IF鋼物理冶金原理與關(guān)鍵工藝技術(shù)1

IF鋼物理冶金原理與關(guān)鍵技術(shù)

北京科技大學(xué)冶金工程研究院首鋼－北科大汽車用鋼聯(lián)合研究中心高效軋制國(guó)家工程中心品種開發(fā)部目錄1、IF鋼的特點(diǎn)2、IF性能控制原理3、IF鋼關(guān)鍵工藝技術(shù)4、Ti-IF鋼的實(shí)驗(yàn)結(jié)果5、（Nb+Ti)-IF鋼實(shí)驗(yàn)結(jié)果6、高強(qiáng)IF鋼的實(shí)驗(yàn)結(jié)果1、IF鋼的特點(diǎn)IF鋼是在超低碳鋼（C<0.005％，N<0.003％）中加入一定量的Ti、Nb，使鋼中C、N原子被固定成碳化物、氮化物，而鋼中無間隙固溶原子存在。IF鋼(Interstitialfreesteel)，即無間隙原子鋼，實(shí)際上是一種超低碳無間隙固溶體鐵素體鋼。IF鋼是成形性最好的汽車用鋼。固溶體（SolidSolution）:溶質(zhì)元素溶解與溶劑的晶格中，形成的單相固體稱為固溶體。溶體與溶劑有相同晶格。有兩種固溶體：置換(或代位)固溶體(SubstitutionalSolidSolution)間隙(填隙)固溶體(InterstitialSolidSolution)SubstitutesolutionInterstitialsolutionδ=|r質(zhì)-r劑|/r劑<0.15r質(zhì)/r劑<0.6元素CHONBFe原子半徑/nm0.0770.0460.0600.0710.0970.130Fe原子半徑與C原子半徑的比0.59，形成間隙固溶體。同樣鋼中的N、H和B形成間隙固溶體。

當(dāng)溶質(zhì)元素的原子直徑與溶劑元素的原子直徑之比小于0.6時(shí)，易于形成間隙固溶體，而在直徑大小差不多的元素之間易于形成置換固溶體。鐵素體－體心立方結(jié)構(gòu)具有體心立方結(jié)構(gòu)的金屬有：釩、鈮、鉭、鉬、鋇、b-鈦（>880°C）a-鐵（<910°C）、d-鐵（>1400°C）、a-鎢…等。原子位置立方體的八個(gè)頂角和體心。每個(gè)晶胞含兩個(gè)原子,原子的坐標(biāo)是(000)，(1/21/21/2)。InterstitialsitesforBCC扁八面體間隙由6個(gè)原子組成的八面體所圍的八面體所圍的間隙，半徑八面體間隙半徑r八面為:四面體間隙由4個(gè)原子圍成，間隙半徑為r四面為:超低碳微合金化鋼質(zhì)純凈成分特征性能特征深沖性能好非時(shí)效性組織特征屈強(qiáng)比低IF鋼特征單相鐵素體無間隙固溶體強(qiáng)度低塑性好細(xì)小第二相成分組織性能成分組織性能工藝1）、IF鋼的組織特征無間隙固溶體單相鐵素體細(xì)小彌散分布的第二相粒子

2）、IF鋼的成分特征超低碳：一般C<50ppm，目前最好水平碳可以達(dá)到10ppm微合金化：鈮、鈦在鋼中碳化物相對(duì)穩(wěn)定性的順序如下：Hf>Zr>Ti>Ta>Nb>V>W>Mo>Cr>Mn>Fe>Co>Ni鉿、鋯、鈦、鈮、釩是強(qiáng)碳化物形成元素，形成最穩(wěn)定的MC型碳化物；鎢、鉬、鉻是中等強(qiáng)碳化物形成元素；錳、鐵是弱碳化物形成元素。鋼質(zhì)純凈：雜質(zhì)元素少3）、IF鋼的性能特征屈服強(qiáng)度低、屈強(qiáng)比低塑性好深沖性（成型性）好無時(shí)效性軟鋼

YS<210MPaHSSYS210-550MPaUHSS

YS>550MPa軟鋼

TS <270MPaHSS

TS 270-700MPaUHSS

TS >700MPa第一代AHSS：已經(jīng)應(yīng)用，不斷完善第二代AHSS：TWIP鋼具備應(yīng)有條件第三代AHSS：正在開發(fā)第一代先進(jìn)高強(qiáng)鋼（AHSS：advancedhighstrengthsteels）：強(qiáng)塑積在10000~25000MPA%，包括傳統(tǒng)的雙相鋼DP、TRIP鋼第二代先進(jìn)高強(qiáng)鋼：以TWIP鋼為代表的U-AHSS，強(qiáng)度與延伸率的乘積在60000MPA%第三代先進(jìn)高強(qiáng)鋼：

