CN103114185A

CN103114185A - 一种具有多尺度孪晶结构钢及其制备方法

Info

Publication number: CN103114185A
Application number: CN2013100763997A
Authority: CN
Inventors: 陈爱英; 潘登; 贾彦全; 刘芳
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2013-05-22

Abstract

本发明公开一种具有多尺度孪晶结构钢及其制备方法。所述的具有多尺度孪晶结构钢具有复杂的微观结构，该复杂的微观结构即为多尺度孪晶和复杂的相结构，从表面到中心的硬度呈梯度减小。其制备方法即以奥氏体不锈钢、TRIP钢或TWIP钢为材料采用高应变速率变形法或高应变速率变形和温变形处理相结合的方法。多尺度孪晶结构的孪晶密度为10-90%，且随深度的变化孪晶密度是变化的，在表层为30-85％，而在中心为10％-50％。本发明的一种具有多尺度孪晶结构钢实现了强度和塑性的同步增长，同时保持良好的延展性。最高的屈服强度为900-1800MPa，抗拉强度为1000-2000MPa，断裂伸长率为30-50%。

Description

一种具有多尺度孪晶结构钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有多尺度孪晶结构钢及其制备方法。它的微观结构以纳米/亚微米尺度孪晶为特征，具有高强高韧的特点。

背景技术

随着安全和节能要求的日益提高，特别是汽车和航空工业，推动了高性能结构钢的不断发展。钢的强化技术包括添加合金元素，制造多相结构和细化晶粒尺寸到纳米晶或超细晶粒等。但是，强度的提高往往伴随着塑性的降低，甚至恶化。不锈钢由于其优异的加工性能、耐腐蚀性和强度等，已经用于各种结构。强化不锈钢通常包含冷加工硬化不锈钢、沉淀硬化不锈钢和马氏体不锈钢。

冷加工硬化奥氏体不锈钢，如SUS301、SUS304，在固溶态为奥氏体相，冷变形时诱发马氏体相变，提高强度。例如，U.S.Pat.No. 7101446和6764555，采用冷加工硬化不锈钢，利用冷轧过程中产生应变诱导马氏体获得高强度。因此，他们的强度取决于冷轧量和生成的马氏体量。

沉淀硬化不锈钢利用其时效硬化产生高硬度沉淀析出物提高强度，如 U.S.Pat，No.6440236，6743305，7255755，6630103。U.S.Pat.No.7449074介绍采用热机械处理方法细化晶粒和沉淀析出物，获得分散均匀的细晶结构。然而，这些强化机制会导致其它性能的下降，比如低的冷成型性，高温稳定性差，耐腐蚀性降低。加工硬化不锈钢很难通过冷加工精确的调整强度，当冷加工的速率过高时，各向异性会增加，降低韧性。对于沉淀硬化不锈钢，它需要严格的控制钢的成份，且时效温度范围很窄，制约着生产条件。比如，马氏体不锈钢经淬火后易于产生热应力，而使工件加工困难，难以制造出产品所需的形状。因此，采用新强化机理的高性能不锈钢有待开发。

与上面强化不锈钢的方法相比，孪晶界强化是一种新的强化方法（Science, 2009, 323, 607, Science, 2009, 324, 349）。孪晶界是一种特殊的偶合晶界，其强化是基于位错与孪晶界的相互作用，而塑性是由孪晶界处的不全位错滑移产生（Acta Mater. 2008, 56, 4647, Acta Mater. 2003, 51, 5743）。因此，具有高密度细小尺度的孪晶，尤其是纳米尺度的孪晶，可以有效提高强度和改善延展性。但，高密度的细小孪晶在工程材料中很难制备。目前，仅能在极端苛刻条件下制备出高密度的纳米孪晶薄膜材料，比如几十微米厚的铜箔（Science,2009, 323, 607, Mater. Sci. Eng. A 2006, 429, 272）。U.S.Pat. No.6899773 介绍了一种采用磁控溅射法在基底上制备出纳米尺度孪晶微观结构的高强度的单相不锈钢箔。因此，采用新强化机理的高性能钢，特别是实现强度和塑性的同步增长的高性能钢有待开发。

发明内容

本发明的目的之一是为了解决上述高性能钢强度和塑性同步增长的技术问题而提供一种具有多尺度孪晶结构钢。

本发明的目的之二是提供上述的一种具有多尺度孪晶结构钢的制备方法。

本发明的技术原理

孪晶界是一种特殊的偶合晶界，其强化是基于位错与孪晶界的相互作用，而塑性是由孪晶界处的不全位错滑移产生。因此，具有高密度细小尺度的孪晶，尤其是纳米尺度的孪晶，可以有效提高强度和改善延展性。多尺度孪晶结构可利用高密度孪晶界对全位错的累积实现高强度，同时利用不全位错在共格孪晶界的滑移以及多级孪晶变形机制提供高的延展性，从而实现高强高韧的综合性能。此多尺度孪晶结构钢适用于汽车、核电、轨道客车和建筑围护材料等。

