CN104593675A - 一种同时具有twip与trip效应金属材料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钢铁冶金和金属材料领域，本发明提供一种同时具有TWIP与TRIP效应的高强高塑性低成本中锰钢的生产方法。其特征为一系列炼钢及轧制特殊工艺，尤其采用温轧过程使得轧制过程中材料的层错能提高到24-40mJ/m²范围，材料变形过程由马氏体相变向形变孪晶转变，产生TWIP效应，温轧结束产生一定密度的形变孪晶。该钢种抗拉强度超过950MPa，屈服强度超过850MPa，延伸率超过40%，微观组织中发现一定密度的形变孪晶，拉伸变形后微观组织中发现马氏体，这种钢变形过程中同时具备TRIP和TWIP效应。

Description

一种同时具有TWIP与TRIP效应金属材料制备方法

技术领域

本发明属于新材料和钢铁冶金技术领域，提供了一种同时具备TWIP与TRIP效应的含锰合金材料的制备方法。

背景技术

近年来开发的全奥氏体结构高锰钢形变孪晶诱导高塑性钢（Twinning Induced Plasticity, TWIP钢），在形变过程中产生形变孪晶具有TWIP效应，因而具备良好的机械性能，如同时具有高强度高塑性，用于汽车减重材料进而减少气体排放。其缺点是高锰含量会导致热轧过程中产生大量裂纹恶化产品表面质量，由于锰是贵金属，同时会增加生产成本。具有铁素体、贝氏体以及残余奥氏体混合结构的中锰TRIP（Transformation of Retained Austenite Induced Plasticity）钢在变形过程中，发生残余奥氏体向马氏体相变具有TRIP效应，增加该钢种的强度和塑性。该钢种具有较好的加工硬化能力，具有较好的应变分布和良好的深冲性能，高的加工硬化能力和较高的机械强度使得该钢种具有好的能量吸收能力，改善碰撞性能，其缺点是屈服强度和抗拉强度不够高，延伸率及综合加工硬化率也不及TWIP钢。本发明提供一种同时具有TWIP与TRIP效应的高强高塑性低成本中锰钢的生产方法。

发明内容

本发明提供一种同时具有TWIP与TRIP效应的高强高塑性低成本中锰钢合金的制备方法。本发明材料的组成成分以质量分数表示为：碳（C）：0.2-1.0%，锰（Mn）：5-15%，铝（Al）：0.02-1.0%，磷（P）<0.025%，硫（S）<0.025%，氮（<0.03%），硅（Si）：0.03-2%，含以下至少一种合金元素：钛（Ti）：0.01-1.2%，铌（Nb）：0.01-1.2，钒（V）：0.01-1.2%，其余为铁元素。

当碳含量少于0.2%时，容易产生马氏体，连铸及轧制过程中容易产生裂纹且钢种的塑性有所下降，当碳含量高于1.0%时，层错能迅速增加，材料的变形机制由马氏体相变和形变孪晶变成位错滑移。锰含量在5-15%范围，锰含量超过15%时，会导致热轧过程中裂纹大量产生，由于锰是贵金属，因而同时增加生产成本。铝元素的含量应该控制在0.02-1.0%，由于铝元素是铁素体稳定元素，增加铝含量提高材料的塑性，同时增加材料的层错能，当碳含量高于1.0%时，层错能迅速增加，材料变形过程中不会产生马氏体相变，即不具备TRIP效应。硅元素为强脱氧元素，同时起到固溶强化的作用，当其质量分数超过2%时，将降低材料的属性，并在热轧过程中在材料表层产生大量的氧化物层，在后序酸洗过程无法去除。

钛（Ti）、铌（Nb）、钒（V）三种元素是析出物形成元素，与碳元素、氮元素形成碳氮析出物，细化晶粒，提高材料的区服强度，本发明中至少使用其中一种元素形成析出物，钛（Ti）质量分数控制在0.01-1.2%，当其质量分数小于0.01%时，钒（V）控制在3%以下，总的质量分数控制2%以下，析出物量过少，析出物强化效果不明显，当质量分数超过1.2%形成大量的析出物恶化材料的塑性。同时析出物的尺寸控制在15纳米-200纳米左右，析出物的强化效果最为明显。

磷元素和硫元素都是有害元素，应该控制在0.025%以下。氮元素与铝元素形成金属间化合物Al_xN_y可以细化晶粒，提高材料的强度和塑性，当氮元素含量超过0.04%时会产生大量的金属间化合物Al_xN_y恶化材料的成形性和延伸率等材料物理性能。硅元素为固溶强化元素，可以提高材料的屈服强度和抗拉强度，当硅元素含量过量时，热轧过程中会在板材表面形成大量的氧化物层，在后续的酸洗过程中无法去除。

根据金属材料层错能计算公式，本发明材料常温下的层错能应该在5-20mJ/m²，保证材料在常温下变形过程中，发生马氏体相变，残余奥氏体向马氏体转变，产生TRIP效应，200℃-400℃高温下的层错能在25-40mJ/m²，保证在该温度范围温轧条件下，材料变形过程由马氏体相变向形变孪晶转变，产生TWIP效应，温轧结束产生一定密度的形变孪晶。