X-AHSS，強(qiáng)塑積介于兩者之間。

highformablesuperformableextraformableHighstrengthIFsteelTi-IF鋼Ti與N、S和C結(jié)合生成復(fù)合的化合物，Ti的最少加入量為：

Ti≥3.42N+1.5S+4C一般認(rèn)為Ti先與N、S結(jié)合，再與C結(jié)合，因此存在有效Ti量（標(biāo)為Ti*）和過剩Ti量（標(biāo)為[Ti]）為：

Ti*＝Ti－3.42N－1.5S[Ti]＝Ti－3.42N－1.5S－4C特點(diǎn)：（1）力學(xué)性能優(yōu)異且穩(wěn)定，對(duì)成分和生產(chǎn)工藝參數(shù)的變化不敏感；（2）力學(xué)性能的平面各向異性（Δr,Δδ）較大；（3）鍍層抗粉化能力較差。Nb-IF鋼在Nb-IF鋼中，C與Nb結(jié)合形成NbC，N與Al結(jié)合形成AlN，S與Mn結(jié)合形成MnS，Nb的最少加入量為：

Nb(%)≥7.75C(%)Nbexcess=Nbtotal－7.75C特點(diǎn)：（1）力學(xué)性能的平面各向異性（Δr,Δδ）小；（2）鍍層抗粉化能力好；（3）r值及δ值不及Ti－IF鋼好，且再結(jié)晶溫度明顯高于Ti－IF鋼，力學(xué)性能對(duì)生產(chǎn)工藝參數(shù)的變化比較敏感，采用高溫卷取會(huì)帶來板卷頭尾性能較差，可操作性差。(Nb＋Ti)－IF鋼在(Nb＋Ti)－IF鋼中，N與Ti結(jié)合形成TiN，C與Nb結(jié)合形成NbC，合金元素的加入量為:(Nb＋Ti)/(C＋N)>1(at%)Nb(%)=0.05~0.4Ti(%)化合物的析出順序?yàn)門iN－TiS－TiC－NbC，假設(shè)沒有過剩Ti存在，則過剩Nb量為：

Nbexcess=Nbtotal－7.75{C－[Ti－(3.42N＋1.5S)/4]}特點(diǎn)：在

(Nb＋Ti)－IF鋼兼有Ti－IF和Nb－IF鋼兩者的優(yōu)點(diǎn)（1）力學(xué)性能比Nb-IF要好；（2）力學(xué)性能對(duì)工藝不敏感，整卷性能均勻；（3）鍍層具有良好的抗粉化能力。

屈服強(qiáng)度(可表示為σs或YS)：?jiǎn)蜗蚶煸囼?yàn)中，薄鋼板首先表現(xiàn)出可測(cè)的永久塑性變形時(shí)的工程應(yīng)力。對(duì)于具有不連續(xù)屈服現(xiàn)象即出現(xiàn)屈服點(diǎn)的材料，一般取最小下屈服點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度；對(duì)于連續(xù)屈服即無明顯屈服點(diǎn)的材料，通常用0.2%永久伸長(zhǎng)變形時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度。

σs值決定了薄鋼板沖壓成形中開始產(chǎn)生塑性變形時(shí)所需載荷。σs值越大，所需的成形力越大。1)屈服強(qiáng)度（1)汽車板的性能要求2、IF鋼的性能控制原理2)抗拉強(qiáng)度

抗拉強(qiáng)度(可表示為σb或TS)：?jiǎn)蜗蚶煸囼?yàn)中，薄鋼板達(dá)到最大載荷時(shí)的工程應(yīng)力。

σb值決定了薄鋼板沖壓成形時(shí)所能施加的最大載荷。σb值越大，沖壓成形時(shí)零件危險(xiǎn)截面的承載能力越高，其對(duì)應(yīng)的變形程度越大。在薄鋼板與沖壓成形性能有關(guān)的其他性能基本相同前提下，薄鋼板的σb值大，則它的沖壓成形性能好。

屈強(qiáng)比(可表示為σs/σb或YS/TS)：薄鋼板屈服強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度之比。

σs/σb值越小，表明沖壓成形的薄鋼板在破壞之前可進(jìn)行更大的變形和加工，特別是拉脹成形過程。因此，它的綜合沖壓成形性能越好，成形后零件的形狀固定性也越好。3)屈強(qiáng)比塑性是指金屬材料在載荷外力的作用下，產(chǎn)生永久變形（塑性變形）而不被破壞的能力。金屬材料在受到拉伸時(shí)，長(zhǎng)度和橫截面積都要發(fā)生變化，因此，金屬的塑性可以用長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)（延伸率）和斷面的收縮（斷面收縮率）兩個(gè)指標(biāo)來衡量。4）塑性-總伸長(zhǎng)率和均勻伸長(zhǎng)率斷后伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率ψ，分別定義為：式中：