本发明的技术方案

一种具有多尺度孪晶结构钢，具有复杂的微观结构，该复杂的微观结构即为多尺度孪晶和复杂的相结构，从表面到中心的硬度呈梯度变化。

多尺度孪晶结构钢是指在纳米和亚微米尺度上的孪晶密度变化范围为10-90％，优选为20-80%，且随深度的变化孪晶密度是变化的，在表层为30-85％，而在中心为10-50％；

多尺寸孪晶是指孪晶尺度从表面到中心是不断增加的，相应的分布从几个纳米到几百纳米；

复杂的相结构是指a￠马氏体、g奥氏体和e马氏体中的一种或两种以上共同存在的结构，而a￠马氏体的体积分数占5-26％，g奥氏体的体积分数占66-94%，e马氏体的体积分数占1-8%；

硬度梯度变化是指从表面到中心的维氏硬度是逐渐减小的，这是由不同的相、晶粒尺寸和孪晶尺寸所引起，以提供良好的塑性。

上述的一种具有多尺度孪晶结构钢的制备方法，由于孪晶的形成取决于堆垛层错能和应变速率以及温度等因素，因此，以奥氏体不锈钢、TRIP钢或TWIP钢为材料，采用高应变速率法或高应变速率和温变形处理相结合的方法进行制备，具体步骤如下：

将待处理的低层错能材料（3-80 mJ/mm²），如奥氏体不锈钢、TRIP钢或TWIP钢放入高速冲击设备的预处理腔体中，控制应变速率为200-2′10⁸m/s,冲击速率为3-30m/s、处理温度为-150℃-0.3T_m (T_m:熔点温度)，最佳的温度范围为-80℃-200℃，时间为1-530min，最终得到具有多尺度孪晶结构钢；

上述的高应变速率法，可采用的方法如高冲击速度的表面机械研磨处理、激光表面处理、喷丸或高速喷涂等处理方法，以诱导孪晶变形；

上述的温变形处理的温度根据钢的层错能而定，高层错能材料可在较低温度下处理，在处理过程中温度是可以变温或恒温，依据钢的层错能而定。

本发明的具有多尺度孪晶结构钢的制备方法适用于具有多尺度孪晶结构钢的板材的制备，也适用于具有多尺度孪晶结构钢的管材和线材的制备，特别是对于厚度小于3毫米的具有多尺度孪晶结构钢的薄板和管材的制备效果最佳，最终所得的具有多尺度孪晶结构钢，适用于轻量化结构件的使用，如汽车车体，轨道交通客车车体、建筑屋顶等领域的使用。

本发明的有益效果

本发明由于采用高应变速率冲击变形方法，诱导孪晶变形，同时抑制了低应变速率下，即应变速率<10m/s下,比如传统的轧制、挤压等变形方式的位错滑移变形，形成了高密度、超细尺度的孪晶。这种超细尺度的孪晶结构中存在大量的孪晶界，起到类似晶界的强化作用。同时，超细尺度孪晶界处存在大量的不全位错，利用不全位错在孪晶界的滑移提供良好的塑性。因此实现了强度和塑性的同步增长，最高的屈服强度为900-1800 MPa，抗拉强度为1000-2000 MPa，断裂伸长率为30-50%。

本发明的具有多尺度孪晶结构钢，由于是基于孪晶界的强化和不全位错在孪晶界的滑移以及孪晶的多重变形机制而实现的，不同于其他的强化机理，如马氏体、第二相沉淀析出，仅存在位错在晶界或相界的累积强化作用。

本发明的具有多尺度孪晶结构钢，不同于其它通过添加复杂成份而实现强化的钢材，它可以再循环，满足可持续发展的要求。同时，具有多尺度孪晶结构钢具有多功能特点，表现出高的表面硬度，良好的热稳定性以及高抗磨损性。

本发明的具有多尺度孪晶结构钢的制备方法，制备过程简单、参数可控，能耗低、无污染的特点。与电沉积、动态塑性变形等其它制造孪晶结构的方法相比，可在体材料中实现纳米/亚微米尺度孪晶结构的制备。

