CN103866179B - 一种柱状晶/等轴晶复合晶体结构的高强塑积合金钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柱状晶/等轴晶复合晶体结构的高强塑积合金钢及其制备方法。该合金钢由以下质量百分比的化学成分组成：Mn？25-35、Al？2.5-3.5、Si？2.7-3.4、C？0.05-0.50，余量为Fe；该复合组织的形成原理如下：在定向凝固形成的柱状晶组织的基础上，通过塑性变形和再结晶退火，生长出一定数量的等轴晶。其中柱状晶有利于提高其轴向的塑性，而等轴晶则有利于提高材料的整体强度，从而使材料强度和塑性同时得到改善，具体数值可通过改变两种晶体组织的相对数量进行调控。与普通等轴晶高强塑积合金钢相比，本发明所获材料可同时具有较高的强度和塑性以及更高的强塑积。

Description

一种柱状晶/等轴晶复合晶体结构的高强塑积合金钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强塑积合金钢的组织与性能调控方法。通过定向凝固获得单一柱状晶组织，再通过变形热处理生长出一部分等轴晶，通过改变柱状晶/等轴晶的相对数量改变材料的强度与伸长率，实现对材料力学性能的调控。

背景技术

高强塑积合金钢或孪生诱发塑性钢是一种单相奥氏体钢，因具有适中的层错能而在塑性变形过程中可持续形成孪晶并逐渐长大，产生连续的应变硬化效应，使变形局域化显著推迟，从而显示出极高的塑性、适中的强度及优异的吸能本领，是一种综合力学性能非常突出的新型合金材料，在车辆、桥梁、建筑、管道、低温储罐等结构中具有广泛的应用前景。孪生诱发塑性钢的基本加工过程为：真空电炉惰性气氛保护下熔炼形成合金，经锻造、轧制成形，再经热处理获得随机取向的等轴奥氏体晶体。孪生诱发塑性钢的典型力学性能为：抗拉强度500-800MPa，断后伸长率75-85%。

为了满足不同服役条件及环境的要求，须对孪生诱发塑性钢的强度及塑性进行调整。所采取的方法主要有合金化、热塑性变形结合热处理等，前者主要通过改变C、Mn、Al和Si等主要元素含量调整合金层错能，或加入强化元素形成弥散析出相，改变材料孪生过程、位错动性及应变硬化行为；后者通过控制塑性加工及再结晶过程，调整材料的晶粒形貌和尺寸，调控晶界、位错与孪晶间的交互作用行为，从而改变材料的强度和塑性。由于受塑性变形和强化机制的限制，这些方法对材料强度和塑性的调控范围是非常有限的，而且目前尚不能做到强度和塑性兼顾。例如，通过控制再结晶过程，可使孪生诱发塑性钢的晶粒尺寸由72.6μm减小至2.1μm，抗拉强度由500MPa提高至800MPa，但同时伸长率却由84%下降至40%左右，强塑积由42000下降至32000MPa·%。针对这一问题，我们采取了一种新的调控孪生诱发塑性钢组织和性能的方法，利用定向凝固技术，首先获得取向和直径一定的柱状晶，以消除横向晶界并减少整体晶界面积，从而提高材料在柱状晶轴向的塑性，然后通过适当的轴向拉伸变形结合再结晶退火，在柱状晶组织中生长出一定的等轴晶，以促进动态Hall-Petch效应，提高柱状晶轴向的强度。通过这种复合式晶体结构，可使孪生诱发塑性钢某一方向的强度及塑性较普通等轴晶组织有明显提高，抗拉强度和断后伸长率可分别达到595MPa和85%，强塑积达50500-56600MPa·%，远高于普通孪生诱发塑性钢。

为了获得取向一定的晶体材料，一般采取定向凝固或定向结晶的方法。通过在固-液界面前沿的熔体中建立较大的温度梯度，同时保证热流方向垂直于固-液界面，从而促进晶体沿着与热流相反的方向择优生长，形成取向一致的柱状晶或单晶组织。

发明内容

本发明目的在于提供一种柱状晶/等轴晶复合晶体结构的、强度与塑性同时提高的孪生诱发塑性钢及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种柱状晶/等轴晶复合晶体结构的高强塑积合金钢，其特征在于：所述合金钢由以下质量百分比的化学成分组成：Mn25-35、Al2.5-3.5、Si2.7-3.4、C0.05-0.50，余量为Fe；所述合金钢的晶体组织为柱状晶与等轴晶共存的、相对数量可调的复合晶体组织，其中柱状晶直径变化范围为20-200m，长度变化范围为10-400mm；等轴晶直径变化范围为5-50m，面积比变化范围为5-30%。