F0——試樣的原始截面積；L0——試樣的原始長(zhǎng)度；Lk——斷裂時(shí)試樣的標(biāo)距長(zhǎng)度；Fk——試樣斷裂處的橫截面積。金屬材料的延伸率和斷面收縮率愈大，表示該材料的塑性愈好，即材料能承受較大的塑性變形而不破壞。塑性好的材料，它能在較大的宏觀范圍內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，并在塑性變形的同時(shí)使金屬材料因塑性變形而強(qiáng)化，從而提高材料的強(qiáng)度，保證了零件的安全使用。此外，塑性好的材料可以順利地進(jìn)行某些成型工藝加工，如沖壓、冷彎、冷拔、校直等。因此，選擇金屬材料作機(jī)械零件時(shí)，必須滿足一定的塑性指標(biāo)。

塑性應(yīng)變比(可表示為r）單向拉伸試驗(yàn)中，薄鋼板寬向應(yīng)變和厚向應(yīng)變的增量比，由于這一比值隨變形變化不大，故通常采用全量應(yīng)變比來表示，即：

5)塑性應(yīng)變比

這一指標(biāo)是由Lankford于1950年提出的，它反映了薄板承受載荷時(shí)抵抗厚向變形的能力，即r值越大，薄鋼板抵抗厚向變形的能力越強(qiáng)，可作為衡量薄板各向異性(主要是厚向異性的)一種量度。它與許多模擬成形性試驗(yàn)指標(biāo)有很好的相關(guān)性，是評(píng)價(jià)薄鋼板沖壓成形性能的重要指標(biāo)，特別是深沖性能(也稱作拉深性能或壓延性能)。

對(duì)于薄鋼板，通常其r值隨試樣取向不同而變化，故定義它的平均值及平面各向異性系數(shù)為：6)塑性應(yīng)變比平均值及平面各向異性系數(shù)式中：下標(biāo)0、45、90表示單向拉伸試樣的取向與薄鋼板軋制方向的夾角。

Δr值反映了板面上各方向r值變化的程度，它與壓延成形時(shí)凸耳的大小具有密切相關(guān)性，Δ

r值大，則凸耳大；反之相反。Δr<0，拉深件凸耳在或方向；Δr>0，拉深件凸耳在方向。

應(yīng)變硬化指數(shù)(strainhardeningcoefficient)n的大小，反映了材料抵抗進(jìn)一步發(fā)生塑性變形的能力。在極限情況下，當(dāng)n＝l時(shí)，是說明材料處于理想彈性狀態(tài)；當(dāng)n＝0時(shí)，表示材料處于理想塑性狀態(tài)。一般的材料其n值均介于0與1之間。

n值高，就表明在同樣的應(yīng)變值下(加工變形量)，材料的強(qiáng)度升高得更快。在純金屬中，面心立方晶格金屬比體心立方晶格金屬的應(yīng)變硬化率高；而合金的應(yīng)變硬化率則又比純金屬為高。這同這些金屬中的位錯(cuò)的性質(zhì)及位錯(cuò)增殖的情況等有關(guān)。7)應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)

應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)(可表示為n)：?jiǎn)蜗蚶煸囼?yàn)中，薄鋼板應(yīng)力—應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系近似表達(dá)式中的冪指數(shù):式中：下標(biāo)0、45、90表示單向拉伸試樣的取向與薄鋼板軋制方向的夾角。n值在數(shù)量上等于或近似等于試樣剛開始出現(xiàn)頸縮時(shí)的真實(shí)應(yīng)變。

n值隨試樣在薄鋼板上取向的不同而變化，通常用它的平均值，即：值也是衡量薄鋼板在塑性變形過程中形變強(qiáng)化能力的一種量度，沖壓件的最終強(qiáng)度、均勻伸長(zhǎng)量、成形極限圖、應(yīng)變分布和其他許多成形變量都與它有關(guān)，它還反映了薄鋼板沖壓變形時(shí)應(yīng)變均化的能力。值是評(píng)價(jià)薄鋼板沖壓成形性能的重要參數(shù)。值越高，薄鋼板的沖壓成形性能越好，特別是拉脹性能。值大小主要取決于鋼質(zhì)的純凈度和鐵素體組織晶粒尺寸，提高鋼質(zhì)的純凈度和適當(dāng)增大鐵素體組織晶粒尺寸都可使值增加。

