 一 ， 一 扫描 电镜观 察在 一 扫描 电镜上 对不 同程度变形 后试样的表面形貌及 内部组织 结构进行 观察 超低碳钢单向拉伸过程 中表面形貌及组织的 变化 超 低碳钢 的拉 伸 曲线 的拉伸 曲线 与普通含碳较 高钢种 的拉伸 曲线的明显差别主 要表现 在 ① 拉 伸 曲线在屈 服之后强化速率小 ， 曲线平 缓 ② 颈缩 失稳之 后 ， 曲线并不马上下 降 ， 而 是 在经 过 较 大一 段变形之 后 ， 材料断裂 ， 曲线才下 降 如 图 所示 日︸ 八 实验材料及实验方法 实验材料 实验 材 料 选取 宝 钢 生 产 的 ， 厚 ， 其化 学 成 分 质量 分 数 一 ， 一 ， ， ， 一 ， 一 ， 一 ， 一 ， 一 实验方法 试 样 制 备 按 一 制 作 拉 伸 试 样 拉 伸 实验 在 材料试验机上 按 一 一 收稿 初元 璋 男 ， 岁 ， 副 教授 国家 “ 九 五 ” 攻关课题 一 一 一 一 一 闷 一 目 一 妞 图 钢 与 钢的拉伸 曲线 钢 钢 质纯 净 ， 夹杂少 ， 因 而 位错运动 的 阻 碍 少 位 错 一 经 开 动 ， 即 能 很顺利 地进行滑 移 ， 因此 ， 应 力 一 直 维 持 在较低 的 水平 超 低 碳 钢 单 向拉 伸 过程 中表面 形 貌 的 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1999．06．012

Vol.21 No.6 初元境等：超低碳冷轧薄板单向拉伸过程变形机押 ·557. 变化.在扫描电镜下观察到，F钢钢板的原始表 阻止：滑移的进行：2有的表面缺陷本身就是位 面存在较多的表面缺陷，如表面火杂、表面裂 错运动的障碍，如气泡、表面夹杂 纹、针孔等，整个表面显得疏松、粗糙.随若变形 因此，钢板的表面形貌对变形有影响，表 量的增大，表面的破碎状态加剧，整个表面变得 面缺陷多，将阻碍位错运动，不利于变形的继 起伏不平.当变形量达到1S%时，表面已可见清 续；提高表面质量，不仅将提高钢板的各种表 晰的滑移带，不过这时的滑移带大多相互平行， 面性能，也将在…定程度上提高材料的冲压成 交叉的滑移带少，同时可见钢板表面基本无起 形性， 伏如图2(a)所示.当变形量达到32%时，已可见 关于变形过程中，表面和糙度的增加及其 相当多的地方出现了明显的相互交叉的滑移 对成形极限的影响，己有不少学者进行过相关 带，滑移带的数量增加，这时材料内部位错密度 的研究，他们大都认为：变形过程中钢板的 大大增加，钢板表面起伏达到一定程度如图2 表面粗化对成形极限有不利的影响. (b)所示.以后，随变形程度的加大，表面的滑移 (3)超低碳钢单向拉伸中内部组织的变化 带越来越密集，钢板表面变得起伏不平，直到最 实验中观察了F钢在不同变形程度时的内部 后断裂.整个变形过程中，滑移带都出现在表面 组织.可见到，其原始状态为大小均匀的等轴 缺陷较少或无表面缺陷的地方，在表面缺陷处 品粒，在个别地方有尺寸较大的夹杂.变形量 没有发现任何滑移现象. 为15%时，与原始状态相比，品粒有不太明显 表面缺陷的形式多种多样，产生的原因也 的拉长变形如图3(a)所示.当变形量达到32% 各不相同，其中，裂纹和气泡是冷轧板最常见也 时，变形已达到非常剧烈的程度，不仅晶粒被 是最有害和最难控制的2种缺陷.已有的研究 拉长，出现滑移带，而且还出现了裂纹与孔洞 成果大多认为，气泡中的A,O,夹杂是引起 如图3(b)所示.以后，随着变形的进行，这种趋 裂纹的主要因素，其直径为410μm.据此，作者 势进一步加强，裂纹和孔洞进一步扩大，而且 认为，在表面缺陷处没有产生任何滑移是因为： 在颈缩区域的孔洞数量明显多于其他区域.直 ①产生表面缺陷的夹杂是位错运动的障碍，将 到断裂前，孔洞数量达到相当多的程度， 图21F钢变形15.0%(a)和变形32.0%(b)时的表面形酸SEM照片 图31F钢变形15.0%()和变形32.0%(b)时的内部组织SF1照片

