冷轧带钢表面纹理方向对晶粒取向和力学性能的影响研究

冷轧带钢表面纹理方向对晶粒取向和力学性能的影响研究

吴义朝

粤海中粤(中山)马口铁工业有限公司  广东中山  528400

摘要：本研究采用沙钢生产的0.5毫米厚冷轧薄板，化学成分主要为C、Si、Mn、Al和N，其余为Fe。经过铁水预处理、钢包精炼、真空精炼等工艺，以及连铸、粗轧和精轧过程，最终得到2.5毫米厚的热轧卷。实验结果显示，冷轧带钢表面出现鱼鳞状缺陷，主要分布在上表面和中部区域。金相分析表明，这些缺陷是由热轧过程中形成的异常粗大铁素体晶粒引起的，这些晶粒在冷轧过程中导致带钢厚度方向变形不均匀，形成组织分层。需要优化热轧和冷轧工艺参数，以保证带钢在变形过程中的均匀性，并在退火过程中采用适当的温度和时间来缓解冷轧过程中形成的缺陷，从而提高带钢的组织均匀性和性能。

关键词：冷轧带钢表面纹理方向；晶粒取向；力学性能

引言

冷轧带钢的表面纹理方向对晶粒取向和力学性能具有重要影响。冷轧过程中的带钢表面纹理不仅影响其外观，还会显著改变钢材的内部结构和力学性能。纹理方向决定了晶粒的取向和分布，从而影响钢材的强度、韧性和耐磨性。具体来说，纹理方向的变化可能导致晶粒的非均匀分布，进而改变钢材的各向异性性能。在冷轧过程中，带钢表面的纹理发展与晶粒取向之间的关系尚未完全明确，这对优化钢材的生产工艺和提高其性能至关重要。

1冷轧带钢表面纹理方向对晶粒取向和力学性能的影响

1.1表面纹理方向对晶粒取向的影响

冷轧带钢在生产过程中，表面纹理的形成和演变对晶粒取向有着显著影响。冷轧带钢表面纹理主要由轧制过程中材料的塑性变形引起，这种纹理会影响晶粒的取向和分布。冷轧过程中，钢材表面会产生纺锤形或条状纹理，这些纹理方向可能会与晶粒的主要取向一致或存在一定的角度差异。由于纹理方向对晶粒的生长方向产生约束，表面纹理与晶粒取向之间的关系会决定晶粒的取向分布。纹理方向与晶粒取向的耦合效应可能导致晶粒取向的不均匀分布，从而影响钢材的最终性能。

1.2表面纹理方向对冷轧带钢力学性能的影响

冷轧带钢的表面纹理方向对其力学性能有直接的影响。纹理方向的变化会导致晶粒取向的变化，从而影响材料的强度、塑性和韧性。具体而言，当纹理方向与晶粒取向一致时，材料通常会表现出较好的强度和较高的屈服点，因为晶粒在加载方向上具有良好的对齐[1]。如果纹理方向与晶粒取向存在较大角度差异，钢材可能表现出较低的强度和较差的塑性，这可能导致在应力作用下的裂纹敏感性增加。此外，纹理方向对钢材的各向异性也有影响，使得在不同方向上的机械性能表现出明显的差异。了解表面纹理方向对力学性能的影响可以帮助优化冷轧带钢的生产工艺，以满足不同应用领域对钢材性能的要求。

1.3表面纹理方向对冷轧带钢的应用性能的影响

冷轧带钢的表面纹理方向不仅影响其基本力学性能，还对其实际应用性能产生重要影响。不同纹理方向的带钢在实际应用中表现出不同的加工和使用特性。例如在汽车制造中，带钢的表面纹理方向会影响车身的成型性、焊接性能和涂层附着力。在电气钢应用中，纹理方向的选择对磁性能有直接影响，因为纹理方向可以影响磁性晶粒的取向，从而影响电钢的磁导率和损耗。因此，了解表面纹理方向对带钢实际应用性能的影响，可以帮助工程师和设计师在实际应用中选择最合适的材料，提高产品的性能和可靠性。

2实验材料

本实验采用的材料是由沙钢生产的0.5毫米厚的冷轧薄板，其化学成分如下（以质量分数计）：碳含量为0.05%，硅含量为0.025%，锰含量为0.18%，铝含量为0.03%，氮含量为0.002%，其余为铁。这种冷轧薄板的主要生产工艺包括铁水预处理、钢包精炼、真空精炼等步骤。通过连铸工艺，生产出220毫米高的优质连铸坯。然后，将这个220毫米的连铸坯经过R1和R2两机架的粗轧处理，形成35毫米厚的坯料。接着，这个坯料再经过F1至F7共七机架的精轧，最终得到2.5毫米厚的热轧卷。在热轧过程中，加热炉的温度设定为1250℃，在炉内加热时间为2小时。粗轧的出口温度为1000℃，终轧温度为880℃，卷取温度为710℃。

