CN101429590A

CN101429590A - 一种高碳含量的孪晶诱导塑性钢铁材料的制备方法

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Publication number: CN101429590A
Application number: CNA2008102398959A
Authority: CN
Inventors: 米振莉; 唐荻; 江海涛; 代永娟; 吕建崇
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2009-05-13
Anticipated expiration: 2028-12-19
Also published as: CN101429590B

Abstract

本发明属于钢铁材料制备领域，特别是一种高碳含量的孪晶诱导塑性钢铁材料的制备方法。其成分范围为：C％：0.2－0.49wt％或者0.55－1.5wt％，Mn％：10－22wt％或者23.1－35wt％，Al％：＜1wt％，Si％：＜1wt％，S％：＜0.008％，P％＜0.02％，余量是Fe及不可避免的杂质。制备步骤为：冶炼制备的板坯经热轧工艺可得到使用状态的热轧薄板：或热轧、冷轧得到冷轧薄板，经过热处理使抗拉强度在750－1200MPa，同时屈服强度在230－615MPa，延伸率在45－ 70％，－100℃以上不存在韧脆性转折点。本发明制备的高强度、高塑性的钢铁材料具有优异的综合力学性能和良好的加工性能与成形性能。可用于铁路钢轨、制造轿车、工程机械、输油气管线和液化天然气运输船以及军工等行业对迅速发展的汽车产业和军工行业具有重要的价值和极大的应用空间。

Description

一种高碳含量的孪晶诱导塑性钢铁材料的制备方法

技术领域

本发明属钢铁材料制备领域，涉及一种高碳含量的孪晶诱导塑性钢铁材料的制备方法。

背景技术

进入21世纪，轻量节能汽车、深井采油管和大口径输油(气)管、大型工程机械、大跨度重载桥梁、大型高性能船舶和高层建筑等的迅速发展，尤其对于我国重点发展的基础铁路交通事业，对钢铁材料的性能和使用寿命提出了更高的要求。同时，钢铁业的竞争日益升级，用户要求也不断提高。所有这些问题正给钢铁工业持续稳定发展带来了的严峻挑战。因此，依靠科技进步不断提高钢铁产品质量，按照“节约、回收和再利用”的原则，开发质量更高、性能更好、寿命更长和性能价格比更高的先进钢铁结构材料，比任何时候都显得紧迫和必要。

孪生变形作为滑移之外的第二种变形机制历来被认为只有在滑移变形困难的六方金属和特殊的变形条件下存在，从晶体学原理可知，孪生是晶体进行切变的一种方式，但它与滑移的切变又不相同，不是只局限于滑移面的一种切变，而是均匀分布在孪生区域内的一种切变。因此近年来孪晶在纳米铜中的作用被引起了广泛关注，因为孪晶???在纳米铜中保证高强度的同时获得较高的加工硬化和塑性变形能力同时不降低材料的导电性，提高了纳米金属材料的综合力学性能(文献1：Lu L，Shen Y F，Chen X H，Qian L H，Lu，K.Ultrahigh strength and high electrical conductivity in copper.Science，304(2004)：422-426.文献2：Shen Y F，Lu L，Lu Q H，Jin Z H，Lu K.Tensile properties of copper with nano-scaletwins.Scripta Mate，52(2005)：989-994.)而在钢铁材料中，孪生变形很少引起研究者的注意，在奥氏体不锈钢中人们发现了孪晶的存在，但是只注意了不锈钢的耐腐蚀性而鲜有深入系统地研究孪生对钢铁材料的组织性能的影响。

直到近几年孪晶诱导塑性钢优越的高强度(600-1200MPa)、高塑性(最大延伸率可达95％)、高韧性(-196℃钢具有65％的总应变)的研究，使一种新的大范围提高钢材性能的手段成为可能。使孪生变形对钢的性能的贡献引起了材料研究者的重新认识。因为传统的TWIP钢成分为Fe-25Mn-3Al-3Si-0. 03C(文献3：Georg Frommeyer，Udo Brux，PeterNeumann.Supra-ductile and high-strength manganese-TRIP/TWIP steels for high energyabsorption purposes，ISIJ International，V 43(2003)3：438-446.)其中Al含量较高，因为Al在浇铸时易氧化，会堵浇铸的水口，而高含量的Si会影响冷轧板的镀锌质量，这些问题会为TWIP钢的工业化生产带来难题，因此有必要开发新一代的低Si低Al的TWIP钢。本发明降低了Al、Si含量，使其成分更接近于工业化生产，在保持较高塑性的同时强度大幅度提高。