附图说明

图1A、具有多尺度孪晶结构AISI 304不锈钢板的横截面不同倍率下的SEM图；

图1B、具有多尺度孪晶结构AISI 304不锈钢板的横截面不同倍率下的SEM图；

图2、具有多尺度孪晶结构AISI 304不锈钢板和原始AISI 304不锈钢板的XRD 谱图;

图3A、具有多尺度孪晶结构AISI 304不锈钢板深度为50μm处的TEM图；

图3B、具有多尺度孪晶结构AISI 304不锈钢板深度为300μm处的TEM图;

图3C、具有多尺度孪晶结构AISI 304不锈钢板深度为300μm处的孪晶尺度分布;

图4A、具有多尺度孪晶结构AISI 304不锈钢板深度为50μm处的电子衍射图;

图4B、具有多尺度孪晶结构AISI 304不锈钢板深度为300μm处的电子衍射图;

图5、具有多尺度孪晶结构AISI 304不锈钢板和原始AISI 304不锈钢板的工程应力-应变曲线;

图6、具有多尺度孪晶结构AISI 304不锈钢板和原始AISI 304不锈钢板的维氏硬度分布图。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。

本发明所指的孪晶密度是指含有超细尺度孪晶的晶粒占总面积的百分比，所述的超细尺度孪晶是指片层间距在1mm以下。

本发明的各实施例所要求的高应变速率，可采用表面机械研磨处理和激光表面强化方法实现，其中所选用的高速冲击设备中，表面机械研磨处理采用金属材料表面纳米化试验机（四川成都新晶格科技有限公司），激光表面强化方法可采用CO₂激光多功能强化加工成套系统（武汉武钢华工激光大型装备有限公司）实现高应变速率变形。

实施例1

具有多尺度孪晶结构AISI 304不锈钢板的制备，步骤如下：

将厚度为1mm的AISI 304 不锈钢板，放入高速冲击设备的预处理腔体中，控制应变速率为5′10⁴m/s，冲击速率为7m/s，采用表面机械研磨室温23℃处理10min后，即得到具有多尺度孪晶结构AISI 304不锈钢板。

上述所得的具有多尺度孪晶结构AISI 304不锈钢板，经透射电子显微镜（JEM 2010，日本JEOL电子株式会社）、扫描电镜（HITACHI S-4200，日本日立）以及X射线衍射仪器（Bruker D8，德国Bruker）进行观察，结果表明其微观结构为纳米和亚微米尺度的孪晶、纳米晶和a￠马氏体；

上述所得的具有多尺度孪晶结构AISI 304不锈钢板经扫描电镜（HITACHI S-4200，日本日立）观察，其横截面SEM 图如图1A、图1B所示，从图1A中可以看出具有多尺度孪晶结构AISI 304不锈钢由大量亚微米尺度孪晶形成，从图1B中可以看出大量超细尺度的孪晶结构。

上述得到的具有多尺度孪晶结构AISI 304 不锈钢板经XRD（Bruker D8，德国Bruker）仪器进行分析，具体如图2所示，横坐标表示衍射峰的强度，纵坐标表示衍射峰的2θ角。从图2中衍射峰的积分强度可以得出具有多尺度孪晶结构AISI 304 不锈钢板的表面是由体积分数为87％的奥氏体和体积分数为12％的a￠马氏体组成。

上述得到的具有多尺度孪晶结构AISI 304 不锈钢板深度为50μm处的TEM图见图3A所示，从图3A可以看出，孪晶密度在50μm处为73％，深度为300μm处的TEM图见图3B所示，从图3B可以看出孪晶密度在300μm处为37％。图3C是上述得到的具有多尺度孪晶结构AISI 304 不锈钢板深度为300μm处的孪晶尺度分布，横坐标为孪晶片层间距，纵坐标为不同片层厚度孪晶的频数，从图3C中可以看出，深度为300μm处的孪晶尺度变化从几纳米到800nm，由此表明所制备的孪晶结构不锈钢板微观结构以多尺度孪晶为特征。

通过透射电子显微镜（JEM 2010，日本JEOL电子株式会社）对上述得到的具有多尺度孪晶结构AISI 304 不锈钢板深度为50μm处进行分析，获得的电子衍射图如图4A所示，从图4A中可以看出衍射斑呈不连续的分布，表明此深度有超细尺度的孪晶以及大量层错存在；

通过透射电子显微镜（JEM 2010，日本JEOL电子株式会社）对上述得到的具有多尺度孪晶结构AISI 304 不锈钢板深度为300μm处进行分析，获得的电子衍射图如图4B所示。从图4B中可以看出衍射斑中呈现两个滑移体系的孪晶衍射斑，表明此深度存在多系孪晶。

