SPCC钢显微组织及织构研究.docx
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SPCC钢显微组织及织构研究.docx
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SPCC钢显微组织及织构研究
天津理工大学本科毕业论文选题审批表
届:
2011学院(系):
材料学院专业:
材料成型及控制工程2010年10月22日
学生姓名
熊军
学号
20070659
指导教师
王志华
职称
讲师
所选题目
SPCC钢显微组织及织构研究
题目来源
生产实践(科学技术、生产实践、实验室建设、社会经济、自拟、其它)
选题理由(选题意义、拟解决的问题、对专业知识的综合训练情况等):
本课题针对天津铁厂的酸洗连轧系统,进行产业项目的研究。
选择酸洗连轧系统生产的SPCC冷轧薄板产品,研究钢板的形变织构、金相组织、再结晶温度、力学性能,探索退火工艺参数对钢板力学性能和组织的影响规律,为天津铁厂的实际生产提供参考依据。
通过本课题的研究,使学生在材料科学基础、材料加工原理,以及材料力学性能和材料成型原理等专业课程方面得到综合训练
签字:
2010年10月22日
指导教师意见
院(系)专家组意见
教研室(研究所)意见
选题合理,适中。
签字:
2010年10月22日
签字:
年月日
签字:
年月日
注:
(1)“选题理由”由拟题人填写。
(2)本表一式二份,一份院系留存,一份发给学生,最后装订在毕业设计说明书(毕业论文)中。
天津理工大学教务处制表
天津理工大学
本科毕业论文任务书
题目:
SPCC钢显微组织及织构研究
学生姓名熊军届2011
学院材料科学与工程专业材料成型及控制工程
指导教师王志华职称讲师
下达任务日期2010年10月13日
天津理工大学教务处制
一、毕业论文内容及要求
本论文工作以红色长余辉发光材料为主线,分别用传统的高温固相法和微波法制备分别掺Sr、Al和掺Zn、Na的CaTiO3:
Pr3+的红色长余辉材料,认识Pr3+的发光机理,学会简单的光谱分析和XRD谱图的分析,了解红色长余辉材料的发展现状和今后的发展趋势。
实验内容与要求:
1.查找文献资料,翻译英文文献资料,撰写文献综述。
要求:
查出相关的中文文献资料10篇以上,英文文献5篇以上,英文文献
翻译成中文(中文字数不少于3000字)。
2.完成开题报告(字数不少于3000字)。
3.检查英文翻译,文献综述和开题。
4.确定实验方案。
5.实验阶段,整理实验数据
6.实验结果分析
7.撰写论文(字数不少于1.5万字)
8.准备答辩
二、毕业论文进度计划及检查情况记录
序号
起止日期
计划完成内容
实际完成内容
检查日期
检查人签名
1
2010.10.13~11.3
选择毕业论文题目,布置毕业论文任务
2
11.4~11.2.28
查找文献,完成英文资料翻译,撰写文献综述
3
3.1~3.17
完成开题报告,交文献综述,英文翻译电子版
5
3.18~3.30
确定实验方案
6
3.31~4.29
做实验,整理实验数据
7
4.30~5.20
实验结果分析
8
5.21~6.7
撰写论文
9
6.8~6.12
准备毕业论文答辩
注:
(1)表中“实际完成内容”、“检查人签名”栏目要求用笔填写,其余各项要求打印。
(2)毕业设计(论文)任务书一式二份,一份学院系留存,一份发给学生,
任务完成后装订在毕业设计说明书(毕业论文)内。
天津理工大学本科毕业论文开题报告
届:
2011学院:
材料科学与工程学院专业:
材料成型及控制工程2011年3月3日
毕业论文题目
SPCC钢显微组织及织构研究
学生姓名
熊军
学号
20070659
指导教师
王志华
职称
讲师
一、国内外发展状况
1.1形变织构
金属材料进行塑性变形时晶粒发生转动,结果大多数晶粒聚集到某些取向上来,形成织构。
形变织构随形变温度变化而呈现不同特点。
热变形过程中随时发生再结晶,晶体取向不断变化,因此热变形织构往往比较复杂,它随热变形条件而变,但金属冷轧之后的织构比较稳定。
随着对较薄规格热轧带钢产品需求的增加,有可能使热轧过程在较低温度下进行,这一温度降低到一定程度后铁素体大量出现,从而进入“温轧”状态。
