摘要對比研究了低碳鋼帶鑄材不同處理狀態(tài)鋼帶和薄板鑄坯中不同位置切片的組織特征、晶體學(xué)織構(gòu)和15%工程應(yīng)變條件 下的塑性異向性.結(jié)果表明，帶鑄材試樣中存在{111}與{II4}特征織構(gòu)，織構(gòu)強(qiáng)度均較弱；鑄坯切片中存在{111}與{001} 特征織構(gòu)，并且因局部凝固冷速不同存在明顯的織構(gòu)強(qiáng)度差異.兩組低碳鋼的法向異向性與平均晶粒尺寸的對數(shù)之間盡管均存在線 性關(guān)系，但斜率明顯不同.分析表明法向異向性的晶粒尺寸依存性與鋼帶中織構(gòu)的強(qiáng)弱有關(guān)，由此提出了 “有效織構(gòu)強(qiáng)度比”的概 念，從塑性變形理論的角度解釋了微觀組織對塑性異向性的影響.
關(guān)鍵詞低碳鋼，鑄鋼帶，塑性異向性，織構(gòu)強(qiáng)度，晶粒尺寸
中圖法分類號TG111.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號0412—1961(2006)01—0006—07
MICROSTRUCTURES AND PLASTIC ANISOTROPY OF AS-CAST LOW CARBON STEEL STRIPS
XU Pingguang, HUAN Yonghui, YIN Fuxing, NAGAI Kotobu Steel Research Center, National Institute for Materials Science, Tsukuba 305-0047, Japan Correspondent: XU Pingguang, Tel: (00810-29-8592142)，E-mail: xupingguang@tsinghua.org.cn Manuscript received 2005-07-26, in revised form 2005-10-17
ABSTRACT The ferrite morphology and crystallographic textures of two groups of low-carbon steel strips were comparatively investigated as well as the plastic anisotropy at 15% engineering strain: one group was heat-treated from two twin-roller-cast strips; the other group was cut from a thin-slab-cast low-carbon steel at different thickness positions. The crystallographic textures in the first group are characterized by the relatively weak {111} and {114} components; for the second group, the characteristic texture components are {111} and {001}, and the texture intensities are evidently different because the different local solidification cooling rates. Though the normal anisotropies in two groups all show a rough linear relationship with the logarithm of the mean grain size of 7-fiber oriented ferrite, the slopes are inconsistent, which indicates that the grain size dependence of normal anisotropy is related to the texture intensity variation. Based on the plastic deformation theory of polycrystalline materials, the concept “ effective texture intensity ratio ” is proposed to explain the influence of microstructure parameters on the plastic anisotropy.
KEY WORDS low-carbon steel, as-cast strip, plastic anisotropy, texture intensity, grain size
Vol.42 No.l Jan. 2006 pp.6-12
塑性異向性是無間隙原子鋼、低碳鋼板帶材在加工過 程中決定其深沖成形性能的一項重要指標(biāo)，通常分為法 向異向性（normal anisotropy)與平面異向性（planar anisotropy),前者決定沖杯深度，后者導(dǎo)致杯口制耳現(xiàn) 象.影響板帶塑性異向性的因素很多，包括晶體學(xué)織構(gòu)、 化學(xué)成分、晶粒尺寸等.一般認(rèn)為，平行于板面的{111} 纖維織構(gòu)越強(qiáng)，則法向異向性和成形性越好；C，N等間 隙元素的含量越低，法向異向性與成形性越好，如IF鋼. Karlyn等人《最早報道了在普通冷軋退火低碳鋼薄板
中，法向異向性與ASTM晶粒數(shù)（亦即晶粒尺寸的對數(shù)) 之間存在一定的線性關(guān)系，晶粒尺寸越大，法向異向性越 好，而直線斜率則取決于材料的化學(xué)成分.BlickwedeM 把晶粒尺寸的影響機(jī)理歸結(jié)為再結(jié)晶過程中{111}取向 鐵素體的擇優(yōu)生長.考慮到普通低碳鋼中{111}取向晶 粒的擇優(yōu)生長同時增加了 {111}纖維織構(gòu)組元的織構(gòu)強(qiáng) 度，人們對晶粒尺寸本身的影響機(jī)制還不是十分清楚.近 來，人們嘗試在塑性異向性的模擬計算中考慮晶粒尺寸和 晶粒形狀的影響，以便使計算結(jié)果與測試結(jié)果之間實(shí)現(xiàn)吻 合使得晶粒尺寸影響機(jī)理的研究顯得尤其重要.
經(jīng)濟(jì)效益.由于廣泛的應(yīng)用前景，低碳鋼領(lǐng)域的相關(guān)研究 與開發(fā)正受到越來越多的關(guān)注，其中能否提高織構(gòu)較弱的 鑄鋼帶本身的成形性，業(yè)已成為決定其應(yīng)用領(lǐng)域的迫切問 題.不過，到目前為止，對低碳鋼鑄帶的塑性異向性研究 報道還不多見m.
