CN101429620B - 一种磷强化的孪晶诱导塑性钢铁材料及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢铁金属材料的改进技术，特别是一种磷强化的孪晶诱导塑性钢铁材料及其制备工艺，属于钢铁材料加工领域。其成分范围C％：0.01-0.08％，Mn％：15-35％，Al％：1-6％，Si％：1-6％，S％＜0.008％，磷含量在0.062-0.2wt％，余量是Fe。本发明可通过工艺控制得到不同级别的强度和塑性的配比，可得到610-915MPa的抗拉强度和225-610MPa的屈服强度以及45.0-85.5％延伸率。使钢的强度在同等条件下不降低塑性的同时使TWIP钢的强度提高30-70MPa。本发明制备的高强度、高塑性的钢铁材料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

一种磷强化的孪晶诱导塑性钢铁材料及其制备工艺

技术领域

本发明属钢铁材料制备领域，涉及一种磷强化的孪晶诱导塑性钢铁材料及其制备工艺。

背景技术

当今汽车工业的一个大的发展趋势，就是节能、降耗、有利于环境和更安全，因此使用高强和超高强度钢以达到汽车的轻型化是汽车近年研究的重点。高强度钢板对减轻汽车重量起着极其重要的作用。对降低油耗，提高汽车构件强度，确保安全性能等也具有重要意义。汽车设计中车身起着非常重要的角色。汽车生产企业努力开发新型材料，采用高科技技术来保护驾驶员和乘车人的安全。当汽车碰撞时，必须要具备两个性能，既有很好的延展性，又有足够的刚度，能在撞击中更好地保护乘客。因此强度和延展性作为汽车用钢发展的重要的两个性能指标同时被要求。

奥氏体钢的性能主要取决于堆垛层错能，层错能决定了变形过程中的主要变形机制。高锰奥氏体钢层错能较低，在塑性形变初期，低的层错能将阻止晶粒交滑移，产生大量的层错，随着形变量的增加和不完全位错的运动，高锰奥氏体钢会在层错的基础上形成孪晶。孪晶界面的存在使位错运动的阻力增大，孪晶愈细愈多阻力愈大，孪晶的数目多且细切割晶体的作用愈显著，导致材料的强度提高。正是由于TWIP钢在变形过程中应变诱导产生形变孪晶，孪生调整了晶体的取向，使塑性变形得以继续进行，大量的孪晶的形成会使TWIP钢发生较大的无颈缩均匀延伸，因而表现出非常高的塑性。

磷在固体铁中形成置换式固溶体，在纯奥氏体中的最大溶解度约为0.5％；磷是使奥氏体相区封闭的元素，磷元素有增大奥氏体晶粒长大的作用，磷元素溶入奥氏体后削弱了铁原子结合力，加速铁原子扩散，因而促进奥氏体晶粒长大。在变形的面心立方晶体金属中，以置换型杂质合金化明显的促进面心立方金属中的孪生，特别是当杂质原子强烈降低层错能时。尤其是在每个杂质原子具有较多价电子的合金中，层错能降低得更为迅速。磷原子就具有这些特性，因此希望通过将磷加入TWIP钢中，降低层错能，使孪生的开始也更为容易。

最近几年发展起来的强度和塑性较好的TRIP钢(应力诱发相变，相变诱发塑性)，即采用热处理工艺，形成铁素体、马氏体和少量奥氏体600-800MPa高强度和高延伸性的新钢种，其不同级别的Trip钢延伸率保持在20-40％，其延伸率很难突破40％。Sung-Joon Kim等人(文献1：Sung-Joon Kim，Chang Gil Lee，Tae-Ho Lee，Chang-saekOh，Effect of Cu，Cr and Ni on mechanical properties of 0.15wt.％C TRIP-aided coldrolled steels，Scripta Materialia 48(2003)539-544)研究的冷轧0.15％C的Trip钢抗拉强度达到800MPa，而延伸率最高有34％。

由以上分析表明，通过调整材料成分，控制材料层错能，使材料在退火后产生退火孪晶并在外载荷作用下产生机械孪晶，使材料具有高强度和高塑性的配比。从上述理论出发，本发明提出了一种磷强化的高强度、高塑性的具有孪晶和层错微结构的钢铁材料及其制备方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种加磷强化的孪晶诱导塑性具有高强度高塑性的钢铁材料及制备方法。

一种加磷强化的孪晶诱导塑性具有高强度高塑性的钢铁材料，其成份范围为：

C％：0.01-0.08％，Mn％：15-35％，Al％：1-6％，Si％：1-6％，S％＜0.008％，磷含量在0.062-0.2wt％，余量是Fe及不可避免的杂质。层错能控制在15-50mJ·mm2。

其中磷含量的优选范围为0.062-0.15wt％。

加磷强化的孪晶诱导塑性具有高强度高塑性的钢铁材料的制备方法：

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、冷轧，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℃；冷轧钢板经酸洗后在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％，优选冷轧压下率是55-70％。

3).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600-1000℃保温5-60分钟后，以10-100℃/s的速度冷却至室温，优选热处理的加热温度是700-900℃，保温时间是5-20分钟，冷却速度是10-50℃/s。

磷合金强化的高强度高塑性孪晶诱导塑性钢铁材料，其微观结构热处理后变形前是奥氏体基体中存在有大量的退火孪晶和层错，其晶粒尺寸为2-30μm，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610-915MPa的抗拉强度和225-610MPa的屈服强度以及45.0-80.5％延伸率。