通过材料拉伸试样机（ZWICK I250 Materials Testing System，德国兹韦克）对上述得到的具有多尺度孪晶结构AISI 304 不锈钢板和原始AISI 304不锈钢板的工程应力-应变情况进行测定，获得的工程应力-应变曲线如图5所示，从图5中可以得出，具有多尺度孪晶结构AISI 304 不锈钢板的屈服强度最高为933 MPa，是原始AISI 304不锈钢板的3倍，具有多尺度孪晶结构AISI 304 不锈钢板的抗拉强度最高达1035 MPa，断裂伸长率为36％。

实施例2

具有多尺度孪晶结构AISI 304不锈钢板的制备，步骤如下：

将厚度为1mm的AISI 304 不锈钢板，放入高速冲击设备的预处理腔体中，控制应变速率为8′10⁶m/s，冲击速率为19m/s，室温23℃，采用表面机械研磨处理20min后，即得到具有多尺度孪晶结构AISI 304不锈钢板。

上述所得的具有多尺度孪晶结构AISI 304不锈钢板，经XRD（Bruker D8，德国Bruker）仪器进行分析，其表面微观结构由体积分数为94％的奥氏体、体积分数为5％的a￠马氏体和1%的e马氏体组成。

上述所得的具有多尺度孪晶结构AISI 304不锈钢板经透射电镜（JEM 2010，日本JEOL电子株式会社）测定孪晶密度在深度为50μm处为79％，500μm处为35％。

通过维氏硬度测试仪（Zwick/Roell universal hardness testing machine，德国兹韦克）对上述得到的具有多尺度孪晶结构AISI 304 不锈钢板和原始AISI 304不锈钢板的维氏硬度分布情况进行测定，获得的具有多尺度孪晶结构AISI 304不锈钢和原始AISI 304不锈钢的维氏硬度分布图见图6，从图6中可以看出具有多尺度孪晶结构AISI 304不锈钢的维氏硬度呈凹形分布，从表面到中心部位的维氏硬度分布呈梯度变化，表面的维氏硬度最高为480 MPa，中心部位的维氏硬度最低为300 MPa，由此表明具有多尺度孪晶结构AISI 304不锈钢的微观结构呈梯度变化，靠近表面的孪晶密度最大，尺寸最细，随深度增加，孪晶尺度增加、密度减小，引起硬度随之而降低。

实施例3

具有多尺度孪晶结构AISI 301不锈钢板的制备，步骤如下：

将厚度为1 mm的AISI 301 不锈钢钢板，放入高速冲击设备的预处理腔体中，控制应变速率为2′10²m/s，冲击速率为3m/s，用液氮控制温度在-80℃冷却处理1min后，即得到具有多尺度孪晶结构AISI 301不锈钢板。

上述所得的具有多尺度孪晶结构AISI 301不锈钢板，经透射电镜（JEM 2010，日本JEOL电子株式会社）和XRD（Bruker D8，德国Bruker）仪器进行观察，其微观结构为孪晶，纳米晶，a￠马氏体和e马氏体，其中a￠马氏体的体积分数为26％，e马氏体的体积分数为8%，g奥氏体的体积分数占66%。

上述所得的具有多尺度孪晶结构AISI 301不锈钢板经透射电镜（JEM 2010，日本JEOL电子株式会社）测定，其纳米和亚微米尺度的孪晶密度在深度为50 μm和300 μm处分别为30％和10％。

上述所得的具有多尺度孪晶结构AISI 301不锈钢板通过材料拉伸试样机（ZWICK I250 Materials Testing System，德国兹韦克）进行工程应力-应变测定，其最大屈服强度为1450 Mpa，抗拉强度最高达到1800 MPa。

实施例4

具有多尺度孪晶结构TRIP-600钢板的制备，步骤如下：

将厚度为2mm的TRIP-600钢板，放入高速冲击设备的预处理腔体中，控制应变速率为2′10⁸m/s，冲击速率30m/s，采用激光高速冲击方法，温度控制在200℃，处理30min后，即得到多尺度孪晶结构TRIP-600板。

上述所得的具有多尺度孪晶结构TRIP-600板，经透射电镜（JEM 2010，日本JEOL电子株式会社）和XRD（Bruker D8，德国Bruker）仪器进行观察，其微观结构为孪晶，纳米晶，a￠马氏体，其中a￠马氏体的体积分数为16％。

