超薄钢板：利用位错密度控制和烘烤硬化实现高强度和大均匀伸长率

引言：超薄钢板需要经过额外的冷加工（双压下）来提高屈服应力，但通常会严重损失均匀伸长率和成形性。本文表明，只需使用标准工业手段，就可以低成本地实现超薄钢板的高强度和大的均匀伸长率。设计了一种优化工艺，利用位错密度控制和烘烤硬化的有益效果。该优化工艺使超薄钢板能够在不牺牲屈服应力的情况下显著提高均匀伸长率，从而为提高高屈服应力超薄钢板的成形性提供了一种有效的方法。这种增强的均匀伸长率是由于初始不饱和的位错密度可以在塑性应变过程中进一步增加位错，这表明精确控制位错在生产具有高强度和高均匀拉伸延展性的低成本超薄钢板中的重要作用。

为了进一步降低原材料成本，行业继续向超薄板材（厚度约为 200 μm）发展，这进一步支持了对高强度的需求。特别是，在板材经过冷轧和退火后，通过额外的冷轧工艺获得的双压下 (DR) 型板材表现出显著增加的屈服应力。

遗憾的是，DR 板材屈服应力的提高不可避免地以降低均匀伸长率和因过度冷变形而导致的成形性不足为代价。由于成本问题，解决这一权衡对于行业来说尤其困难。纳米孪生（Lu 等人，2009 年；Lu 等人，2004 年；Sevillano，2009 年）、双峰（Wang 等人，2002 年）、多峰（Zhao 等人，2008 年）、层状（Liu 等人，2013 年）、梯度（Wu 等人，2014 年）和分层（Liddicoat 等人，2010 年；Ming 等人，2019 年）结构虽然可以增强应变硬化并因此在高屈服应力下提高均匀伸长率，但需要复杂的加工技术或过量的合金元素，而这些只能在实验室中实现。 事实上，这些基于纳米结构的设计原理通常不适用于工业生产的低合金、易于回收、大众消费的钢。

设计位错线缺陷，例如操纵位错密度或控制与间隙碳原子的相互作用，为实现钢材中相互矛盾的机械性能提供了不同的途径（Huang and He，2018），尤其是通过简单的加工路线制造的廉价钢材。一个典型的例子是超高强度变形和分割（D&P）钢（He et al.，2017a）的大拉伸延展性，它可以通过现有的加工路线生产。为了在不牺牲屈服应力的情况下在 DR 钢板中获得大的均匀伸长率，控制位错密度以及碳-位错相互作用可能是合理的。

这里设计了一种优化的 DR 工艺，涉及精确控制位错密度和烘烤硬化，以证明该概念在超薄 DR 板中的有效性。分析和比较了由传统 DR 工艺和优化工艺生产的两种具有相似化学成分的超薄 DR 钢。两种钢均表现出相同的屈服应力，约为 510 MPa，但表现出明显的应变硬化行为和均匀伸长率。使用详细的微观结构表征，包括同步加速器 X 射线衍射分析，定量分析了每种钢的强化机制。结果表明，优化后的 DR 钢的均匀伸长率显著提高源于其在拉伸应变过程中不断产生位错的能力。此外，由于碳-位错相互作用，烘烤硬化处理促进了 96 MPa 的额外强化，确保优化后的 DR 钢的屈服应力不受影响。总的来说，这项工作展示了一种有效且工业兼容的方法来提高 DR 板的成形性，同时保持其屈服应力。 该结果可能为行业开发具有显著屈服应力和均匀伸长率组合的廉价、可回收、超薄钢板提供一条通用途径。

图 1 显示了两种钢沿 RD 方向的工程应力-应变曲线，以及在不同整体应变下通过 DIC 获得的相应应变曲线。两种钢具有相似的 0.2% 偏移屈服应力 (σy)，约为 510 MPa，但它们表现出不同的屈服行为，从连续屈服（钢 A）到不连续屈服（钢 B）。钢 B 表现出的不连续屈服通过应力-应变曲线上的早期应力平台和 DIC 测量显示的双吕德斯带的扩展来识别（图 1B）。吕德斯带从试样的上肩和下肩开始，一直延伸到两条带在 ε～0.014 处相遇。这种吕德斯带是一种典型现象，主要发生在低碳钢烘烤硬化后（Ballarin 等，2009），在此过程中间隙碳原子迁移到位错并形成科特雷尔气氛。 钢 A 尚未经过烘烤硬化，因此没有出现这种应力平台。

