摘要对比研究了低碳钢带铸材不同处理状态钢带和薄板铸坯中不同位置切片的组织特征、晶体学织构和15%工程应变条件 下的塑性异向性.结果表明，带铸材试样中存在{111}与{114}特征织构，织构强度均较弱；铸坯切片中存在{111}与{001} 特征织构，并且因局部凝固冷速不同存在明显的织构强度差异.两组低碳钢的法向异向性与平均晶粒尺寸的对数之间尽管均存在线 性关系，但斜率明显不同.分析表明法向异向性的晶粒尺寸依存性与钢带中织构的强弱有关，由此提出了 “有效织构强度比”的概 念，从塑性变形理论的角度解释了微观组织对塑性异向性的影响.

 

关键词低碳钢，铸钢带，塑性异向性，织构强度，晶粒尺寸

 

塑‘曲异向性是无间隙原子钢、低碳钢板带材在加工过 程中决定其深冲成形性能的一项重要指标，通常分为法 向异向性（normal anisotropy)与平面异向性（planar anisotropy),前者决定冲杯深度，后者导致杯口制耳现 象.影响板带塑性异向性的因素很多，包括晶体学织构、 化学成分、晶粒尺寸等.一般认为，平行于板面的{111} 纤维织构越强，则法向异向性和成形性越好；C, N等间 隙元素的含量越低，法向异向性与成形性越好，如钢. Karlyn等人W最早报道了在普通冷轧退火低碳钢薄板

中，法向异向性与ASTM晶粒数（亦即晶粒尺寸的对数) 之间存在一定的线性关系，晶粒尺寸越大，法向异向性越 好，而直线斜率则取决于材料的化学成分.Blickwede⑵ 把晶粒尺寸的影响机理归结为再结晶过程中{111}取向 铁素体的择优生长.考虑到普通低碳钢中{111}取向晶 粒的择优生长同时增加了 {111}纤维织构组元的织构强 度，人们对晶粒尺寸本身的影响机制还不是十分清楚.近 来，人们尝试在塑性异向性的模拟计算中考虑晶粒尺寸和 晶粒形状的影响，以便使计算结果与测试结果之间实现吻 合[3_6]，使得晶粒尺寸影响机理的研究显得尤其重要-薄带铸造工艺作为一种低能耗、近终形成型工艺，已 成为世界各国倾力发展的新冶金工艺技术之一，目前已实 际运用于不锈钢带、特殊合金带的制造，并获得了显著的

 

经济效益.由于广泛的应用前景，低碳钢领域的相关研究 与开发正受到越来越多的关注，其中能否提高织构较弱的 铸钢带本身的成形性，业已成为决定其应用领域的迫切问 题.不过，到目前为止，对低碳钢铸带的塑性异向性研究 报道还不多见[7].

 

本文对比研究了由铸造低碳钢制备的两组钢带的晶 体织构、晶粒尺寸与塑性异向性：其中一组是由双辊铸造 经高温卷取后再经不同处理得到的，织构强度相近，但晶 粒尺寸有显著变化；另一组是从薄板坯上从表面到厚度 中心不同位置上切取得到的，织构与晶粒尺寸均有明显变 化.实验结果将证实法向异向性的晶粒尺寸依存性实际上 与织构强度的强弱有关，并将尝试从多晶体材料的塑性变 形理论角度阐明晶粒尺寸对塑性异向性的影响机理.

 

1实验方法

 

实验用低碳钢的化学成分如表1所示.实验钢A, B 为双辊铸造得到的3 mm厚铸钢带，实验钢C为连铸 得到的55 mm厚薄铸坯.部分3 mm厚铸钢带A, B 经1200 € /3 h氩气保护退火后炉冷，以得到粗大等 轴晶粒.另一部分铸带累积冷轧70%后分别于600 C退 火5 h, 700 X：退火0.5 h,以得到细小等轴晶粒从 55 mm厚的薄铸坯C上由表面到厚度中心切取3 mm 厚的切片，并注意避开表面的脱碳层与中心的偏聚层[8]. 利用岛津AG-50KNG万能实验机在室温测试了上述实 验钢带的纵向、横向、45°斜向的拉伸性能，其中用引 伸计和电子应变片分别记录了试样在均匀变形阶段的纵 向与横向瞬间应变.为便于比较，各实验钢带在15%均 匀拉伸变形后，卸载测量其实际的法向异向性rm = (r0+ 2r45 + r-9o)/4.

