秦炳雪，周旭东

(河南科技大学 材料科学与工程学院，河南 洛阳 471023)



SPCC冷轧钢等温退火的微观组织和力学性能

秦炳雪，周旭东

(河南科技大学 材料科学与工程学院，河南 洛阳 471023)

摘要：在Gleeble-1500D热模拟机上，对SPCC冷轧钢进行等温退火试验和力学性能测试。分析了不同退火温度和保温时间对SPCC冷轧钢组织和性能的影响，建立了等温退火工艺参数与SPCC冷轧钢板力学性能间的数学模型。研究结果表明：退火温度低于550 ℃时，只发生铁素体回复；650～850 ℃时，发生铁素体的再结晶及晶粒长大。屈服强度和抗拉强度随退火温度升高而降低，在650 ℃时大幅度下降，850 ℃时达到最低。同样退火温度下，屈服强度和抗拉强度随保温时间增加先下降后趋于稳定。采用加权平均法建立SPCC冷轧钢力学性能模型，并对模型进行了验证。屈服强度、抗拉强度和伸长率的平均绝对误差分别为20.2 MPa、23.2 MPa和1.4%，平均相对误差分别为3.9%、4.3%和10.7%，证明模型具有较高的精度。

关键词：SPCC冷轧钢；等温退火；微观组织；力学性能

0引言

冷轧钢板以其精确的尺寸、光洁的表面和良好的性能，广泛应用于汽车制造、电气产品、机车车辆、航空、精密仪表和食品罐头等领域[1-2]。随着市场竞争的日益激烈，生产企业和用户对钢板尺寸精度、机械性能和钢板表面品质提出了越来越高的要求。钢板良好的性能必须经过合适的热处理工艺得到，退火处理是冷轧钢板实际生产中常用的热处理方法，是冷轧钢板到成品钢板过程中必不可少的工序，对钢板最终组织与性能起调整控制作用[3-5]。

关于热处理工艺对钢组织和性能影响的研究很多[6-10]，但多数只是从组织分析上定性归纳材料力学性能的变化，没有定量描述热处理工艺与力学性能之间的关系。在冷轧钢实际生产中退火工艺的制定多数以经验为主，建立退火工艺与钢板性能之间的数学模型，可以预测钢板的性能，优化生产工艺，控制钢板质量。本文以SPCC冷轧钢为研究对象，分析了不同退火温度和保温时间对钢板组织和力学性能的影响，并建立了力学性能的数学模型，便于生产中根据客户对性能的需求，选取合适的退火工艺。

1试验材料和方法

试验材料选用上海宝钢生产的冷轧态C-Mn钢板，牌号为SPCC，其主要化学成分见表1。用线切割的方法将钢板沿其轧制方向加工成150 mm×25 mm×1 mm规格的试样，用Gleeble-1500D热模拟机进行等温退火试验。

表1　SPCC冷轧钢化学成分(质量分数)　 %

注：Alt为全铝；Als为酸溶铝。

等温退火工艺如下：将试样以50 ℃/s的速度加热到等温温度T(500 ℃、550 ℃、650 ℃、700 ℃(保温100 s)、750 ℃、800℃(保温100 s)、850 ℃)，然后，保温一定时间t(2 s、5 s、20 s、100 s、1 000 s)，再以50 ℃/s的速度冷却至室温。

图1　拉伸试样

将退火后的试样进行标记，加工成拉伸试样，如图1 所示。用Gleeble-1500D热模拟机进行拉伸试验，拉伸速率为0.001 s-1，按GB/T 228.1—2010要求测得屈服强度ReH、抗拉强度Rm和伸长率A。

拉伸试样加工后切下的余料保留，沿中间位置横向剖开，加工成金相试样，研磨、抛光，用4%(体积分数)的硝酸酒精溶液浸蚀，在JSM-5610LV扫描电子显微镜(scanning electron microscopy，SEM)下进行组织观察。