在传统奥氏体区热轧的研究基础上,许多学者对于铁素体区轧制进行了广泛的探讨[4,6],在铁素体区热轧不仅在工艺上可行,而且经随后的冷轧及退火在成品的织构组成上表现为强烈的{111}〈110〉退火织构,使材料具有良好的深冲性能[7]。
低碳钢“铁素体区轧制”或温轧的最初设想是由传统的连铸板坯生产价格低廉的、供直接使用的热轧板,或者再进行冷轧而提出的[8]。
事实上,铁素体区轧制的优势远不止在于成本的降低TakehideSenuma[9]在研究轧制及退火工艺过程中织构的形成时,进行了γ区和α区热轧的对比,发现经过同样的后续冷却及退火后,α区热轧板比传统γ区热轧板的γm值最大高1.5,并且在板中部形成更有利于深冲的再结晶织构。
1.1.1热轧钢板的织构
奥氏体相变形成铁素体时,铁素体织构会与奥氏体织构具有一定的取向关系。
到目前为止,在钢的研究中所用到的最基本的取向关系主要有三种[6],即B(Bain)、K-S(Kurdjumov-Sachs)和N-W(Nishiyama-Wassermann)。
当钢的奥氏体向铁素体或马氏体转变时,通常遵循K-S关系,这相当于γ和α两种晶格共<112>轴旋转90度。
如果织构遗传没有取向选择性,如图表1.1所示,那么奥氏体再结晶织构{001}<100>将转化为{001}<110>、{110}<001>和{110}<110>三个取向密度相当的织构组分;而奥氏体轧制织构中,Copper织构将主要转化为{112}{113}<110>、{110}<110>、{210}<120>和{123}<210>
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四种织构组分,其中以{112}{113}<110>为主,其取向密度是其它组分的两倍;Brass织构将主要转化为{111}<112>~<123>、{112}<113>、{001}<120>和{001}<110>四种织构,其取向密度依次减弱;S型织构只有5/24转化为{112}<113>,可见S型织构虽然在奥氏体轧制织构中最强,但在γ/α相变过程中却被严重分散,故其遗传性较弱;Goss织构将均等地转化为{001}<100>、{111}<110>和{112}<110>三种织构组分。
表1.1主要奥氏体织的相变织构及发生频次
Table1.1phasetransformationtextureofmainAusteniteandtheoccurrencefrequency
注:
1)包括2个近{113}<110>取向;2)包括2个{332}<113>取向和2个{111}<112>取向
在钢的控轧控冷中,为了改善组织和力学性能,往往采取两相区或铁素体区轧制,它们都涉及铁素体变形从而产生较强的铁素体轧制织构。
钢的铁素体温轧和铁素体冷轧产生较为相似的铁素体织构,即不完整α取向线({001}<110>{111}<110>)和γ完整取向线({111}<112>~{111}<110>,包括{554}<225>)。
铁素体轧制时的最稳定织构取向是{223}<110>,当铁素体轧制之前的初始织构处在上述A、B两条路径上时,均会出现沿A、B路径向稳定取向{223}<110>转动的趋势。
然而,在实际轧制过程中,这种取向的演变是有条件的,往往不能彻底演变为最稳定取向。
所以,钢在铁素体轧制后通常会出现较强的中间状态织构取向,比如{001}<110>、{112}<110>、{554}<225>、{111}<112>和{111}<110>等。
1.1.2冷轧织构
关于冷轧及退火工艺对低碳及超低碳钢织构的影响已有研究[3],低碳及超低碳钢的冷
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轧织构主要由平行于板法向的ND纤维织构及平行于轧向的RD纤维织构{001}〈110〉和{111}〈110〉组成,这些织构主要受热轧织构影响。
强烈冷轧后的材料经退火可增强其ND纤维织构,减弱其RD纤维织构。
退火织构的强度,尤其是{111}组分,主要依赖于热轧织构、晶粒尺寸以及卷取温度、冷变形程度和合金化学成分。
{111}织构对钢板获得良好的深冲性能非常有利,而{001}则产生不利影响。
1.2测量钢板织构的方法
1.2.1XRD法