，该材料的生产工序为：冶炼合金化+连铸+加热炉均质化处理+热轧+临界区退火处理+卷曲+温轧+冷轧+连续退火处理，生产流程见附图1，根据本发明，首先通过转炉或者电炉冶炼合金化，经过连铸拉坯过程后，连铸坯在加热炉中加热到1050℃至1250℃，温度超过1250℃，晶粒长大，铸坯表面形成氧化物将降低该钢种的强度，同时含锰钢加热超过125℃，铸坯柱状晶晶界产生液相，热轧过程中会产生裂纹。同时加热温度不能低于1050℃，不能实施后工序的热轧终轧温度，并增加轧制的负担，使得轧制到预先厚度的难度增加。卷曲温度不能超过700℃，超过700℃，热轧板表层形成厚的氧化物，在酸洗工序很难被去除。

本发明的关键点在于温轧过程，由于温轧过程使得在轧制过程中材料的层错能提高到24-40 mJ/m²的范围，此时材料的变形过程由马氏体相变转向形变孪晶产生。由于温轧温度在200℃-400℃，温度太高或者太低都会使得层错能不在25-40mJ/m²的范围，使得轧制变形过程中不会产生形变孪晶。

酸洗，去除因热轧造成的表明氧化物层，然后进行进行变形量10%-50%的冷轧过程，提高钢的屈服强度。冷轧后连续退火处理在600℃上进行，当临界区连续退火温度过低，很难获得较好加工能力。由于在高温下不会发生马氏体相变，在连续退火处理可以借鉴传统高于再结晶温度上退火处理，获得较高热加工能力。

附图说明

图1为本发明的流程制备图。

具体实施内容

化学成分为碳（C）：0.25%，锰（Mn）：5%，铝（Al）：0.02%，磷（P）<0.025%，硫（S）<0.025%，氮（<0.03%），硅（Si）：0.04%的合金首先通过转炉冶炼，经过连铸拉坯过程后，连铸坯放在1200℃的加热炉中加热1小时，然后进行热轧，热轧终轧温度为900℃，在850℃的连续退火炉中进行连续退火处理，卷曲温度为650℃，温轧温度在300℃进行20%-40%轧制量，然后进行酸洗过程，最后进行变形量为10%的冷轧，在850℃的连续退火炉中进行连续退火处理，在冷轧坯上取样进行传统的一维拉伸实验及围观组织的表征，冷轧拉伸样品的拉伸。

本方案运行效果抗拉强度超过950MPa，屈服强度超过850 MPa，延伸率超过40%，微观组织中发现一定密度的形变孪晶，拉伸变形后微观组织中发现马氏体，表明试样拉伸变形过程发生了马氏体相变，该性能的钢符合汽车用高碰撞能量吸收的要求。

与纯粹的TWIP钢相比，大幅减少锰含量、铝含量及硅含量，减少原料成本和生产成本，表面质量也获得提高，屈服强度、抗拉强度、延伸率较前者有所降低。与纯粹的TRIP钢相比，因为形变过程中产生形变孪晶，提高钢的加工硬化率和塑性，较TRIP钢其强度和塑性均大幅提高。

Claims (7)

1.一种具有高碰撞能量吸收能力，高强度、高塑性且同时具有TWIP效应和TRIP效应含锰钢合金的制备方法，其质量分数组成为：碳（C）：0.2-1.0%，锰（Mn）：5-15%，铝（Al）：0.02-1.0%，磷（P）<0.025%，硫（S）<0.025%，氮（<0.03%），硅（Si）：0.03-2%，含以下至少一种合金元素：钛（Ti）：0.01-1.2%，铌（Nb）：0.01-1.2，钒（V）：0.01-1.2%，其余为铁元素。

2.权利要求1中，其制备工艺为，连铸坯首先在加热炉进行高温均质化处理，然后进行热轧，其次进行临界区退火处理，然后进行卷曲，再然后进行温轧，再然后进行冷轧，最后进行临界区连续退火处理。

3.权利要求1中含锰钢在200℃-400℃温度下进行变形量10%-50%轧制过程中，会产生一定密度的形变孪晶。

4.权利要求1中常温下组织为残余奥氏体、贝氏体、铁素体基体等相。

5.权利要求1中常温下变形过程会产生马氏体相变，残余奥氏体向马氏体转变。

6.权利要求1中含锰高强钢的屈服强度超过700MPa，拉伸强度超过950MPa，延伸率为20%-50%。

7.权利要求6中，制备工序包括以下几点：

（A）  连铸坯在加热炉中加热到1050℃至1300℃，接着进行热轧工艺，热轧终轧温度在 800℃至1000℃，卷曲温度不能超过700℃；

（B）  850℃-950℃的连续退火炉中进行临界区退火处理；

（C）  200℃-400℃温度下进行变形量为10%-50%的轧制；

（D）  变形量10%-50%的冷轧；

（E）  600℃温度以上的连续退火处理。