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2-30μm，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80％以上，该塑性指标已远远高于用其他传统方法制备的钢铁材料。并且其强度同时可达到425MPa的屈服强度和785MPa的抗拉强度。

2.应用前景好。由于本发明中这种钢铁材料特殊的化学成分经过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，只需控制热处理温度和时间及冷却速度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锰、铝、硅元素即可获得本钢铁材料，所添加的磷元素价格便宜。

附图说明

图1为本发明磷强化的高塑性、高强度孪晶诱导塑性钢铁材料热处理后变形前的金相组织照片

图2为本发明磷强化的高塑性、高强度孪晶诱导塑性钢铁材料热处理后变形后金相组织照片

图3为本发明磷强化的高塑性、高强度孪晶诱导塑性钢铁材料热处理后变形后的TEM照片的变形孪晶。

图4为本发明磷强化的高塑性、高强度孪晶诱导塑性钢铁材料磷是0.112％时热处理后变形后发生了ε-M相变的TEM照片。

具体实施方式

下面附图和实施例详述本发明

实施例1

1.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。

其成分为：P％＝0.063wt％，C％＝0.022wt％，S％＝0.0017wt％，Mn％＝24.98wt％，Si％＝2.96wt％，Al％＝2.96wt％，余量是Fe及不可避免的杂质。

轧制工艺：钢铁材料铸坯加热温度为1200℃，保温40分钟。在350二辊热轧机上热轧，得到厚度为3mm的热轧薄板，总变形量为80～90％，其开轧和终轧温度分别为1100℃和850℃。热轧板经酸洗后在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66.3％。

2.热处理工艺：将1.0mm厚的冷轧钢板在加热炉中在900℃保温10分钟后，以30℃/s的冷却速度冷到室温。

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)，其晶粒大小10-15μm。图2是变形后微观形貌，存在变形孪晶。变形后的组织通过TEM观察到的形变孪晶，如图3所示变形孪晶，孪晶间距细小，只有500nm，所示的变形孪晶中有两组孪晶堆垛而成的不同取向、不同厚度的两个孪晶系统，说明这两个系统在变形过程中并不是同时生成的，证实了晶粒内同时存在两个先后被激活的孪晶系统。因此发生了孪晶诱发塑性效应，使钢板具有优良的力学性能。磷强化的高强度、高塑性孪晶诱导塑性钢铁材料的室温拉伸得到的791MPa的抗拉强度，和455MPa的屈服强度以及71.1％延伸率。

实施例2

与实施例1不同之处在于将热处理温度控制在1000℃保温20分钟后，以10℃/s的速度冷却至室温。得到的室温力学性能为：抗拉强度为235MPa，屈服强度为620MPa，延伸率为81.0％。

实施例3

与实施例1不同之处在于：其成分为：P％＝0.112wt％，C％＝0.013wt％，S％＝0.0016wt％，Mn％＝24.86wt％，Si％＝3.06wt％，Al％＝2.98wt％，余量是Fe及不可避免的杂质。

热处理工艺为：温度控制在750℃，保温10分钟后，以60℃/s的冷却速度冷到室温。

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。由于磷的含量较高降低层错能的作用明显，使层错能为15-25mJ·mm2，发生了ε-M相变，如图4所示的ε-M形貌。该钢铁材料在室温的力学性能：屈服强度615MPa，抗拉强度901MPa，延伸率53％。

实施例4

与实施例1不同之处在于：其成分为：P％＝0.106wt％，C％＝0.013wt％，S％＝0.0013wt％，Mn％＝25.06wt％，Si％＝3.01wt％，Al％＝2.98wt％，余量是Fe及不可避免的杂质。

热处理工艺为：温度控制在800℃，保温10分钟后，以30℃/s的冷却速度冷到室温。

该钢铁材料在室温的力学性能：屈服强度885MPa，抗拉强度596MPa，延伸率56.9％。

实施例5

与实施例1不同之处在于：其成分为：P％＝0.084wt％，C％＝0.021wt％，S％＝0.0017wt％，Mn％＝24.92wt％，Si％＝2.96wt％，Al％＝2.96wt％，余量是Fe及不可避免的杂质。

热处理工艺为：加热温度控制在850℃，保温15分钟后，以30℃/s的冷却速度冷到室温。

该钢铁材料在室温的力学性能：屈服强度565MPa，抗拉强度850MPa，延伸率62.1％。

Claims (4)

1.一种磷强化的孪晶诱导塑性钢铁材料，其特征是材料成份范围为：C％：0.01-0.08％，Mn％：15-35％，Al％：1-6％，Si％：1-6％，S％＜0.008％，磷含量在0.062-0.2wt％，余量是Fe；

其制备工艺为：

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、冷轧，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℃；冷轧钢板：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％；

3).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600-1000℃保温5-60分钟后，以10-100℃/s的速度冷却至室温。

2.如权利要求1所述磷强化的孪晶诱导塑性钢铁材料，其特征是磷含量0.062-0.15wt％。

3.如权利要求1所述磷强化的孪晶诱导塑性钢铁材料，其特征是冷轧压下率是55-70％。

4.如权利要求1所述磷强化的孪晶诱导塑性钢铁材料，其特征是热处理的加热温度是700-900℃，保温时间是5-20分钟，冷却速度是10-50℃/s。

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