但是由于高锰和高铝高硅含量使得高强度高塑性孪晶诱导塑性钢的制备存在难题，使用通常缩写为“DSC工艺”的“钢带连铸(Direct Strip Casting)”工艺来进行铸造带材的制备具有高的强度(专利公开号：CN 101160183A，具有高锰含量的轻质结构钢的生产方法和设备)，但是仍具有特征性缺点。例如，出现宽范围的脆-韧转变温度、性能对温度的严重依赖或更多各向异性变形行为。专利(专利公开号：CN 101065503A具有TWIP性能的高强度钢带或薄钢板以及通过钢带连铸制备它的方法)在不间断地进行连续加工步骤中将熔融材料施加到传送带上，并对其进行冷却，凝固为预制带材之后进行轧制。该方法是一种利用特殊设备连续的生产薄带材的方法，其应用范围受到了极大的限制，且其生产的材料性能偏低。

发明内容

本发明的目的是提供一种高碳含量的孪晶诱导塑性钢铁材料的制备方法，利用现有的传统设备生产出具有最佳性能组合和同样的最佳实用价值的高强度高塑性孪晶诱导塑性钢铁材料。

一种高碳含量的孪晶诱导塑性钢铁材料，其成份范围为：

C％：0.2-0.49wt％或者0.55-1.5wt％，Mn％：10-22wt％或者23.1-35wt％，Al％：<1wt％，Si％<1wt％，S％<0.008％，P％<0.02％，余量是Fe及不可避免的杂质。层错能控制在20-60mJ·mm²；制备步骤为：

1).采用电磁感应炉真空熔炼，充氩气保护，浇铸成板坯；

2).利用轧制技术，经热轧，其中热轧的加热温度1100-1200℃，保温30分钟—3小时后，在350二辊热轧机上热轧，得到厚度为2.5～3.5mm的热轧薄板，总变形量为80～95％，热轧的开轧温度为1100，终轧温度为750℃，优选终轧温度控制在850℃以上；终轧之后空冷至卷取温度，卷取温度控制在400-750℃，优选卷取温度是500-600℃，即可得到使用状态的热轧薄板；。

3).热轧钢板经酸洗后在430四辊冷轧机上冷轧，冷轧板厚度0.8-1.5mm，冷轧压下率控制在30-80％，冷轧压下率优选控制在50-70％。

4).热处理工艺：将0.8-1.5mm厚的冷轧钢板在加热炉中在设定温度600-850℃保温5-60分钟后，以5℃/min-100℃/s的速度冷却至室温；优选热处理工艺是650-750℃保温5-20分钟，冷却速度是10-50℃/s。

高碳高锰含量的高强度高塑性孪晶诱导塑性钢铁材料，其微观结构经过热轧或热处理后变形前是奥氏体基体中存在有退火孪晶和层错，其晶粒尺寸为2-20μm，退火孪晶生长并贯穿于晶粒内部；经变形后，在外力作用下形成形变孪晶，取向相同的孪晶片层之间相互平行。正是由于变形过程中形变孪晶的形成及变形最后阶段的剪切带变形从而诱导塑性使材料在具有高强度的同时具有高塑性。

本材料通过工艺控制得到不同级别的强度和塑性的配比，可得到抗拉强度在750-1200MPa，同时屈服强度在260-615MPa，延伸率(A₅₀)在50-70％，在使用状态下具有较高的应变硬化指数，n(4％->Ag)＝0.418，n(4％-10％)＝0.2687.。