本文對比研究了由鑄造低碳鋼制備的兩組鋼帶的晶 體織構(gòu)、晶粒尺寸與塑性異向性：其中一組是由雙輥鑄造 經(jīng)高溫卷取后再經(jīng)不同處理得到的，織構(gòu)強(qiáng)度相近，但晶 粒尺寸有顯著變化；另一組是從薄板坯上從表面到厚度 中心不同位置上切取得到的，織構(gòu)與晶粒尺寸均有明顯變 化.實(shí)驗(yàn)結(jié)果將證實(shí)法向異向性的晶粒尺寸依存性實(shí)際上 與織構(gòu)強(qiáng)度的強(qiáng)弱有關(guān)，并將嘗試從多晶體材料的塑性變 形理論角度闡明晶粒尺寸對塑性異向性的影響機(jī)理.
1實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)用低碳鋼的化學(xué)成分如表1所示.實(shí)驗(yàn)鋼A, B 為雙輥鑄造得到的3 mm厚鑄鋼帶，實(shí)驗(yàn)鋼C為連鑄 得到的55 mm厚薄鑄埋.部分3 mm厚鑄鋼帶A, B 經(jīng)1200 'C /3 h氬氣保護(hù)退火后爐冷，以得到粗大等 軸晶粒.另一部分鑄帶累積冷軋70%后分別于600 C退 火5 h, 700 C退火0.5 h,以得到細(xì)小等軸晶粒從 55 mm厚的薄鑄坯C上由表面到厚度中心切取3 mm 厚的切片，并注意避開表面的脫碳層與中心的偏聚層 利用島津AG-50KNG萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)在室溫測試了上述實(shí) 驗(yàn)鋼帶的縱向、橫向、45°斜向的拉伸性能，其中用引 伸計和電子應(yīng)變片分別記錄了試樣在均勻變形階段的縱 向與橫向瞬間應(yīng)變.為便于比較，各實(shí)驗(yàn)鋼帶在15%均 勻拉伸變形后，卸載測量其實(shí)際的法向異向性rm = (r0+ 2r45 + rgo)/4.
在理學(xué)RINT2200 X射線衍射儀上用Mo靶測得 上述鋼帶的{110}, {200}，{211}和{310}不完全極圖 (a=15—90°)，用級數(shù)展開法計算鋼帶的反極圖[9L用 LEO 1550場發(fā)射掃描電鏡觀察試樣組織并用TexSEM 取向映射顯微學(xué)（OIM)分析軟件統(tǒng)計各鋼帶的 {111}〈_〉(1織構(gòu)）和{hkl}(U0)(a織構(gòu)）平均晶 粒尺寸，其中晶界取向差選為15°.
表1 實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分 Table 1 Chemical compositions of the investigated steels
(mass fraction, %)
Steel C Si Mn P S Cu
Group I A 0.049 0.12 0.29 0.014 0.004 0.01
B 0.080 0.06 0.54 0.105 0.010 0.07
Group II C 0.043 0.03 0.36 0.011 0.006 0.09
Note: steels A and B were cut from the two twin—roller-cast strips with 3 mm in thickness, steel C from thin cast slab with 55 mm in thickness
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果 2.1組織形貌與晶體尺寸
實(shí)驗(yàn)鋼A不同狀態(tài)鋼帶的組織形貌與鐵素體晶粒的 取向特征如圖1所示.與其它鋼帶的鐵素體晶粒相比，盡 管由于晶粒形態(tài)不規(guī)則，很難用截線法進(jìn)行直接量度，但 仍可看出鑄態(tài)鋼帶的晶粒較粗大.用OIM方法對偏離理 想{lll}〈m;«;〉取向15°范圍以內(nèi)的鐵素體進(jìn)行平均晶 粒尺寸（勾）分析，結(jié)果表明鑄態(tài)鋼帶為108 fxm, 1200 C均勻退火鋼帶為69.5 fxm、冷軋后600與700 C再結(jié) 晶退火鋼帶分別為9.53和10.0 (j,m.對{從丨}〈110〉取 向鐵素體來說，均勻化退火帶的平均晶粒尺寸（rfa)大于 鑄態(tài)鋼帶的，這表明均勻化退火可能有利于{/iW}〈110〉 取向晶粒而不是{111}〈mi^〉取向晶粒的擇優(yōu)生長.在實(shí) 驗(yàn)鋼B不同狀態(tài)鋼帶中也能得到類似的結(jié)果，只不過由 于高磷含量的枝晶細(xì)化效果其鑄態(tài)與均勻化退火鋼 帶的平均鐵素體晶粒尺寸隊和da)均比實(shí)驗(yàn)鋼A的小 一些.
從實(shí)驗(yàn)鋼C的薄鑄坯不同厚度位置切取的切片也表 現(xiàn)出不規(guī)則的鑄態(tài)鐵素體形貌特征，且{lll}〈w;«;〉取向 鐵素體的平均晶粒尺寸均比{從;} (110)取向鐵素體的 大一些，這個現(xiàn)象顯示在低碳鋼帶或薄坯的鑄造過程中擇 優(yōu)生長確實(shí)存在.前期研究表明，從表面到厚度中心的鐵 素體晶粒尺寸分布與局部冷卻速度變化和5-鐵素體枝晶 形態(tài)變化有關(guān)[11].