上述所得的具有多尺度孪晶结构TRIP-600板经透射电镜（JEM 2010，日本JEOL电子株式会社）测定靠近表面的纳米或亚微米尺度孪晶密度为30%。

上述所得的具有多尺度孪晶结构TRIP-600板采用材料拉伸试样机（ZWICK I250 Materials Testing System，德国兹韦克）测定屈服强度为870 Mpa，抗拉强度最高达到998 MPa。

实施例5

具有多尺度孪晶结构TWIP-800钢板的制备，步骤如下：

将厚度为1.5mm的TWIP-800钢板，放入高速冲击设备的预处理腔体中，控制应变速率为7′10⁵m/s，冲击速率12m/s，室温23℃经表面机械研磨处理530min后，即得到具有多尺度孪晶结构TWIP-800钢板。

上述所得的具有多尺度孪晶结构TWIP-800钢板，经透射电子显微镜（JEM 2010，日本JEOL电子株式会社）、扫描电镜（HITACHI S-4200，日本日立）以及X射线衍射仪器（Bruker D8，德国Bruker）仪器进行观察，其微观结构包括孪晶，纳米晶，a￠马氏体以及e马氏体。

上述所得的具有多尺度孪晶结构TWIP-800钢板的微观结构经X射线衍射仪器（Bruker D8，德国Bruker）进行观察，结果表明由体积分数为80％的奥氏体、体积分数为19％的a￠马氏体和体积分数为1%的e马氏体组成。

上述所得的具有多尺度孪晶结构TWIP-800钢板，经透射电子显微镜（JEM 2010，日本JEOL电子株式会社）测定近表面的纳米或亚微米尺度孪晶密度为50%。

上述所得的具有多尺度孪晶结构TWIP-800钢板，采用材料拉伸试样机（ZWICK I250 Materials Testing System，德国兹韦克）测定屈服强度为1600 MPa，抗拉强度最高达到1800MPa，断裂延伸率达50%。

综上所述，本发明的一种具有多尺度孪晶结构钢在具有高屈服强度、抗拉强度的同时还具备高延性的特征。另外，本发明的具有多尺度孪晶结构钢的制备方法简单，强化效果显著，可用于改善多种钢材如奥氏体不锈钢、TRIP钢或TWIP钢的力学性能，上述仅以奥氏体不锈钢中的AISI 304不锈钢、AISI 301不锈钢、TRIP钢中的TRIP钢-600板、TWIP钢中的TWIP-800钢板进行举例说明，并不限制奥氏体不锈钢、TRIP钢或TWIP钢中的其他种类钢在制备具有多尺度孪晶结构钢中的应用。

上述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种具有多尺度孪晶结构钢，其特征在于所述的具有多尺度孪晶结构钢具有复杂的微观结构，该复杂的微观结构即为多尺度孪晶和复杂的相结构，从表面到中心的硬度呈梯度减小；

所述的具有多尺度孪晶结构钢是指在纳米和亚微米尺度上的孪晶密度变化范围为10-90％，且随深度的变化孪晶密度是变化的，在表层为30-85％，而在中心为10-50％；

所述的多尺寸孪晶是指孪晶尺度从表面到中心是不断增加的，相应的分布从1nm-1μm；

复杂的相结构是指a￠马氏体、g奥氏体和e马氏体中的一种或两种以上共同存在的结构。

2.如权利要求1所述的一种具有多尺度孪晶结构钢，其特征在于所述的a￠马氏体的体积分数占5-26％，g奥氏体的体积分数占66-94%，e马氏体的体积分数占1-8%。

3.如权利要求2所述的一种具有多尺度孪晶结构钢，其特征在于所述具有多尺度孪晶结构钢是指在纳米和亚微米尺度上的孪晶密度变化范围是20-80％。

4.如权利要求1、2或3所述的一种具有多尺度孪晶结构钢的制备方法，其特征在于以奥氏体不锈钢、TRIP钢或TWIP钢为材料，采用高应变速率法或高应变速率和温变形处理相结合的方法进行制备。

5.如权利要求4所述的一种具有多尺度孪晶结构钢的制备方法，其特征在于所述的高应变速率法即控制高应变速率范围为200-2′10⁸m/s，冲击速度3-30m/s，处理时间为1-530min。

6.如权利要求5所述的一种具有多尺度孪晶结构钢的制备方法，其特征在于所述的高应变速率法包括采用表面机械研磨处理、激光处理、高压喷涂或喷丸。

7.如权利要求4所述的一种具有多尺度孪晶结构钢的制备方法，其特征在于所述的高应变速率和温变形处理相结合的方法即控制高应变速率范围为200-2×10⁸m/s，冲击速度3-30m/s，温度为-80℃-200℃，处理时间为1-530min。