IF钢物理冶金原理与关键工艺技术1

IF钢物理冶金原理与关键技术

北京科技大学冶金工程研究院首钢－北科大汽车用钢联合研究中心高效轧制国家工程中心品种开发部目录1、IF钢的特点2、IF性能控制原理3、IF钢关键工艺技术4、Ti-IF钢的实验结果5、（Nb+Ti)-IF钢实验结果6、高强IF钢的实验结果1、IF钢的特点IF钢是在超低碳钢（C<0.005％，N<0.003％）中加入一定量的Ti、Nb，使钢中C、N原子被固定成碳化物、氮化物，而钢中无间隙固溶原子存在。IF钢(Interstitialfreesteel)，即无间隙原子钢，实际上是一种超低碳无间隙固溶体铁素体钢。IF钢是成形性最好的汽车用钢。固溶体（SolidSolution）:溶质元素溶解与溶剂的晶格中，形成的单相固体称为固溶体。溶体与溶剂有相同晶格。有两种固溶体：置换(或代位)固溶体(SubstitutionalSolidSolution)间隙(填隙)固溶体(InterstitialSolidSolution)SubstitutesolutionInterstitialsolutionδ=|r质-r剂|/r剂<0.15r质/r剂<0.6元素CHONBFe原子半径/nm0.0770.0460.0600.0710.0970.130Fe原子半径与C原子半径的比0.59，形成间隙固溶体。同样钢中的N、H和B形成间隙固溶体。

当溶质元素的原子直径与溶剂元素的原子直径之比小于0.6时，易于形成间隙固溶体，而在直径大小差不多的元素之间易于形成置换固溶体。铁素体－体心立方结构具有体心立方结构的金属有：钒、铌、钽、钼、钡、b-钛（>880°C）a-铁（<910°C）、d-铁（>1400°C）、a-钨…等。原子位置立方体的八个顶角和体心。每个晶胞含两个原子,原子的坐标是(000)，(1/21/21/2)。InterstitialsitesforBCC扁八面体间隙由6个原子组成的八面体所围的八面体所围的间隙，半径八面体间隙半径r八面为:四面体间隙由4个原子围成，间隙半径为r四面为:超低碳微合金化钢质纯净成分特征性能特征深冲性能好非时效性组织特征屈强比低IF钢特征单相铁素体无间隙固溶体强度低塑性好细小第二相成分组织性能成分组织性能工艺1）、IF钢的组织特征无间隙固溶体单相铁素体细小弥散分布的第二相粒子

2）、IF钢的成分特征超低碳：一般C<50ppm，目前最好水平碳可以达到10ppm微合金化：铌、钛在钢中碳化物相对稳定性的顺序如下：Hf>Zr>Ti>Ta>Nb>V>W>Mo>Cr>Mn>Fe>Co>Ni铪、锆、钛、铌、钒是强碳化物形成元素，形成最稳定的MC型碳化物；钨、钼、铬是中等强碳化物形成元素；锰、铁是弱碳化物形成元素。钢质纯净：杂质元素少3）、IF钢的性能特征屈服强度低、屈强比低塑性好深冲性（成型性）好无时效性软钢

YS<210MPaHSSYS210-550MPaUHSS

YS>550MPa软钢

TS <270MPaHSS

TS 270-700MPaUHSS

TS >700MPa第一代AHSS：已经应用，不断完善第二代AHSS：TWIP钢具备应有条件第三代AHSS：正在开发第一代先进高强钢（AHSS：advancedhighstrengthsteels）：强塑积在10000~25000MPA%，包括传统的双相钢DP、TRIP钢第二代先进高强钢：以TWIP钢为代表的U-AHSS，强度与延伸率的乘积在60000MPA%第三代先进高强钢：

X-AHSS，强塑积介于两者之间。

highformablesuperformableextraformableHighstrengthIFsteelTi-IF钢Ti与N、S和C结合生成复合的化合物，Ti的最少加入量为：

Ti≥3.42N+1.5S+4C一般认为Ti先与N、S结合，再与C结合，因此存在有效Ti量（标为Ti*）和过剩Ti量（标为[Ti]）为：

Ti*＝Ti－3.42N－1.5S[Ti]＝Ti－3.42N－1.5S－4C特点：（1）力学性能优异且稳定，对成分和生产工艺参数的变化不敏感；（2）力学性能的平面各向异性（Δr,Δδ）较大；（3）镀层抗粉化能力较差。Nb-IF钢在Nb-IF钢中，C与Nb结合形成NbC，N与Al结合形成AlN，S与Mn结合形成MnS，Nb的最少加入量为：