图 1. 原始状态的 (a) 钢 A 和 (b) 钢 B 的单轴拉伸应力-应变曲线，其中加载轴与板的 RD 平行。还显示了每个测试在不同整体工程应变 ( εg ) 下轴向应变场 ( εyy ) 的相应演变（视野：25 毫米 × 4.7 毫米）。

图2显示了两种钢沿RD、DD和TD方向的工程应力-应变曲线。相关力学性能总结在表3中。对于每种钢，试样方向对力学性能（例如σy、σu、εu和εf）仅有轻微影响，而应变硬化行为在拉伸方向上几乎没有变化。图3显示了两种原钢的初始SEM微观结构。两种钢均显示出典型的预共晶微观结构，由微米级珠光体群和铁素体晶粒组成。从SEM图像评估发现，珠光体相具有轻微或无明显变形的层状形态，在两种钢中具有大致相同的体积分数。测得钢A中的珠光体面积分数约为4.9％，而钢B中的珠光体面积分数约为5.2％。

图 2. （a）钢 A 和（b）钢 B 的单轴拉伸应力-应变曲线，其中加载轴平行于板材的 RD、DD 和 TD。

图 3. (a) 钢 A 和 (c) 钢 B 的初始 SEM 微观结构。RD 沿图像的垂直方向。(b) (a) 中白色方框标记区域的放大视图，显示钢 A 中存在碳化物。(d) (c) 中白色方框标记区域的放大视图。

图 4. 原样（a）钢 A 和（b）钢 B 的逆极图 (IPF) 电子背散射衍射 (EBSD) 图案。还提供了基于 EBSD 图案的极图和晶粒尺寸分布。

由于难以用TEM可靠地测量现有钢的位错密度，本文采用了衍射峰展宽分析方法。利用同步加速器X射线衍射实验结合MWH测量方法（Ungár等，1998b）测定了两种钢在不同工程应变（钢A为0%、4%、8%，钢B为0%、3%、10%）下的位错密度。对于图7中的每个衍射图，可以确定五对ΔK和K数据。ΔK通过使用伪Voigt函数拟合峰值来确定，误差线表示ΔK的一个标准差。如上图所示，两种钢均呈现出具有清晰可见的层状结构的珠光体相（图3b和d）。可以预见，第一次冷轧过程中的剧烈塑性变形会严重扭曲层状结构，而两种钢中的珠光体均呈现出几乎未变形的形貌。 这可以从以下事实中理解：在临界退火（温度低于 Ac3）期间，奥氏体形成的第一步是珠光体溶解为高碳奥氏体（Speich 等人，1981 年），由于局部碳含量高，高碳奥氏体将在冷却时长大。因此，预计两种钢中未变形的珠光体层状结构将在退火过程中从最初变形的珠光体团的相同位置形成。

图 5. 这里展示的两种钢材在应变至 10% (沿 RD) 之前 (a、c) 和之后 (b、d) 的 EBSD-KAM 图。

图 6. (110) 双光束条件下的明场 TEM 图像，显示了两种当前钢中大晶粒的位错结构（a、c）在应变至 10%（沿 RD）之前以及（b、d）。

图 7. 两种钢的同步加速器 XRD 结果。（a）和（c）是（a）钢 A 和（c）钢 B 在不同应变下的同步加速器 XRD 曲线。拉伸方向沿 RD。（b）和（d）显示了（b）钢 A 和（d）钢 B 在不同应变下的 (200) 峰。在（b）和（d）中，峰强度被归一化以识别峰展宽的存在。

图 8. 按照方程 (5) 绘制的 (a) 钢 A 和 (b) 钢 B 在各种工程应变下的改进 Williamson-Hall 图。

图 9. 根据修改后的 Williamson-Hall 图确定的两种钢的位错密度随真实应变的变化。

图 10. 经过和未经 BH 处理的 A 钢试样的单轴拉伸应力-应变曲线（载荷轴平行于 RD）。

图 11. (a) 钢 A 和 (b) 钢 B 在塑性变形过程中强化对流动应力的各自贡献。对于钢 A，均匀伸长率非常小，仅显示工程应力-应变曲线，并将硬化贡献与工程应力作图。对于钢 B，显示工程和真实应力-应变曲线，并将硬化贡献与真实应变作图。实验确定的真实应力与计算的真实应力非常匹配。

与钢 A 相比，钢 B 的热机械处理不会显著改变其他重要特性，例如织构和塑性各向异性。因此，提出可以通过控制位错来实现 DR 板材强度和成形性的完美结合。目前解决超薄板材强度和成形性冲突的方法很容易应用于全球包装行业，该行业需要具有简单化学成分和传统加工工艺路线的钢材。