本发明具有如下优点：

1.具有优良的性质。本发明利用轧制技术和热处理工艺制备出具有退火孪晶和层错的奥氏体晶粒，其大小为2-20μm，具有独特的微观结构。本发明材料具有很高的延伸率，A50可高达70％，该塑性指标已远远高于用其他传统方法制备的钢铁材料。

2.应用前景好。由于本发明中这种钢铁材料可通过不同的化学成分配比经过热轧工艺控制或者冷轧后简单的热处理后具有退火孪晶的奥氏体组织结构，使得材料具有高强度的同时具有高塑性。因此，这种高强度高塑性的钢铁材料对高速发展的汽车、石油、铁路、建筑、船舶等行业及军工用品方面和需要的发展具有重要价值

3.制备方法简单。本发明利用传统的炼钢技术、轧制工艺和热处理技术，只需控制热轧工艺及热处理工艺即可获得这种具有孪晶组织的高强度高塑性的钢铁材料。

4成本低。本发明的钢铁材料不需要添加贵重的合金元素，只需常用的价格较低的碳和锰元素即可获得钢铁材料。

附图说明

图1为本发明材料热处理后变形前的金相组织照片

图2为本发明材料热处理后变形后的金相组织照片

图3为本发明材料热处理后变形前的TEM照片的退火孪晶和层错。

图4为本发明材料热处理后变形后微观组织中的剪切带

图5为本发明材料的拉伸曲线。

具体实施方式

实施例1

利用传统的真空冶炼和热轧工艺制备出钢板

其成分为：C％＝0.63wt％，Mn％＝23.6wt％，Si％＝0.20wt％，P％＝0.009wt％，S％＝0.0065wt％，Al％＝0.036wt％，余量为Fe。

冶炼工艺：采用电磁感应炉真空熔炼，充氩气保护，浇铸成90mm后的板坯。

轧制工艺：钢铁材料加热温度为1200℃，保温3小时均匀化处理。在350二辊热轧机上热轧，得到厚度为3.5mm左右的热轧薄板，总变形量为95％，其开轧和终轧温度分别为1100℃和950℃，热轧后空冷(20℃/s)，可得到抗拉强度1001MPa，屈服强度535MPa，同时延伸率达到52％的热轧薄板。

实施例2.

利用传统的真空冶炼和热轧、冷轧工艺制备出钢板

冶炼工艺：采用电磁感应炉真空熔炼，充氩气保护。

轧制工艺：钢铁材料加热温度为1200℃，保温3小时均匀化处理。在350二辊热轧机上热轧，得到厚度为3mm左右的热轧薄板，总变形量为95％，其开轧和终轧温度分别为1100℃和950℃，在430四辊冷轧机上冷轧，冷轧至1.0mm厚的试验薄板，冷轧压下率是66.7％。

热处理工艺：将1.0mm厚的冷轧钢板在加热炉中700℃保温20分钟后，以10℃/s的速度冷却至室温。

光学显微组织观察其室温组织为奥氏体基体的退火孪晶，退火后的组织有边界平直的退火孪晶出现(图1所示)。通过TEM观察内部为大量的层错和孪晶共存结构(图3所示)，拉伸变形后的光学显微组织，在外力作用下原来的退火孪晶发生变形，产生了更为细小的变形孪晶(图2所示)同时存在剪切带变形(图4所示)，发生剪切带诱导塑性。

高强度、高塑性孪晶诱导塑性钢铁材料的室温拉伸：图5所示为高强度、高塑性孪晶诱导塑性钢铁材料的室温下的真应力-应变曲线。得到1140MPa的抗拉强度，和480MPa的屈服强度以及57.3％延伸率。

实施列3

与实施例1不同之处在于：热处理温度的控制，只将热处理温度控制在850℃，保温20分钟后，以30℃/s的速度冷却至室温。

该工艺条件下制备出高强度、高塑性的孪晶诱导塑性钢，透射电子显微镜观察该钢铁材料也由奥氏体基体中存在退火孪晶和层错的微观结构，其晶粒尺寸10-25μm。该钢铁材料在室温的屈服强度230MPa，抗拉强度810MPa，延伸率66±3％。