Nb(%)≥7.75C(%)Nbexcess=Nbtotal－7.75C特点：（1）力学性能的平面各向异性（Δr,Δδ）小；（2）镀层抗粉化能力好；（3）r值及δ值不及Ti－IF钢好，且再结晶温度明显高于Ti－IF钢，力学性能对生产工艺参数的变化比较敏感，采用高温卷取会带来板卷头尾性能较差，可操作性差。(Nb＋Ti)－IF钢在(Nb＋Ti)－IF钢中，N与Ti结合形成TiN，C与Nb结合形成NbC，合金元素的加入量为:(Nb＋Ti)/(C＋N)>1(at%)Nb(%)=0.05~0.4Ti(%)化合物的析出顺序为TiN－TiS－TiC－NbC，假设没有过剩Ti存在，则过剩Nb量为：

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

(Nb＋Ti)－IF钢兼有Ti－IF和Nb－IF钢两者的优点（1）力学性能比Nb-IF要好；（2）力学性能对工艺不敏感，整卷性能均匀；（3）镀层具有良好的抗粉化能力。

屈服强度(可表示为σs或YS)：单向拉伸试验中，薄钢板首先表现出可测的永久塑性变形时的工程应力。对于具有不连续屈服现象即出现屈服点的材料，一般取最小下屈服点所对应的应力作为屈服强度；对于连续屈服即无明显屈服点的材料，通常用0.2%永久伸长变形时所对应的应力作为屈服强度。

σs值决定了薄钢板冲压成形中开始产生塑性变形时所需载荷。σs值越大，所需的成形力越大。1)屈服强度（1)汽车板的性能要求2、IF钢的性能控制原理2)抗拉强度

抗拉强度(可表示为σb或TS)：单向拉伸试验中，薄钢板达到最大载荷时的工程应力。

σb值决定了薄钢板冲压成形时所能施加的最大载荷。σb值越大，冲压成形时零件危险截面的承载能力越高，其对应的变形程度越大。在薄钢板与冲压成形性能有关的其他性能基本相同前提下，薄钢板的σb值大，则它的冲压成形性能好。

屈强比(可表示为σs/σb或YS/TS)：薄钢板屈服强度与拉伸强度之比。

σs/σb值越小，表明冲压成形的薄钢板在破坏之前可进行更大的变形和加工，特别是拉胀成形过程。因此，它的综合冲压成形性能越好，成形后零件的形状固定性也越好。3)屈强比塑性是指金属材料在载荷外力的作用下，产生永久变形（塑性变形）而不被破坏的能力。金属材料在受到拉伸时，长度和横截面积都要发生变化，因此，金属的塑性可以用长度的伸长（延伸率）和断面的收缩（断面收缩率）两个指标来衡量。4）塑性-总伸长率和均匀伸长率断后伸长率δ和断面收缩率ψ，分别定义为：式中：

F0——试样的原始截面积；L0——试样的原始长度；Lk——断裂时试样的标距长度；Fk——试样断裂处的横截面积。金属材料的延伸率和断面收缩率愈大，表示该材料的塑性愈好，即材料能承受较大的塑性变形而不破坏。塑性好的材料，它能在较大的宏观范围内产生塑性变形，并在塑性变形的同时使金属材料因塑性变形而强化，从而提高材料的强度，保证了零件的安全使用。此外，塑性好的材料可以顺利地进行某些成型工艺加工，如冲压、冷弯、冷拔、校直等。因此，选择金属材料作机械零件时，必须满足一定的塑性指标。

塑性应变比(可表示为r）单向拉伸试验中，薄钢板宽向应变和厚向应变的增量比，由于这一比值随变形变化不大，故通常采用全量应变比来表示，即：

5)塑性应变比

这一指标是由Lankford于1950年提出的，它反映了薄板承受载荷时抵抗厚向变形的能力，即r值越大，薄钢板抵抗厚向变形的能力越强，可作为衡量薄板各向异性(主要是厚向异性的)一种量度。它与许多模拟成形性试验指标有很好的相关性，是评价薄钢板冲压成形性能的重要指标，特别是深冲性能(也称作拉深性能或压延性能)。

