冷軋if鋼表面納米化的織構(gòu)分析

冷軋if鋼表面納米化的織構(gòu)分析

表面機(jī)械研磨工藝（smat）技術(shù)可以在材料上制備矩陣結(jié)構(gòu)，并沿深度方向不斷變化。本工作選取具有兩種典型絲織構(gòu)的冷軋IF鋼板,研究SMAT樣品結(jié)構(gòu)與織構(gòu)沿深度方向的演變及其對(duì)性能的影響,主要目的一是作為典型的第三代深沖用鋼,超細(xì)晶IF鋼的研究已引起越來(lái)越多的關(guān)注1表面機(jī)械研磨處理實(shí)驗(yàn)選用冷軋(壓下率為80%)1mm厚IF鋼板,化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為:C0.0037,Si0.016,Mn0.13,S0.006,P0.006,Al0.034,Nb0.005,Ti0.060,N0.002,Fe余量.將冷軋IF鋼板切成100mm×100mm的樣品進(jìn)行表面機(jī)械研磨處理,其原理與方法見(jiàn)文獻(xiàn)SMAT樣品的橫截面組織用光學(xué)顯微鏡觀測(cè),不同深度的微觀組織用JEM2010透射電鏡(TEM)觀測(cè),電鏡樣品的制備方法如下:將SMAT樣品從處理表面磨至預(yù)定深度,再?gòu)幕w方向磨至30μm厚左右;在真空室溫條件下,利用離子減薄儀從基體一側(cè)單面減薄至穿孔;用雙槍小角度雙面離子減薄以去除表面氧化膜.使用X’PertPRD型織構(gòu)測(cè)量?jī)x,按Schulz背反射法對(duì)SMAT樣品進(jìn)行分層織構(gòu)測(cè)定.采用CoK對(duì)經(jīng)過(guò)雙面處理的樣品進(jìn)行性能分析,采用CMT5105電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸試樣按GB/T5027-1999“金屬薄板和薄帶塑性應(yīng)變比(r值)試驗(yàn)方法”進(jìn)行加工,試樣原始寬度12.5mm,原始標(biāo)距25mm,每組試樣至少取3片進(jìn)行拉伸,拉伸速度為5mm/min.采用GBS-60半自動(dòng)杯突試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行杯突實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)時(shí)壓緊力為10kN,沖頭速度為3mm/min.2織構(gòu)化的晶體結(jié)構(gòu)圖1為SMAT樣品橫截面金相組織.可以看出,樣品表面附近發(fā)生了強(qiáng)烈塑性變形,變形層厚度為80-100μm.總體來(lái)說(shuō),變形量沿深度方向逐漸減小,但同時(shí)也存在著一定的不均勻性.與變形量對(duì)應(yīng)的是,顯微組織也呈現(xiàn)出梯度變化,因此通過(guò)不同深度組織的TEM觀測(cè),可以揭示組織演變過(guò)程.圖2為SMAT樣品距離表面不同深度的TEM像和對(duì)應(yīng)的選區(qū)電子衍射(SADP).在無(wú)應(yīng)變基體附近(距離表面約100μm處),顯微組織為尺寸在亞微米量級(jí)的片層狀位錯(cuò)胞,其短軸方向尺寸在200—400nm之間,長(zhǎng)軸方向尺寸小于1μm,胞內(nèi)存在大量的位錯(cuò);對(duì)應(yīng)的SADP由規(guī)則的衍射斑組成(見(jiàn)圖2a),表明位錯(cuò)胞之間尚未形成明顯的取向差.在距離表面約75μm深度,顯微組織由等軸狀位錯(cuò)胞組成,與圖2a相比,其尺寸已明顯減小(100—200nm),內(nèi)部位錯(cuò)密度相對(duì)較高,對(duì)應(yīng)的SADP由呈環(huán)狀分布的衍射斑組成(見(jiàn)圖2b),說(shuō)明位錯(cuò)胞之間已形成小角度取向差.在距離表面約50μm處,形成了等軸狀的亞微晶,其尺寸小于200nm,內(nèi)部仍存在高密度位錯(cuò);對(duì)應(yīng)的SADP由不連續(xù)的衍射環(huán)組成(見(jiàn)圖2c),由此可以確定亞微晶之間已形成了中等程度的取向差.在處理表面,形成了等軸狀納米晶,晶粒尺寸在10—20nm之間(見(jiàn)圖2d),從對(duì)應(yīng)SADP上均勻連續(xù)分布的衍射環(huán)可以確定納米晶的取向呈隨機(jī)分布.選取與圖2對(duì)應(yīng)深度的組織進(jìn)行織構(gòu)ODF分析,結(jié)果如圖3所示.在距離表面約100μm處,織構(gòu)與典型的IF鋼冷軋織構(gòu)相同,由強(qiáng)γ-織構(gòu)(<110>∥RD)和較強(qiáng)的γ-織構(gòu)({111}∥ND)組成(圖3a),其中γ-織構(gòu)在{001}<110>,{112}<110>出現(xiàn)明顯的取向集中;γ-織構(gòu)則在{111}<110>和{111}<112>出現(xiàn)明顯的取向集中.