实施例4

与实施例1和例2的不同之处在于：其钢铁材料的成分为：C％＝0.44wt％，Mn％＝21.44wt％，Si％＝0.10wt％，P％＝0.006wt％，S％＝0.0055wt％，Al％＝0.026wt％，

余量为Fe。经过实施例1和例2的加工过程，

其中冷轧压下率是71.4％，冷轧板厚度是1.06mm，热处理温度是750℃，保温15min，以30℃/s的速度冷却至室温。

该工艺条件下制备出高强度、高塑性的孪晶诱导塑性钢，透射电子显微镜观察该钢铁材料也由奥氏体基体中存在退火孪晶和层错的微观结构，其晶粒尺寸2-5μm。该钢铁材料在室温的屈服强度465MPa，抗拉强度1040MPa，延伸率61.0％。

实施例5

与实施例4不同之处在于：其中冷轧压下率是62.9％，冷轧板厚度是1.10mm，热处理温度是700℃，保温15min，以30℃/s的速度冷却至室温。

该工艺条件下制备出高强度、高塑性的孪晶诱导塑性钢，透射电子显微镜观察该钢铁材料也由奥氏体基体中存在退火孪晶和层错的微观结构，其晶粒尺寸2-5μm。该钢铁材料在室温的屈服强度560MPa，抗拉强度1090MPa，延伸率51.5％。

实施例6

与实施例1和例2的不同之处在于：其钢铁材料的成分为：C％＝0.98wt％，Mn％＝29.0wt％，Si％＝0.23wt％，P％＝0.008wt％，S％＝0.0066wt％，Al％＝0.035wt％，余量为Fe。经过实施例1和例2的加工过程，其中冷轧压下率是66.7％，冷轧板厚度是0.98mm，热处理温度是750℃，保温15min，以30℃/s的速度冷却至室温。

该工艺条件下制备出高强度、高塑性的孪晶诱导塑性钢，透射电子显微镜观察该钢铁材料也由奥氏体基体中存在退火孪晶和层错的微观结构，其晶粒尺寸2-5μm。该钢铁材料在室温的屈服强度575MPa，抗拉强度1150MPa，延伸率56.1％。

Claims

1.一种高碳含量的孪晶诱导塑性钢铁材料的制备方法，其特征是材料成份范围为：C％：0.2-0.49wt％或者0.55-1.5wt％，Mn％：10-22wt％或者23.1-35wt％，Al％：<1wt％，Si％<1wt％，S％<0.008％，P％<0.02％，余量是Fe，层错能控制在20-60mJ·mm²；制备步骤为：

1).采用电磁感应炉真空熔炼，充氩气保护，浇铸成板坯；

2).利用轧制技术，经热轧，其中热轧的加热温度1100-1200℃，保温30分钟—3小时后，在350二辊热轧机上热轧，得到厚度为2.5～3.5mm的热轧薄板，总变形量为80～90％，热轧的开轧温度为1100，终轧温度为750℃；终轧之后空冷至卷取温度，卷取温度控制在400-750℃，得到使用状态的热轧薄板；

3).热轧薄板经酸洗后在430四辊冷轧机上冷轧，冷轧钢板厚度0.g-1.5mm，冷轧压下率控制在30-80％；

4).热处理工艺：将0.8-1.5mm厚的冷轧钢板在加热炉中在设定温度600-850℃下保温5-60分钟后，以5℃/min-100℃/s的速度冷却至室温。

2.如权利要求1所述高碳含量的孪晶诱导塑性钢铁材料的制备方法，其特征是终轧温度控制在850℃以上。

3.如权利要求1所述高碳含量的孪晶诱导塑性钢铁材料的制备方法，其特征是热轧之后空冷至卷取温度，卷取温度是500-600℃。

4.如权利要求1所述高碳含量的孪晶诱导塑性钢铁材料的制备方法，其特征是冷轧压下率控制在50-70％。

5.如权利要求1所述高碳含量的孪晶诱导塑性钢铁材料的制备方法，其特征是热处理工艺是650-750℃下保温5-20分钟，冷却速度是10-50℃/s。