对于薄钢板，通常其r值随试样取向不同而变化，故定义它的平均值及平面各向异性系数为：6)塑性应变比平均值及平面各向异性系数式中：下标0、45、90表示单向拉伸试样的取向与薄钢板轧制方向的夹角。

Δr值反映了板面上各方向r值变化的程度，它与压延成形时凸耳的大小具有密切相关性，Δ

r值大，则凸耳大；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。

应变硬化指数(strainhardeningcoefficient)n的大小，反映了材料抵抗进一步发生塑性变形的能力。在极限情况下，当n＝l时，是说明材料处于理想弹性状态；当n＝0时，表示材料处于理想塑性状态。一般的材料其n值均介于0与1之间。

n值高，就表明在同样的应变值下(加工变形量)，材料的强度升高得更快。在纯金属中，面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的应变硬化率高；而合金的应变硬化率则又比纯金属为高。这同这些金属中的位错的性质及位错增殖的情况等有关。7)应变强化指数

应变强化指数(可表示为n)：单向拉伸试验中，薄钢板应力—应变本构关系近似表达式中的幂指数:式中：下标0、45、90表示单向拉伸试样的取向与薄钢板轧制方向的夹角。n值在数量上等于或近似等于试样刚开始出现颈缩时的真实应变。

n值随试样在薄钢板上取向的不同而变化，通常用它的平均值，即：值也是衡量薄钢板在塑性变形过程中形变强化能力的一种量度，冲压件的最终强度、均匀伸长量、成形极限图、应变分布和其他许多成形变量都与它有关，它还反映了薄钢板冲压变形时应变均化的能力。值是评价薄钢板冲压成形性能的重要参数。值越高，薄钢板的冲压成形性能越好，特别是拉胀性能。值大小主要取决于钢质的纯净度和铁素体组织晶粒尺寸，提高钢质的纯净度和适当增大铁素体组织晶粒尺寸都可使值增加。

冲压成形性能：薄钢板适应冲压成形过程的能力，即指薄钢板在冲压成形过程中抵抗失效(如断裂、瓢曲、起皱、形状扭曲等)的能力。也可理解为薄钢板在冲压成形过程中发生破坏前可得到的最大变形程度。具有极佳冲压成形性能的薄钢板应表现为：①具有均匀分布应变；②承受平面内压缩应力而无起皱；③可达到较高的应变而无颈缩和断裂；④承受平面内剪切应力而无断裂；⑤变形的零件由凹模出来后保持形状不变；⑥保持表面光洁且无损伤。8)冲压成形性能焊接性能：薄钢板适应焊接的能力。薄钢板的焊接性能取决于它所含元素的种类及其含量。其中，碳当量的影响很大，可作为判别焊接性能的主要标志。薄钢板的含碳量越小且钢质越纯净，焊接性能越好。此外，焊接性能也与薄钢板厚度、强度和焊接方法有关。板厚越小，焊接性能越差，只能采用点焊方法；强度提高，焊接条件的范围变窄。9)焊接性能：镀层附着性能：薄钢板表面与镀层之间相互结合的能力。镀层附着性能主要与薄钢板和涂镀材料的成分以及涂镀工艺有关。钢质纯净，基板表层晶粒的晶界过于洁净，会引起快速合金化反应，不利于镀层附着性能。不同的涂镀材料所对应的镀层附着性能不同，目前普遍采用由锌和少量铝配制的涂镀材料。电镀工艺较比热镀工艺可得到好的镀层附着性能。10)镀层附着性能弹性变形1.Initial2.Load3.UnloadFdbondsstretchreturntoinitialshape（2）为何必须得到无间隙原子的铁素体？塑性变形-晶面滑移1.Initial2.Load3.UnloadplanesstillshearedFdelastic+plasticbondsstretch&planessheardplastic

塑性形变的主要机制是滑移，滑移的临界分切应力可作为起始塑性形变切应力的估计，它取决于位错源开动所需的力以及位错运动所需克服的P-N力等阻力。起始塑性形变所需要的切应力越高，晶体材料的屈服强度越高。τττ晶面的滑移可以通过位错的运动实现。滑移面滑移台阶ττ滑移面与滑移方向大致是最密排面和最密排方向，因为此时派纳力最小。b：柏氏矢量G：切变模量γ：泊松比a：滑移面的面间距间隙的固溶原子，阻碍了晶面的滑移，也对位错的运动取钉扎作用，对塑性变形不利。因此，无间隙固溶体的超纯铁素体具有低的屈服强度，好的成形性。