XRD法的基本原理是将X射线探测器置于符合布拉格方程的2θB位置上,试样围绕入射点做空间旋转,使各方位的晶粒都陆续进入衍射方位(一般参与衍射的晶粒数达数千个),连续测量衍射强度。
若试样无织构,则强度不变;若试样存在织构,强度则随试样的方位而变化。
衍射强度正比于发生衍射晶面的极点密度。
将强度分级,按其相应的方位标在极射赤面投影图上,就得到极图,由极图即可分析出试样的织构信息。
测量是在带有织构测量附件的X射线衍射仪上进行。
XRD法适合于对材料织构信息的整体测量,由于被测量的晶粒数达几千个,因此得到的织构信息是一个宏观统计值,能较全面反映出材料的所有不同织构信息。
60年代中期,德国科学家Bunge等人发明了ODF(取向分布函数)理论[1],该理论给出织构的定量分析值,使XRD法在材料织构测量应用方面得到了进一步的发展。
随着研究的不断深入以及计算机技术的发展,多种由宏观织构信息推算材料各项物理性能的预估理论相继发明[2]。
结合预估理论,人们对织构与材料性能之间的关系研究更加透彻,从而使经典的XRD法在材料的织构研究中仍然占据着主导地位。
XRD法测量织构具有制样简单、仪器操作方便、信息量大等优点。
1.2.2EBSD法
EBSD法的发明使材料织构测量技术进入了亚微米数量级,从而弥补了传统的XRD法在微观织构研究中的不足。
EBSD是以入射电子束作为单色波照射在试样上,在试样表面发生弹性散射与非弹性散射后形成点源,该点源与试样内某个晶粒发生布拉格衍射,并在三维空间形成两个辐射圆锥。
当荧光屏置于圆锥交截处时即截取到一对平行线,又称为菊池线。
所有不同晶面产生的菊池线构成了一张电子背散射衍射谱(EBSP)。
计算机对收集到的EBSP进行自动标定,即可得出该晶粒的取向信息。
实验一般在带有专门附件的扫描电镜(SEM)或电子探(EPMΑ)上进行。
EBSD法对试样有一定的要求,试样要有良好的导电性,如果试样有残余应力或存在晶格畸变,将导致菊池线宽化或模糊,影响结果的准
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确,严重时可能导致实验无法进行。
制样也比XRD要严格,要对样品表面进行抛光处理。
在实际分析中,只需很少的几步操作,即可得到一张EBSP谱。
EBSD法的特点是能对材料中的每一个晶粒进行取向测定,并能直观地表示出晶体材料的微观组织形态以及相对应的晶体取向分布图等信息,这是XRD法所无法比拟的。
1.3影响织构的因素
1.3.1冷轧工艺对织构的影响
不同压下率,但退火工艺相同试样1/4厚度处的织构如图1.1所示。
由图1.1可见,在50%压下率时,退火织构体现了以非{111}为主的织构特征,当压下率为62%~67%时,随着冷轧压下率的增加,有利的{111}织构明显增多,当压下率为15%~67%时,退火织构具有以{111}为主的织构特征1但是当冷轧压下率达到80%时,其{111}织构开始减少,而对深冲不利的{100}织构增加,即在导致织构中{111}组分增强的同时也导致了织构从非{111}特征向{111}特征的转化。
因为在再结晶过程中,较高的冷轧压下率对应的再结晶晶粒形核较早且数量多,因此冷轧压下率较高的条件下完成再结晶时对应的平均晶粒尺寸较小,这对退火工艺的影响较大[5]。
但这并不意味着冷轧压下率越大越好。
从出现最佳{111}织构的试样位置来看,压下率67%时最好,当压下率增大至80%时退火织构反而会减弱。
因为冷轧织构在压下率从67%增大到80%时,{111}组分并没有增强,而非{111}组分却明显增强,这对{111}退火织构的形成是不利的。
因而最终影响γ值的提高。
图1.1退火工艺在不同的冷轧压下率下的厚度1/4处的织构照片
Figure1.1Thetexturesof1/4thicknessatdifferentcold2rolledratewithannealing
(a)1#样50%变形;(b)3#样62.5%变形;(c)7#样67%变形;(d)11#样80%变形
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图1.2冷轧压下率67%时不同保温时间的织构
Figure1.2Thetexturesofdifferentisothermaltimeat67%reductionrate
(a)冷轧压下率67%,保温30min;(b)冷轧压下率为67%保温60min