沖壓成形性能：薄鋼板適應(yīng)沖壓成形過程的能力，即指薄鋼板在沖壓成形過程中抵抗失效(如斷裂、瓢曲、起皺、形狀扭曲等)的能力。也可理解為薄鋼板在沖壓成形過程中發(fā)生破壞前可得到的最大變形程度。具有極佳沖壓成形性能的薄鋼板應(yīng)表現(xiàn)為：①具有均勻分布應(yīng)變；②承受平面內(nèi)壓縮應(yīng)力而無起皺；③可達(dá)到較高的應(yīng)變而無頸縮和斷裂；④承受平面內(nèi)剪切應(yīng)力而無斷裂；⑤變形的零件由凹模出來后保持形狀不變；⑥保持表面光潔且無損傷。8)沖壓成形性能焊接性能：薄鋼板適應(yīng)焊接的能力。薄鋼板的焊接性能取決于它所含元素的種類及其含量。其中，碳當(dāng)量的影響很大，可作為判別焊接性能的主要標(biāo)志。薄鋼板的含碳量越小且鋼質(zhì)越純凈，焊接性能越好。此外，焊接性能也與薄鋼板厚度、強(qiáng)度和焊接方法有關(guān)。板厚越小，焊接性能越差，只能采用點(diǎn)焊方法；強(qiáng)度提高，焊接條件的范圍變窄。9)焊接性能：鍍層附著性能：薄鋼板表面與鍍層之間相互結(jié)合的能力。鍍層附著性能主要與薄鋼板和涂鍍材料的成分以及涂鍍工藝有關(guān)。鋼質(zhì)純凈，基板表層晶粒的晶界過于潔凈，會(huì)引起快速合金化反應(yīng)，不利于鍍層附著性能。不同的涂鍍材料所對(duì)應(yīng)的鍍層附著性能不同，目前普遍采用由鋅和少量鋁配制的涂鍍材料。電鍍工藝較比熱鍍工藝可得到好的鍍層附著性能。10)鍍層附著性能彈性變形1.Initial2.Load3.UnloadFdbondsstretchreturntoinitialshape（2）為何必須得到無間隙原子的鐵素體？塑性變形-晶面滑移1.Initial2.Load3.UnloadplanesstillshearedFdelastic+plasticbondsstretch&planessheardplastic

塑性形變的主要機(jī)制是滑移，滑移的臨界分切應(yīng)力可作為起始塑性形變切應(yīng)力的估計(jì)，它取決于位錯(cuò)源開動(dòng)所需的力以及位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需克服的P-N力等阻力。起始塑性形變所需要的切應(yīng)力越高，晶體材料的屈服強(qiáng)度越高。τττ晶面的滑移可以通過位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。滑移面滑移臺(tái)階ττ滑移面與滑移方向大致是最密排面和最密排方向，因?yàn)榇藭r(shí)派納力最小。b：柏氏矢量G：切變模量γ：泊松比a：滑移面的面間距間隙的固溶原子，阻礙了晶面的滑移，也對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)取釘扎作用，對(duì)塑性變形不利。因此，無間隙固溶體的超純鐵素體具有低的屈服強(qiáng)度，好的成形性。

一個(gè)滑移面和此面上的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)滑移系。

bcc滑移系滑移方向?yàn)?lt;111>，滑移面有{110}，可能出現(xiàn){112}、{123}滑移面。織構(gòu)類型r值{001}<110>{112}<110>{111}<110>{111}<112>{554}<225>{110}<001>0.42.12.62.62.51.1