2试验结果与分析

2.1　显微组织分析

2.1.1SPCC冷轧钢原始组织

图2为未经退火的SPCC冷轧钢原始试样的显微组织，组织形貌为铁素体，形态为典型冷轧纤维组织，铁素体晶粒沿轧制方向伸长。

图2　SPCC冷轧钢原始组织

2.1.2不同退火温度的组织变化

以保温1 000 s为例分析退火温度对组织的影响。图3为不同的退火温度下保温1 000 s时的室温组织。 由图3a和图3b可看出：500 ℃和550 ℃纤维组织明显，组织形态与原始组织相比未发生明显变化。这是由于加热温度较低，热激活能较低，组织仅发生铁素体晶粒的回复。由图3c可看出：温度升高到650 ℃，部分铁素体已经发生再结晶，组织中出现大量的等轴晶粒，略呈变形方向取向。随着温度升高，原子活动能力增强，铁素体回复再结晶程度增加，到750 ℃组织基本已全为等轴晶粒，组织无明显方向性，如图3d所示，说明再结晶已基本完成。由于温度上升加快了晶粒长大速度[11]，750 ℃相比于650 ℃，铁素体平均晶粒尺寸从6.29 μm增大至7.29 μm。再结晶完成后，新等轴晶已完全接触，继续升高温度，大角度晶界移动并吞食其他晶粒，晶粒仍然可以继续长大，因此，当温度升高到850 ℃，保温1 000 s后得到均匀粗大的铁素体组织，如图3e所示，平均晶粒尺寸为10.87 μm。

图3　不同退火温度下保温1 000 s时的室温组织

2.1.3不同保温时间的组织变化

以退火温度为650 ℃时为例，观察不同保温时间对组织的影响。图4为退火温度650 ℃，保温2 s、5 s、20 s和100 s时的室温组织。由图4a可以看出：在保温2 s时，铁素体晶粒已发生明显的再结晶，组织中开始出现等轴晶粒，由于保温时间过短，铁素体没有足够时间发生再结晶，纤维组织依然可见。保温时间延长到5 s，组织中等轴晶粒数量明显增多，如图4b所示，纤维组织变得不很明显，说明再结晶程度增加。保温时间从2 s延长到5 s，铁素体平均晶粒尺寸从5.07 μm增加到5.63 μm。保温时间为20 s和100 s时，组织形态与5 s时相似，如图4c和图4d所示，但平均晶粒尺寸略有增大，分别为6.44 μm和 6.81 μm。说明在650 ℃退火温度下，保温时间低于5 s时，保温时间对铁素体再结晶影响显著，且再结晶程度随保温时间的增加而增加；超过5 s后，保温时间继续增加，组织趋于稳定，铁素体晶粒尺寸随保温时间增加略微增大。

图4　退火温度为650 ℃时不同保温时间的室温组织

图5　不同等温退火工艺的屈服强度

2.2　力学性能分析

2.2.1屈服强度

将相关数据处理后，不同等温退火工艺条件下屈服强度ReH值如图5所示。由图5可知：经过等温退火后，试样屈服强度与原始试样的屈服强度(677.8 MPa)相比，均呈现不同程度的降低，等温退火温度越高，屈服强度越低；同样退火温度下，屈服强度随着保温时间增加先下降后趋于稳定；但屈服强度最终稳定在350 MPa左右。主要是由于低于550 ℃时铁素体发生回复，组织内部位错、空位等缺陷逐渐消除，致使屈服强度有所降低；650 ℃时由于铁素体的再结晶，屈服强度大幅度下降；随着温度升高，铁素体回复再结晶程度增加，屈服强度又进一步降低；850 ℃时由于再结晶完成后铁素体晶粒的长大，屈服强度达到最低。

2.2.2抗拉强度

图6为不同等温退火工艺条件下抗拉强度Rm值，其中，773.8 MPa为原始试样的抗拉强度。抗拉强度随退火工艺变化趋势与屈服强度相似，随温度的升高而降低。650 ℃时抗拉强度急剧下降，但750 ℃时抗拉强度已达到最低，850 ℃时与750 ℃时接近，说明再结晶完成后的晶粒长大对屈服强度的影响较抗拉强度显著。