图1.3不同保温时间对1/4处织物的影响
Figure1.3Theinfluenceontexturesof1/4thicknesswithdifferentisothermaltime
(a)80%1/4处(保温30min);(b)80%1/4处(保温60min)
1.3.2退火工艺对织构的影响
图1.2为冷轧压下率67%时不同保温时间的织构。
由图1.2明显看出图1.2(b)中{111}织构要明显比图1.1(a)的{111}织构要多且分布较均匀。
说明保温时间的延长有利于促进{111}织构的形成。
抑制了{100}织构组分。
图1.3为不同保温时间对1/4厚度处织构的影响。
比较图1.3(a),(b)也可以发现,随着保温时间的延长,{111}织构明显增加,即在80%冷轧压下率的条件下,保温时间的延长,使{111}织构的转化增加了,从而使冷轧薄板的深冲性能得到提高。
在前文线密度的计算比较中也得到了证实。
比较相同压下率条件的图1.1(a),(b)所示的工艺曲线不难发现,随着退火保温时间的延长,试样的硬度减小了,说明试样已经发生了再结晶且晶粒开始长大。
的计算比较中也得到了证实。
比较相同压下率条件的图1.1(a),(b)所示的工艺曲线不难发现,随着退火保温时间的延长,试样的硬度减小了,说明试样已经发生了再结晶且晶粒开始长大。
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1.4SPCC钢板生产工艺的优化
1.4.1化学成分的优化
由于铝镇静钢中不添加V、Nb、Ti等合金元素,因此为保证钢具有一定的强度,应加入少量的Mn;为获得{111}织构,钢中要保证有一定量的酸溶铝(ΑIs),并严格控制N含量以减少成品板的时效性。
并且应适当降低钢中的碳含量,保证钢中不存在尺寸较大的钙铝硅酸盐夹杂物和溶有铁、锰。
颗粒,以减少铸坯裂纹和夹杂物的数量,提高钢的纯净度。
因此,化学成分设计应放硫、控硅、控氮、加铝,优化设计的SPCC钢板化学成分见表1.2。
表1.2化化设计的SPCC钢化学成分
Table1.2SPCCsteelchemicalcompositionofoptimaldesign
1.4.2退火工艺的优化
优化前,由于升温速度较快,保温时间短,产品的晶粒较细,γ值较低,为了提高产品性能,将热点温度下调,冷点温度适当提高,并重新制定了带罩冷却时间及减慢升温速度。
缓慢加热使ΑlN在再结晶开始前充分析出,ΑlN质点对再结晶形核有阻碍作用,使驱动力较小的晶粒的形核受到抑制,驱动力大的{111)晶粒在形核竞争中占优势,从而加强了形核的选择性,得到很强的{111}组分,有利于产品的加工性能。
1.4.3应用效果及产品性能分析
生产工艺优化后,SPCC钢板的抗拉强度、屈服强度,屈强比较优化前降低,屈强比达0.6以下,伸长率达45,γ值为1.4~1.6,完全满足汽车用板标准的要求。
优化前后,SPCC钢板力学性能对比见图1.4,金相组织对比见图1.5。
由图1.4可见,优化前SPCC冷轧板金相组织为铁素体+珠光体等轴晶粒,晶粒尺寸1O.1μm,晶粒度10级,优化后晶粒尺寸13.9μm,晶粒度为9级,比较均匀,这对深加工和性能都是有利的。
工艺优化前后SPCC钢板的φ2=
。
取向分布函数(ODF)见图1.6。
由图1.6可见,工艺优化后SPCC钢板的γ织构明显增强,即钢中与板面平行的{111)晶面增多,因此,γ平均值增大,深冲性能也有所提高。
这也是钢板成形性能改善的主要原因。
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图1.4生产工艺优化前后SPCC钢力学性能对比
Figure1.4ThecomparisonofmechanicalpropertiesofSPCCsteelbeforeandafterproductionprocessisoptimized
图1.5生产工艺优化前后SPCC钢板组织对比
Figure1.5ThecomparisonofSPCCsteeltexturebeforeandafterproductionprocessisoptimized
a),b)优化前;c),d)优化后
图1.6生产工艺优化前后SPCC钢板φ2=
分布函数图