r值是衡量鋼板深沖性能的重要指標(biāo)。若{111}晶面平行于軋面的晶粒比例較高，對(duì)應(yīng)的r值就高，而{100}晶粒比例高，對(duì)鋼板的r值不利。右圖為各類織構(gòu)與r值的關(guān)系。（3）r值與織構(gòu)控制（4）高強(qiáng)IF鋼的強(qiáng)化機(jī)理有四種金屬材料強(qiáng)化:(1)固溶強(qiáng)化；(2)形變強(qiáng)化；(3)沉淀強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化；(4)晶界和亞晶強(qiáng)化。前三種機(jī)制在提高材料強(qiáng)度的同時(shí)，也降低了塑性，只有細(xì)化晶粒和亞晶，既能提高強(qiáng)度又能增加塑性。細(xì)晶強(qiáng)化可以提高材料的抗拉強(qiáng)度，微裂紋穿越晶界時(shí)將受到晶界的阻礙，晶粒越細(xì)小，微裂紋擴(kuò)展所消耗的能量越大，其作用效果同樣可以用Hall-Petch公式來表征：理論估算結(jié)果表明鋼鐵材料中ky的數(shù)值約24.7MPa.mm1/2，大量實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果也驗(yàn)證了鋼鐵材料的抗拉強(qiáng)度的Hall-Petch公式的正確性，得到的系數(shù)kT的數(shù)值在7.7-15.7MPa.mm1/2之間，目前通常采用13.4MPa.mm1/2。細(xì)化晶粒提高材料抗拉強(qiáng)度的作用小于其提高屈服強(qiáng)度的作用。第二相及夾雜物顆粒由于相界的作用類似于晶界可阻止微裂紋的擴(kuò)展而提高材料的抗拉強(qiáng)度：與第二相提高材料的屈服強(qiáng)度的Orowan關(guān)系式比較可看出，第二相提高材料的屈服強(qiáng)度和提高抗拉強(qiáng)度的規(guī)律基本類似，第二相體積分?jǐn)?shù)的影響規(guī)律完全一致。固溶強(qiáng)化能夠提高材料的抗拉強(qiáng)度，且提高抗拉強(qiáng)度的效果與提高屈服強(qiáng)度的效果相近。高強(qiáng)IF鋼強(qiáng)化機(jī)理：固溶強(qiáng)化IF鋼烘烤硬化IF鋼析出強(qiáng)化IF鋼

強(qiáng)化機(jī)理抗拉強(qiáng)度/MPa延伸率/%rBH/MPa固溶強(qiáng)化～340～401.9—～390～381.7—～440～361.6—烘烤硬化～30040～50≥2.030～50析出強(qiáng)化～50025～30～1.8—固溶強(qiáng)化IF鋼普通的IF鋼中加入適量的P，Si，Mn元素，通過添加P，Si，Mn等置換型固溶元素強(qiáng)化基體，在保證機(jī)械性能的同時(shí)，提高鋼板的強(qiáng)度。烘烤硬化IF鋼鋼中存在固溶C，N原子，經(jīng)過2%的預(yù)變形使位錯(cuò)密度增加，再通過170℃左右的涂漆烘烤處理，使C，N原子與位錯(cuò)交互作用，使鋼板的強(qiáng)度增加。烘烤硬化IF鋼在保持優(yōu)良的成型性的條件下，具有高強(qiáng)度和高的抗凹陷性能。

Cu析出強(qiáng)化IF鋼超低碳鋼中添加1-1.2%的銅，利用銅相的沉淀強(qiáng)化，獲得高強(qiáng)度和優(yōu)良成形兼?zhèn)涞睦滠埡蜔彳埍“濉：~冷軋薄板在保持IF鋼優(yōu)良的深沖性能的基礎(chǔ)之上，r值高達(dá)1.9，抗拉強(qiáng)度可達(dá)590MPa。新型含Nb高強(qiáng)IF鋼通過人為的向含碳0.006%的超低碳鋼添加Nb，綜合利用鈮碳化合物的析出強(qiáng)化，固溶強(qiáng)化以及細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理，開發(fā)出了強(qiáng)度級(jí)別為390-440MPa的新型冷軋高強(qiáng)IF鋼，有效的改善了沖壓成形性能和抗二次加工脆化能力。

3、IF鋼的關(guān)鍵工藝技術(shù)（1）超低碳冶煉技術(shù)（2）夾雜物控制技術(shù)（3）織構(gòu)控制技術(shù)（4）表面質(zhì)量控制技術(shù)終軋溫度略高于Ar3，低的板坯加熱溫度-高溫終軋-終軋后快冷-增大熱軋壓下率-增大變形速率-高溫卷取

鐵水預(yù)處理脫硫——復(fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉——RH真空精煉——板坯連鑄

冷軋總壓下率增加，有利于深沖性能的提高，n和r值增加，當(dāng)CRR達(dá)一定值后，r值隨壓下率的增加而降低退火條件決定鋼板的最終性能，提高退火溫度和延長(zhǎng)退火時(shí)間都對(duì)IF鋼再結(jié)晶有利。冷軋工藝退火工藝冶煉生產(chǎn)工藝熱軋工藝?yán)滠埡蠼M織變化退火狀態(tài)的金屬，典型的位錯(cuò)密度值是105～108

cm-2，而大變形后金屬材料的典型數(shù)值是1010～1012cm-2。

同種材料細(xì)晶粒樣品變形后的位錯(cuò)密度比粗晶粒的大位錯(cuò)密度（ρ）同流變應(yīng)力（σ）之間的關(guān)系是：式中——等干0.2～0.3范圍的常數(shù)；

G——剪