3实验结果与分析

3.1鱼鳞状缺陷特征

鱼鳞状缺陷在冷轧带钢表面的形貌，带钢表面呈现出浮凸感。经过连续式退火处理后，带钢表面浮凸感虽然有所减轻，但鱼鳞状形貌仍然清晰可见。在整卷带钢中，鱼鳞状缺陷主要分布在带钢的上表面和中部区域。为了进一步研究这些缺陷，将带有鱼鳞状缺陷的带钢样品沿轧制方向切割，并制作成金相样品。经过4%硝酸酒精腐蚀处理后，带钢内部仍然存在粗大的铁素体晶粒，其尺寸在100至200微米之间。这表明退火过程并没有完全消除这些粗大的晶粒，可能是由于退火过程中的温度控制或者冷却速度不合适导致的。

3.2表面粗晶组织演变过程分析

异常粗大的铁素体晶粒在热轧阶段形成时，往往是由于热处理条件不均匀或冷却速率控制不当，导致铁素体晶粒在带钢表层长大。这些粗大的铁素体晶粒在随后的冷轧过程中，会引起带钢在厚度方向的变形不均匀，形成明显的组织分层现象。冷轧过程中，带钢在变形时，粗大的铁素体晶粒相对于周围的细小晶粒具有较低的变形能力。这会导致在轧制过程中，粗晶区域受到的变形应力较小，从而使得带钢的表面和内部产生不均匀的变形

[2]。最终，这种不均匀的变形会形成鱼鳞状的缺陷，并且在退火过程中，这种缺陷会进一步影响带钢的组织和性能。为了避免这种情况，热轧过程中应严格控制加热和冷却条件，以避免粗大的铁素体晶粒的形成。冷轧过程中的工艺参数也需优化，以确保带钢在变形过程中的均匀性，从而减少因组织不均匀导致的缺陷。在退火过程中，适当的退火温度和时间也可以帮助缓解冷轧过程中形成的鱼鳞状缺陷，提高最终带钢的组织均匀性和性能。

3.3 Goss 晶粒的形核与长大

Goss 晶粒是一种具有特定取向的铁素体晶粒，剪切应力有利于Goss 晶粒的形核，因为它能使得特定取向的晶粒具有较低的能量状态，从而有利于它们的稳定和生长。Goss 晶粒的异常长大通常需要在高温卷取条件下发生。实验和生产经验表明，在热轧过程中，AlN（铝氮化物）和 MnS（锰硫化物）析出相对铁素体晶粒的长大有显著影响[3]。AlN 和 MnS 主要在铁素体基体中析出，它们的存在可以影响晶粒的长大行为。具体来说：AlN 的存在会影响晶粒的再结晶过程，从而间接影响晶粒的大小。AlN 可以与铁素体晶粒发生相互作用，改变晶粒的生长动力学。MnS 的析出可以在晶界处形成阻碍作用，影响晶粒的长大。MnS 的存在使得晶界变得更加稳定，从而在高温下抑制晶粒的异常长大。轧制过程中，剪切应力的作用会使得带钢的次表层形成特定取向的晶粒（如Goss晶粒），这些晶粒在随后的热处理过程中会影响到晶粒的大小和分布。

结语

本研究针对沙钢生产的0.5毫米厚冷轧薄板在生产过程中出现的鱼鳞状缺陷进行了系统分析。通过金相显微组织分析，退火处理未能完全消除这些晶粒，可能是因为退火过程中的温度控制或冷却速度不当。为了避免这种缺陷，需要优化热轧和冷轧工艺参数，以保证带钢在变形过程中的均匀性，并在退火过程中采用适当的温度和时间来缓解冷轧过程中形成的缺陷，从而提高带钢的组织均匀性和性能。

参考文献

[1] 孙超凡,周旬,方圆,等.热轧工艺对超薄规格冷轧IF钢织构及成形性能的影响[J].轧钢, 2023, 40(3):40-46.

[2] 谢胜涛,邵书东,亓海燕,等.稀土元素对430铁素体不锈钢组织和性能的影响[J].中国冶金, 2022, 32(6):94-100.

[3] 徐清亮,李鹏,李秀军,等.低锡量镀锡板表面晶粒生长的取向控制方法.CN202111043082.4[2024-09-11].