·558. 北京科技大学学报 1999年第6期 2超低碳钢韧性断裂中内部孔洞形 为探讨F钢中孔洞形成的主要原因，有必 成机理分析 要先弄清楚F钢中夹杂物及第2相粒子的分布 情况.F钢由于经过铁水预处理和H真空脱 2.1断口分析 气，钢质纯净，钢中的夹杂物已很少.一般认为， F钢的断裂属典型的韧性断裂，断口韧窝 IF钢中的第2相粒子(TC,TiN,NbC,AIN等)在 呈抛物线状（图4），这是由于受切应力作用的 退火前已完全析出，故其都呈粗大且稀疏分布， 缘故，而且大小不均匀.韧窝断口的形成，大多 文献[8]对BF钢在退火过程中2相粒子的演变 都经过这样几个步骤，即范性形变、形成空洞、 进行了研究，给出了TF钢中存在的4种常见 空洞扩展、空洞凝聚贯通而成裂纹、裂纹扩展而 粒子TiN,TiS,Ti(CS,TiC的基本形貌和尺寸 导致断裂.金属断口理论认为，材料内部的微孔 范围，经罩式退火，粒子的尺寸范围见表3， 是逐渐形成的，可以认为，这些韧窝的大小不 表3录式退火后TF铜中常见第2相触子尺寸m 一，正是由于微孔形成的时间不同，并逐步长大 TiN Ti(CS) Tic 所致， 180-140040500 80-600 10-30 因此，对于本实验中所用T-F钢中第2相 粒子的分布可描述为：在铁素体基体上稀疏分 布着一些粗大的TiN,TiS,Ti.(CS):第2相粒子， 另外还弥散分布着一些细小的TC粒子， Break在70年代提出了夹杂物在塑性断裂 中所起作用的物理模型，并提出了冲压过程中 钢板内的孔洞形成物理模型.他们认为，在单向 拉伸状态下孔洞的成因有3种： (1)金属中最先出现的是简单滑移，滑移面 图4IF钢断口SEM照片 的间距为1μm左右，这种滑移使那些粗大的夹 2.2超低碳钢内部孔洞形成机理分析 杂物质点成为位错运动的障碍，质点前塞积了 前人的研究认为，孔洞大多起源于夹杂物 大量的位错，当应力足够大时，位错挤入质点和 或第二相粒子，塑性变形过程中，夹杂物或第二 基体金属的交界面形成孔隙，产生孔洞，而尺寸 相粒子成为位错运动的障碍：位错在它]之前 远远小于滑移面间距，并位于一滑移面之间的 大量塞积，产生高的应力集中：应力集中达到 质点对位错没有塞积作用： 一定程度，金属与这些粒子的界面产生分离，或 (2)随变形量增加，位错密度增加，金属发 者一些硬脆性粒子本身脆性断裂而形成了微细 生交滞移，交滑移和高的位错密度使微小的质 裂缝：裂缝端部又引起了应力集中，因为基休 点也处在障碍位错运动的位置，因而在这些质 本身的塑性变形能力较好，必然在：袋缝尖端的 点处也形成孔洞： 应力集中处形成一·个集中的剪切变形区，同部 (3)由于交滑移使位错在某些滑移面上合 大量的剪切变形就使得孔剂（裂缝）长大，当孔 并消失，形成大的缺陷，这些缺陷集聚连片也能 洞扩展到一定程度后，相邻孔洞之间的金属犹 形成微孔，使金属内部的微孔数量大大增加，第 如宏观试样产生颈缩时的情况~样，将会引起 “一种类型的孔洞在拉伸变形早期已出现，随拉 应力集中，而加速形变，直到细缩至一线而被撕 伸过程的进行，逐渐长大，就得到了断口上那些 断，使形成一个月刃状的切窝边缘，如此连续不 尺寸较大的韧窝，而第2和第3种类型的孔洞 断，就形成了韧窝断口.由于韧窝大多起源于夹 在拉伸后期才出现，因此长大不充分，在断口上 杂物或第2相质点，所以在断口上这些质点大 的韧窝就较小， 多分布在韧窝的底部.在扫描电镜下观察F钢 作者认为，对于普通碳钢，甚至低碳钢，这 的断口，在大部分韧窝底部未发现夹杂物或第 些孔洞的成因都是成立的，即孔洞主要由夹杂 二相质点，这说明1F钢中的孔洞不是主要由夹 物、第2相粒子导致，但对于超低碳钢，由于其 杂物或第2相粒子处形成，而是另有成因. 中夹杂物和第2相粒子极少，孔洞的产生将主