在距離表面約75μm深度,織構(gòu)分布與圖3a相似,但強(qiáng)度已明顯減弱(見(jiàn)圖3b).在距離表面約50μm處,除了極弱的{112}<110>外,晶粒取向已呈現(xiàn)隨機(jī)分布,如圖3c所示.在表面,晶粒的擇優(yōu)取向已完全消失,晶粒取向呈隨機(jī)分布,見(jiàn)圖3d所示.對(duì)雙面經(jīng)過(guò)SMAT的樣品進(jìn)行性能測(cè)試,結(jié)果如圖4所示.與SMAT前相比,板材整體的屈服強(qiáng)度由589MPa提高至592MPa,抗拉強(qiáng)度由627MPa提高至670MPa,延伸率由10%提高至17%(見(jiàn)圖4a).杯突實(shí)驗(yàn)表明,SMAT使板材整體的成型性能得到改善,其中使材料破裂所需的最大力由10.3kN提高到11.2kN,杯突值由6.09提高到6.52(見(jiàn)圖4b).3分析與討論3.1位錯(cuò)密度對(duì)比IF鋼為具有高層錯(cuò)能的體心立方金屬,通過(guò)不同深度組織的TEM觀測(cè),可以將外加載荷作用下的晶粒細(xì)化過(guò)程歸納如下:粗晶內(nèi)部首先產(chǎn)生大量的位錯(cuò),當(dāng)位錯(cuò)密度達(dá)到一定程度時(shí),發(fā)生位錯(cuò)的湮滅和重組而形成位錯(cuò)胞,如圖3a,b所示;通過(guò)不斷吸收位錯(cuò),位錯(cuò)胞壁轉(zhuǎn)化成亞晶界,將原始粗晶分割成亞微晶,同時(shí)亞微晶之間的取向差逐漸增大,如圖3c所示;亞微晶內(nèi)繼續(xù)重復(fù)上述過(guò)程,使晶粒尺寸逐漸減小、取向差逐漸增大,最終形成等軸狀、取向呈隨機(jī)分布的納米晶組織,如圖3d所示.由此可見(jiàn),IF鋼的晶粒細(xì)化過(guò)程與無(wú)織構(gòu)的工業(yè)純鐵基本相同3.2高羊茅結(jié)構(gòu)與低羊茅方向之間的關(guān)系在常規(guī)的冷軋方式下,由于板材整體發(fā)生了均勻變形,因此會(huì)隨著壓下量的增加而發(fā)生織構(gòu)組分的改變3.3u3000定長(zhǎng)鋼的織構(gòu)的速度結(jié)構(gòu)盡管在晶粒細(xì)化和取向差逐漸增大的過(guò)程中各種織構(gòu)組分的強(qiáng)度均下降,但其速度明顯不同.圖5為α-和γ-織構(gòu)強(qiáng)度沿SMAT樣品深度的變化.對(duì)于α-織構(gòu),最強(qiáng)的{100}<110>下降最快;次強(qiáng)的{112}<110>下降較慢,在另外的三種弱組分中,{111}<110>下降的速度大于{221}<110>和{110}<110>(見(jiàn)圖5a),即在軋向同為<110>的情況下,織構(gòu)強(qiáng)度下降速度按以下軋面順序排列:{100}>{111}>{11l}(l=1,2,3,…).對(duì)于γ-織構(gòu),{111}<112>和{111}<110>織構(gòu)取向密度下降的速度相同(圖5b),即在軋面取向相同的情況下,軋向?qū)棙?gòu)強(qiáng)度的下降速度無(wú)影響.由圖2可以看出,IF鋼的晶粒細(xì)化完全由位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和演變來(lái)完成.在同樣的加載狀態(tài)下,具有不同軋面取向的晶粒細(xì)化速度不同主要與滑移系有關(guān).在體心立方金屬中,{110}<111>,{112}<111>和{123}<111>滑移系共有48組.多晶體變形時(shí),每個(gè)晶粒在同一宏觀外力張量作用下,各晶粒只有取向因子最大的滑移系可以開(kāi)動(dòng),因此在以正壓力為主的外加載荷的作用下?lián)丝梢缘贸?對(duì)于體心立方金屬而言,較強(qiáng)的{100}或{111}面織構(gòu)將有助于加快表面納米化的進(jìn)程.3.4顆粒結(jié)構(gòu)的影響經(jīng)過(guò)SMAT后,IF鋼板材整體的強(qiáng)度、延伸率和成形性均有不同程度的提高,主要是由于:(1)根據(jù)HallPetch關(guān)系,材料的強(qiáng)度隨著晶粒尺寸的減小而增大,當(dāng)板材的表面形成納米結(jié)構(gòu)時(shí),必然會(huì)產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng);同時(shí),SMAT在材料表層引入的壓應(yīng)力又具有加工硬化效應(yīng)由此可見(jiàn),SMAT不僅解決了納米材料強(qiáng)度升高與韌性下降之間的矛盾,同時(shí)也改善了IF鋼板材整體的成形性,因此有開(kāi)發(fā)應(yīng)用潛力.4鋼板材納米化的響應(yīng)分析(1)冷軋IF鋼的表面納