Figure1.6ThedistributionfunctiongraphofSPCCsteelplatebeforeandafterproductionprocessisoptimizedwhenitsφ2is45°
a),b)优化前;c),d)优化后
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二、背景及其意义
近年来,我国汽车工业的发展速度令世人瞩目。
有关专家预计,2010年内我国汽车产量将突破1000万辆,整车用钢的年消费量将超过1100万t。
轿车用钢板以冷轧板为主,约占钢板用量的75。
目前,汽车用SPCC钢板的用量占有很大比例,其要求SPCC钢板具有良好的塑性和一定的冲压变形能力。
唐山钢铁股份有限公司在原有SPCC品种的基础上,对其生产工艺进行了优化,开发出具有一定深冲性能的SPCC产品,满足了汽车用钢的要求
本课题针对天津铁厂的酸洗连轧系统,进行产业项目的研究。
选择酸洗连轧系统生产的SPCC冷轧薄板产品,研究钢板的形变织构、金相组织、再结晶温度、力学性能,探索退火工艺参数对钢板力学性能和组织的影响规律,为天津铁厂的实际生产提供参考依据。
三、本课题的研究内容、方法、手段
1、再结晶温度测试
用型号为RJ8-3-9坩埚电炉加热经轧制后的SPCC钢片
2、显微硬度测量
用型号为HX-1000TM的显微硬度仪测量冷轧态与各种退火工艺后的晶粒度大小。
3、显微组织观察
用型号为olympus-szx12-Bx51M观察冷轧态与各种退火工艺后的显微组织。
4、织构分析
用XΓD法和EBSD法测量钢板的织构并进行性能分析。
用x-ray测定SPCC钢织构并对比研究冷轧态与各种退火工艺后的织构现象。
5、力学性能研究
对比研究冷轧态与各种退火工艺后的拉伸性能,并观察试样断裂后的断口形貌。
对比研究冷轧态与各种退火工艺后的硬度变化。
6、变形性能研究
对比研究冷轧态与各种退火工艺后的塑性应变比r和硬化指数n。
四、研究步骤
1.查找文献资料,撰写文献综述。
2.完成开题报告。
3.确定实验方案。
4.实验阶段,整理实验数据。
5.实验结果分析。
6.撰写论文。
7.准备答辩。
五、参考文献
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北京科技大学出版社,19871
天津理工大学教务处制表
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国防工业出版社,19961
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自然科学版,2005,26(8):
747–750
指导教师意见
签字:
王志华2011年3月16日
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SPCC钢显微组织及织构研究
摘要
本文总体介绍了冷轧钢板材质,冷轧钢板的再结晶温度测定及再结晶试验结果,并对再结晶的规律进行了分析。
介绍了罩式退火的实验方法,以及研究罩式退火的时间和温度对钢板的显微硬度和拉伸性能的影响。
重点进行了冷轧钢板的织构分析,介绍了测量钢板织构的方法,冷轧和退火对冷轧钢板织构的影响因素,有利于织构分析。
主要通过对冷轧钢析的极图分析和XRD法对退火和再结晶后的钢板的织构进行分析。
研究织构对冷轧钢板的性能的影响
冷轧钢板再结晶退火研究表明,冷轧SPCC钢在450
退火发生回复,到500
时,开始再结晶,600
再结晶完成。
罩式退火表明随着退火时间和温度的增加,拉伸屈服强度和抗拉强度降低,显微硬度呈下降趋势。
织构分析表明,{111}线织构是增强钢板深冲性能的极为有利的织构,获取强的{111}线织构对于提高钢板的深冲性能具有重要意义。
关键词:
罩式退火再结晶温度显微组织织构
ResearchofmicroscopicstructureandtextureofSPCCsteel
ABSTRACT
Thispapermainlydescribesthecold-rolledsteelplate,determ
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