Vol.21 No.6 初元璋等：超低碳冷轧薄板单向拉伸过程变形机理 ·559· 要不是由夹杂物和第2相粒子引起，而由第3种表面质量，将有利于冲压成形性的提高： 成因导致的微孔洞将占绝大多数. (2)单向拉伸中，F钢内部组织将发生一系 工程中实际使用的材料，在原始状态就已存列的变化，断裂前，材料中分布着大量的裂缝和 在着许多损伤和缺陷，如空位、位错、各种界面、孔洞； 超显微空洞等，在单向拉伸中，其中的超显微空 (3)与低碳钢比较，超低碳F钢中的微孔洞 洞将由于位错在空洞前的聚集而长大，在拉伸后 不是主要由夹杂物或第2相粒子产生，而是因 期，在位错集聚的高密度区也会由于位错的集聚 为位错的滑移、集聚而在原有损伤处形成， 而形成微孔核心，这些成因的孔洞在拉伸后期才 参考文献 能产生，因此断口上的韧窝很细小.在拉伸初期， 超低碳钢中的一些较粗大的夹杂物、第2相粒子 1 Maehara Y.Yasumoto K.Surface Cracking Mechanism of Continuously Cast Low Carbon Low Alloy Steel Slabs. 仍然将引起孔洞产生，那些细小的第2相粒子在 Materials Science and Technology,1990,6(9):793 拉伸后期也会导致孔洞产生，但这已不是主要原2井上健，安中弘行，松本泽.极低炭素钢人工欠陷艹yプ 因.当这些各种成因的孔洞的数量和体积达到一 L②热延于天卜.CAMP-ISIU,1993,6:1167 临界值，宏观上就表现为失稳，继续变形孔洞结 3安中弘行，山中量一，井上健极低炭素钢)表层部： 合起来成为裂纹. 位？生寸石色泡扫心介在物欠陷.铁上钢，1995,18 这样就可解释超低碳F钢的拉伸曲线在分 (5):17 4山中量一，井上健，安中弘行非金属介在物仁k石钢板 散性失稳后仍能有较大一段的伸长变形的现象。 表面欠陷⑦：生机构.CAMP-ISIJ,1993,6:1170 F钢中的微孔洞大多在拉伸后期失稳前产生，体5山口克彦住方.薄板)破断时)心测定.塑性上加 积较小，因此在失稳后势必经过一个较长过程的 工，1980,21(231)：315. 变形，才能使相邻孔洞间的材料产生类似宏观试 6陈光南，沈还，胡世光冷轧钢板的表面形貌及评价方法. 样中的颈缩，孔洞才能连接，进而发生断裂， 钢铁研究，1989(2)：83 7石京1F钢罩式退火工艺优化及再结晶织构研究：[博士 3结论 学位论文]北京：北京科技大学，1998 8黄玲.国产轿车用钢板冲压级别评定和性能的研究：[硕 (1)钢板表面缺陷将阻碍位错的运动，提高 士学位论文].北京：北京科技大学，1999 Deformation Mechanism in Simple Tension of Cold-Rolled Extra-Low-Carbon Light Gauge Sheet Chu Yuanzhang Huang Ling Li Huiqing》 1)Material Science and Engineering School,UST,Beijing,Beijing 100083 China 2)Chongqing Iron&Steel Design Institute,Chongqing.400013 China 3)Baotou University of Iron and Steel Technology,Baotou Tou 014010,China ABSTRACT By testing the cold-rolled extra-low-carbon light gauge sheet samples under different deforma- tion stages and observing them by SEM,their surface pattern and the rules of the transmutation of microstructure has been researched,and