一个滑移面和此面上的一个滑移方向组成一个滑移系。

bcc滑移系滑移方向为<111>，滑移面有{110}，可能出现{112}、{123}滑移面。织构类型r值{001}<110>{112}<110>{111}<110>{111}<112>{554}<225>{110}<001>0.42.12.62.62.51.1

r值是衡量钢板深冲性能的重要指标。若{111}晶面平行于轧面的晶粒比例较高，对应的r值就高，而{100}晶粒比例高，对钢板的r值不利。右图为各类织构与r值的关系。（3）r值与织构控制（4）高强IF钢的强化机理有四种金属材料强化:(1)固溶强化；(2)形变强化；(3)沉淀强化和弥散强化；(4)晶界和亚晶强化。前三种机制在提高材料强度的同时，也降低了塑性，只有细化晶粒和亚晶，既能提高强度又能增加塑性。细晶强化可以提高材料的抗拉强度，微裂纹穿越晶界时将受到晶界的阻碍，晶粒越细小，微裂纹扩展所消耗的能量越大，其作用效果同样可以用Hall-Petch公式来表征：理论估算结果表明钢铁材料中ky的数值约24.7MPa.mm1/2，大量实验研究结果也验证了钢铁材料的抗拉强度的Hall-Petch公式的正确性，得到的系数kT的数值在7.7-15.7MPa.mm1/2之间，目前通常采用13.4MPa.mm1/2。细化晶粒提高材料抗拉强度的作用小于其提高屈服强度的作用。第二相及夹杂物颗粒由于相界的作用类似于晶界可阻止微裂纹的扩展而提高材料的抗拉强度：与第二相提高材料的屈服强度的Orowan关系式比较可看出，第二相提高材料的屈服强度和提高抗拉强度的规律基本类似，第二相体积分数的影响规律完全一致。固溶强化能够提高材料的抗拉强度，且提高抗拉强度的效果与提高屈服强度的效果相近。高强IF钢强化机理：固溶强化IF钢烘烤硬化IF钢析出强化IF钢

强化机理抗拉强度/MPa延伸率/%rBH/MPa固溶强化～340～401.9—～390～381.7—～440～361.6—烘烤硬化～30040～50≥2.030～50析出强化～50025～30～1.8—固溶强化IF钢普通的IF钢中加入适量的P，Si，Mn元素，通过添加P，Si，Mn等置换型固溶元素强化基体，在保证机械性能的同时，提高钢板的强度。烘烤硬化IF钢钢中存在固溶C，N原子，经过2%的预变形使位错密度增加，再通过170℃左右的涂漆烘烤处理，使C，N原子与位错交互作用，使钢板的强度增加。烘烤硬化IF钢在保持优良的成型性的条件下，具有高强度和高的抗凹陷性能。

Cu析出强化IF钢超低碳钢中添加1-1.2%的铜，利用铜相的沉淀强化，获得高强度和优良成形兼备的冷轧和热轧薄板。含铜冷轧薄板在保持IF钢优良的深冲性能的基础之上，r值高达1.9，抗拉强度可达590MPa。新型含Nb高强IF钢通过人为的向含碳0.006%的超低碳钢添加Nb，综合利用铌碳化合物的析出强化，固溶强化以及细晶强化机理，开发出了强度级别为390-440MPa的新型冷轧高强IF钢，有效的改善了冲压成形性能和抗二次加工脆化能力。

3、IF钢的关键工艺技术（1）超低碳冶炼技术（2）夹杂物控制技术（3）织构控制技术（4）表面质量控制技术终轧温度略高于Ar3，低的板坯加热温度-高温终轧-终轧后快冷-增大热轧压下率-增大变形速率-高温卷取

铁水预处理脱硫——复吹转炉冶炼——RH真空精炼——板坯连铸

冷轧总压下率增加，有利于深冲性能的提高，n和r值增加，当CRR达一定值后，r值随压下率的增加而降低退火条件决定钢板的最终性能，提高退火温度和延长退火时间都对IF钢再结晶有利。冷轧工艺退火工艺冶炼生产工艺热轧工艺冷轧后组织变化退火状态的金属，典型的位错密度值是105～108

cm-2，而大变形后金属材料的典型数值是1010～1012cm-2。

同种材料细晶粒样品变形后的位错密度比粗晶粒的大位错密度（ρ）同流变应力（σ）之间的关系是：式中——等干0.2～0.3范围的常数；

G——剪