2.2.3伸长率

图7为不同的等温退火工艺条件下伸长率A值。由图7可看出：伸长率变化趋势与屈服强度和抗拉强度的变化趋势相反，退火后伸长率均有所升高，伸长率最大升高了22.94%。退火温度在650 ℃及以上时，伸长率均远远大于原始材料的伸长率(4.9%)。高温退火时，伸长率变化规律较为复杂，主要原因是铁素体晶粒回复再结晶生成等轴晶会提高伸长率，但铁素体晶粒的长大又会使伸长率下降；其次，测量中也存在误差。

图6 不同等温退火工艺的抗拉强度图7 不同等温退火工艺的伸长率

3力学性能模型

本文采用已经再结晶与未再结晶部分性能加权的思想，建立了SPCC冷轧钢退火后的力学性能模型。

3.1　力学性能建模

利用再结晶分数的JAMK[12-13]模型：

f=1-exp(-ktn)，

(1)

其中：f为已经再结晶分数(体积分数)，%；n和k为与退火温度相关的常数；t为保温时间，s。

假设材料的强度为未再结晶的部分和已经再结晶的部分加权平均：

(2)

其中：y为SPCC冷轧钢等温退火后的力学性能指标值(屈服强度，MPa；抗拉强度，MPa；伸长率，%)；y1为已经再结晶部分的力学性能指标值；y0为未结晶部分的力学性能指标值(即原始试样实测的力学性能值)；a为待定参数；T为退火温度，℃。

对于在退火温度T下,从时间t1保温到t2的等温过程来说，

(3)

将式(3)代入式(2)得：

即

(4)

假设

(5)

其中：A，m为待定参数；T0为某一温度值，℃。

将式(5)代入式(4)得到：

(6)

3.2　模型拟合结果

根据上述试验测得的各力学性能指标值，采用Origin 9.0软件按照式(6)进行非线性曲线拟合。模型中，力学性能指标为因变量，退火温度和时间为自变量，求出各待定参数值，最终得到各性能指标的数学模型如下。屈服强度、抗拉强度和伸长率模型的决定因数分别为0.926 0、0.944 3和0.925 3。

(Ⅰ)屈服强度模型：

(7)

(Ⅱ)抗拉强度模型：

(8)

(Ⅲ)伸长率模型：

(9)

3.3　误差分析

(10)

(11)

表2　力学性能模型的误差

根据模型计算结果与实际测量值，按照式(10)和式(11)计算出各力学性能指标的平均绝对误差和平均相对误差，如表2所示。由表2可看出：模型值与实际值的误差较小，相对实际值吻合程度较高。

3.4　模型验证

以退火温度为700 ℃和800 ℃，保温100 s时测得的力学性能对模型进行验证，结果如表3所示。各力学性能指标的绝对误差和相对误差均较小，说明模型具有较高精度，可用于指导实际生产。

表3　力学性能模型验证结果

4结论

(1)SPCC冷轧钢等温退火温度低于550 ℃时，保温过程只发生铁素体回复；650～850 ℃时铁素体发生再结晶及晶粒长大，再结晶程度随温度升高和保温时间增加而增加。

(2)SPCC冷轧钢的屈服强度和抗拉强度均随退火温度升高而降低，同样温度下，随保温时间增加先下降后趋于稳定；650 ℃时由于铁素体发生再结晶，屈服强度和抗拉强度大幅度下降；随温度升高，再结晶程度增加，屈服强度和抗拉强度进一步降低；850 ℃时，再结晶完成后由于铁素体晶粒长大，屈服强度和抗拉强度达到最低。

(3)根据等温退火性能测试数据，采用加权平均法建立SPCC冷轧钢屈服强度、抗拉强度及伸长率模型，平均绝对误差分别为20.2 MPa、23.2 MPa和1.4%，平均相对误差分别为3.9%、4.3%和10.7%。说明模型有较高的精度，在实际生产中对退火工艺的优化有一定的指导作用。

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中图分类号：TG156.1；TG113.12

文献标志码：A

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.02.001

文章编号：1672-6871(2016)02-0001-06

收稿日期：2015-09-25

作者简介：秦炳雪(1990-),女，河南南阳人，硕士生;周旭东(1963-),男,辽宁凌海人，教授,博士后,硕士生导师,主要从事材料成形模拟技术方面的研究.

基金项目：国家自然科学基金项目(51575162)