本发明柱状晶/等轴晶复合晶体高强塑积合金钢的制备方法，包括以下步骤：

（1）冶炼：将纯金属Mn、Al、Si、Fe及纯C按一定比例称重，加入到真空感应电炉中，在氩气保护下进行熔炼，熔炼结束后浇注成所需成分的钢锭；

（2）锻造：对钢锭表面进行车削加工，去除氧化皮，然后锻造成尺寸为40×40×（600-800）mm的方坯；

（3）定向凝固：将上述方坯放入定向凝固炉中，在氩气保护下熔化，熔化温度控制在1500-1600℃，熔清后让熔化坩埚以2-10mm/min的速度缓慢下降，通过一个温度梯度为30-50℃/cm的凝固区域，让结晶从坩埚底部开始，逐渐向上推移，生长成柱状晶体；

（4）塑性变形：将定向凝固铸坯切割成板状，然后沿柱状晶轴向进行拉拔变形，变形量10-30%；

（5）热处理：将变形后的板材置于电阻炉内加热，升温速率为6-10℃/min，升温至950-1100℃后开始保温，保温0.5-5小时后断电，待炉冷至室温后取出板材。

本发明的有益效果：

本发明提供的柱状晶/等轴晶复合晶体结构的高强塑积合金钢，利用柱状晶无横向晶界的特点，可明显改善其轴向塑性，而部分等轴晶体的出现，则可提高材料的强度，从而实现材料强度与塑性的调控，获得较高的。与传统晶体结构的高强塑积合金钢相比，本发明获得的材料可同时获得较高的强度和塑性以及更高的强塑积。本发明合金钢的力学性能为：抗拉强度530-600MPa，断后伸长率85-110%，强塑积50500-56600MPa·%。

附图说明

图1为高强塑积合金钢典型柱状晶组织。

图2为本发明所获柱状晶/等轴晶高强塑积合金钢的典型金相组织。

图3为普通等轴晶高强塑积合金钢的典型金相组织。

图4为本发明所获柱状晶/等轴晶高强塑积合金钢的拉伸曲线与性能。

图5为普通等轴晶高强塑积合金钢的典型拉伸曲线与性能。

具体实施方式

实施例：柱状晶/等轴晶复合晶体结构的高强塑积合金钢，其主要化学成分为（wt%）：Mn29.5、Al2.75、Si3.10、C0.05，其余为Fe。

制备方法如下：

（1）按目标成分进行配料，在真空感应电炉内、氩气保护下进行熔炼，熔炼结束后浇注成钢锭；

（2）钢锭表面车削加工量为2mm，锻坯尺寸为40×40×600mm；

（3）将加工后方坯在定向凝固炉内、氩气保护下熔化，熔化温度1500℃，定向凝固时坩埚下降速度为2mm/min，凝固区域温度梯度为30℃/cm；

（4）将定向凝固铸坯切割成尺寸为40×10×500mm的板材，然后沿柱状晶轴向进行拉拔变形，变形量10-20%；

（5）将变形后的板材在电阻炉内热处理，升温速率10℃/min，保温温度和时间分别为950℃和0.5小时；

（6）将热处理后的板材加工成哑铃形板状拉伸试棒，标距段尺寸为6×2×22mm；

（7）在材料试验机上进行拉伸试验，拉伸速率为3mm/min，测得材料的抗拉强度和断后伸长率。

经试验，测得抗拉强度为592MPa，断后伸长率为106%。

Claims (1)

1.一种柱状晶/等轴晶复合晶体结构的高强塑积合金钢，其特征在于：所述合金钢由以下质量百分比的化学成分组成：Mn25-35、Al2.5-3.5、Si2.7-3.4、C0.05-0.50，余量为Fe；所述合金钢的晶体组织为柱状晶与等轴晶共存的、相对数量可调的复合晶体组织，其中柱状晶直径变化范围为20-200m，长度变化范围为10-400mm；等轴晶直径变化范围为5-50m，面积比变化范围为5-30%；

所述的柱状晶/等轴晶复合晶体高强塑积合金钢的制备方法，包括以下步骤：

（1）冶炼：将纯金属Mn、Al、Si、Fe及纯C按一定比例称重，加入到真空感应电炉中，在氩气保护下进行熔炼，熔炼结束后浇注成所需成分的钢锭；

（2）锻造：对钢锭表面进行车削加工，去除氧化皮，然后锻造成尺寸为40×40×（600-800）mm的方坯；

（3）定向凝固：将上述方坯放入定向凝固炉中，在氩气保护下熔化，熔化温度控制在1500-1600℃，熔清后让熔化坩埚以2-10mm/min的速度缓慢下降凝固，通过一个温度梯度为30-50℃/cm的凝固区域，让结晶从坩埚底部开始，逐渐向上推移，生长成柱状晶体；

（4）塑性变形：将定向凝固铸坯切割成板状，然后沿柱状晶轴向进行拉拔变形，变形量10-30%；

（5）热处理：将变形后的板材置于电阻炉内加热，升温速率为6-10℃/min，升温至950-1100℃后开始保温，保温0.5-5小时后断电，待炉冷至室温后取出板材。