the mechanism of the formation of interior holes in gliding fracture was discussed.The result pointed out that it is dislocations'slipping and gathering in original impaired locations but not inclusion and second-phase particles that is mainly responsible for formation of micro-holes in extra-low-carbon steel. KEY WORDS tension test,surface pattern;transmutation of microstructure;mechanism of the formation of in- terior holes

一 初元璋等 超低 碳冷 轧薄板单 向拉伸过程变 形 机理 要不 是 由夹杂物 和 第 相 粒 子 引起 ， 而 由第 种 成 因 导 致 的微孔洞 将 占绝 大 多数 工程 中实 际使用 的材料 ， 在 原始状 态 就 已 存 在着许 多损 伤和 缺 陷 ， 如 空位 、 位 错 、 各种 界面 、 超显微空 洞 等 在单 向拉伸 中 ， 其 中的超显 微 空 洞 将 由于位错 在空洞 前 的聚集而 长 大 ， 在 拉伸后 期 ， 在位错 集聚 的高密度区 也会 由于位错 的集聚 而 形成微 孔核心 这 些成 因 的孔洞在拉伸 后 期才 能产生 ， 因此 断 口 上 的韧窝很细 小 在拉 伸初 期 ， 超低碳钢 中的一 些 较粗大 的夹杂物 、 第 相 粒子 仍然将引起孔洞产生 ， 那 些 细 小 的第 相粒 子 在 拉伸后 期也会导致孔洞产生 ， 但这 已不 是 主 要 原 因 当这 些各种成 因 的孔 洞 的数量 和 体积 达 到一 临界值 ， 宏观 上 就表现 为失稳 ， 继 续变形 孔 洞 结 合起来成 为裂纹 这样就可 解释 超低碳 钢 的拉伸 曲线 在分 散性失稳后仍能有较大一 段 的伸长 变形 的现象 钢 中的微孔洞大多在拉伸后 期失稳前 产 生 ， 体 积较小 ， 因此在失稳后势必 经 过一个较长 过程 的 变形 ， 才能使相邻孔洞 间的材料产 生类似宏 观试 样 中的颈缩 ， 孔洞 才能连接 ， 进 而 发 生 断裂 表面质量 ， 将有利于 冲压 成 形性 的提 高 单 向拉伸 中 ， 钢 内部 组 织将 发生 一 系 列 的变化 ， 断裂前 ， 材料 中分布 着大量 的裂缝和 孔洞 与低 碳钢 比较 ， 超低 碳 钢 中的微孔洞 不 是 主 要 由夹 杂物 或 第 相粒子 产 生 ， 而 是 因 为位错 的滑 移 、 集聚 而 在 原有损 伤 处 形 成 结论 钢板表面缺陷将阻碍位错 的运动 ， 提高 参 考 文 献 丫孔 ， ， 井 上健 ，安中弘行 ， 松本泽 极低炭素钢人工欠 陷廿 了 儿 。 热延 于 久 卜 一 ， ， 安 中弘行 ， 山 中量一 ， 井上健 极低炭素钢 。 表层部 忆 该 ” 生 寸 石 色 泡 扫 止 莎 介在物欠陷 铁 己 钢 ， ， 山中量一 ， 井上健 ， 安中弘行 非金属介在物 忆 劣 石 钢板 表面欠陷 。 ‘“ ” 生机构 一 ， ， 山 口 克彦 派 万 薄板 。 破断时 。 沙 丫 办 测定 塑性 己 加 工 ， ， 陈光南 ，沈还 ，胡世光 冷轧钢板的表面形貌及评价方法 钢铁研究 ， 石京 钢 罩式退火工艺优化及再结晶织构研究 博士 学位论文 北京 北京科技大学 ， 黄玲 国产轿车用钢板冲压级别评定和性能的研究 硕 士学位论文 北京 北京科技大学 ， 一 一 一 ，， 犷 ， 叮 心 ， ， 毛 ， ， ， ， ， 一 一 一 ， ， ， 一 瀚 一 一 一