 

在理学RINT2200 X射线衍射仪上用Mo靶测得 上述钢带的{110}, {200}，{211}和{310}不完全极图 (a=15—90°)，用级数展开法计算钢带的反极图[9].用 LEO 1550场发射扫描电镜观察试样组织并用TexSEM 取向映射显微学（OIM)分析软件统计各钢带的 {111}〈彻切〉(7织构）和{hkl}(110)(a织构）平均晶 粒尺寸，其中晶界取向差选为15°.

表1实验钢的化学成分

 

2实验结果 2.1组织形貌与晶体尺寸

 

实验钢A不同状态钢带的组织形貌与铁素体晶粒的 取向特征如图1所示.与其它钢带的铁素体晶粒相比，尽 管由于晶粒形态不规则，很难用截线法进行直接量度，但 仍可看出铸态钢带的晶粒较粗大.用OIM方法对偏离理 想取向15°范围以内的铁素体进行平均晶 粒尺寸队）分析，结果表明铸态钢带为108 fim, 1200 X：均匀退火钢带为69.5 /im、冷轧后600与700 "C再结 晶退火钢带分别为9.53和10.0 nm.对{/ifc!}〈110〉取 向铁素体来说，均匀化退火带的平均晶粒尺寸（dQ)大于 铸态钢带的，这表明均勻化退火可能有利于{/iW}〈110〉 取向晶粒而不是{lll}〈m;u;〉取向晶粒的择优生长.在实 验钢B不同状态钢带中也能得到类似的结果，只不过由 于高磷含量的枝晶细化效果[1C)1，其铸态与均匀化退火钢 带的平均铁素体晶粒尺寸（冬和da)均比实验钢A的小 一些.

 

从实验钢C的薄铸坯不同厚度位置切取的切片也表 现出不规则的铸态铁素体形貌特征，且{lll}〈m;u;〉取向 铁素体的平均晶粒尺寸均比(110)取向铁素体的 大一些，这个现象显示在低碳钢带或薄坯的铸造过程中择 优生长确实存在.前期研究表明，从表面到厚度中心的铁 素体晶粒尺寸分布与局部冷却速度变化和5-铁素体枝晶 形态变化有关[11].

 

2.2晶体学织构

 

如图2所示，实验钢A, B不同状态钢带的晶体学 织构均非常弱，反极图最大强度值均在1.3左右.在这 些反极图中，存在两种特征取向组元：一是{lll}〈m;w〉, 其强度在总体上决定了低碳钢的塑性异向性；另一个是 {114}〈_〉,偏离理想{001}〈咖0〉取向约20。,它与带 钢连铸造成的枝晶倾斜有关[12].尽管进行了不同工艺的 钢带铸后热处理，上述{114}〈mm;>织构组元仍没有完全 消除，表现出较强的织构遗传性.与实验钢A, B的上述 钢带相比，薄铸坯C的不同切片的织构特征有所不同， 如图3所示，是典型的{lll}〈m;«;〉和{001}〈m;0〉组 元，反极图的最大强度组元{lll}〈m;W>从表面到厚度中 心存在明显变化：近表面为1.3左右，逐渐增加到2.5左 右，然后在厚度中心附近又减弱到1.7左右，这种织构强 度变化与前述晶粒尺寸的变化趋势基本相同.

 

2.3塑性异向性

 

图4给出了实验钢带A，B, C实测值与晶粒尺 寸的对应关系（空心点数据)，并将其与Karlyn等⑴的 结果（实心点数据）相比较.实验钢A, B不同状态钢带 的实测值与{111}纤维取向铁素体的平均晶粒尺寸 的对数间存在较好的线性关系，尽管该斜率（0.31)远低 于以前的数据（1.6—2.6)，它仍然表明增加{111}纤维取 向铁素体晶粒尺寸对钢的法向异向性有积极的影响.