CN108624741A - 兼具高热稳定性、高强度、高塑性的多相twip钢的制备方法 - Google Patents
兼具高热稳定性、高强度、高塑性的多相twip钢的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及先进高强钢的制备技术,具体为一种兼具高热稳定性、高强度、高塑性的多相TWIP钢的制备方法。本发明通过对常规熔炼的单相奥氏体TWIP钢,经高温均匀化热处理、冷轧和低温热处理,得到具有多相组织的TWIP钢。此多相TWIP钢不但克服奥氏体单相TWIP钢屈服强度低的缺点,具备预变形及纳米晶TWIP钢的优异强度和塑性,而且还克服预变形及纳米晶TWIP钢热稳定性差的缺点,可用于汽车用钢领域。
Description
技术领域:
本发明涉及先进高强钢的制备技术,具体为一种兼具高热稳定性、高强度、高塑性的多相TWIP钢的制备方法。
背景技术:
TWIP作为一种新型高强结构钢种,由于具有高抗拉强度、高延展性,高应变硬化能力等优异性能,很有希望成为未来汽车用高强钢板的主体。目前Fe-Mn-C-Al-Si,Fe-Mn-C,Fe-Mn-C-Al系列TWIP钢,经常规铸造、热轧制,冷轧制,再结晶退火得到等轴晶的单相奥氏体晶粒。当晶粒大小为3μm时,其屈服强度只有400MPa左右,而工业生产过程中,难以进一步通过细化晶粒提高材料屈服强度。此外通过预变形及部分再结晶结合的手段也能提高材料的屈服强度。
例如,名义成分为Fe-22Mn-0.6C的TWIP钢,对其进行以下处理得到2种不同状态TWIP钢;
1)均匀化处理后,冷轧预变形,变形量为50%,后面简称预变形TWIP钢。
2)在1)的基础上,对材料进行600℃/5分钟再结晶退火,得到部分再结晶状态TWIP钢,后面简称部分再结晶TWIP钢。
预变形及部分再结晶状态TWIP钢主要拉伸力学性能如下表:
预变形处理也能提高TWIP钢的屈服强度,但往往牺牲材料的塑性,冷轧50%的预变形TWIP钢的延伸率仅2%。而部分再结晶可以提高TWIP钢屈服强度,同时具有高的极限拉伸强度,延伸率。但是部分再结晶状态TWIP钢的热稳定性较差。对上述部分再结晶TWIP钢,进行600℃/5分钟退火后,其主要拉伸力学性能为:σy=310MPa、σu=800MPa、δ=85%。600℃/5分钟退火后,部分再结晶TWIP钢的屈服强度下降了约300Mpa,同时极限拉伸强度也下有下降。
发明内容:
本发明的目的在于提供一种性能优异的兼具高热稳定性、高强度、高塑性的多相TWIP钢的制备方法,此多相TWIP钢不但克服奥氏体单相TWIP钢屈服强度低的缺点,具备预变形及纳米晶TWIP钢的优异强度和塑性,而且还克服预变形及纳米晶TWIP钢热稳定性差的缺点,可用于汽车用钢领域。
本发明的技术方案是:
一种兼具高热稳定性、高强度、高塑性的多相TWIP钢的制备方法,包括以下步骤:
(1)按常规方法冶炼得到单相奥氏体TWIP钢;
(2)进行均匀化热处理,在1000℃~1200℃保温1~3小时,出炉水淬至室温;
(3)进行冷加工处理,冷加工变形量为30%~70%;
(4)在450℃±50℃保温100~400小时,炉冷至室温;
(5)在600℃±50℃退火2~10分钟,空冷至室温。
所述的兼具高热稳定性、高强度、高塑性的多相TWIP钢的制备方法,常规方法冶炼得到的单相奥氏体TWIP钢,经均匀化热处理后,对材料进行冷加工处理,变形量控制在既能产生大量纳米孪晶以强化材料,同时产生严重变形剪切带,为后续低温时效处理,碳元素的偏聚提供位点。
所述的兼具高热稳定性、高强度、高塑性的多相TWIP钢的制备方法,步骤(4)为低温时效处理,对材料内部的成分及组织进行重新构筑;碳元素在时效的过程,发生偏聚,材料由单一的奥氏体变形孪晶组织,转变为片状珠光体、片状ε马氏体及孪晶奥氏体多相共存的微观组织;由于碳元素的重新配分,使奥氏体中碳元素含量下降,从而提高孪晶的稳定性。
所述的兼具高热稳定性、高强度、高塑性的多相TWIP钢的制备方法,步骤(5)为在再结晶温度以上进行短时间再结晶热处理,大量减小位错密度,消除部分孪晶,形成等轴细晶奥氏体晶粒,同时使硬脆片状珠光体组织发生球化,以提高材料的塑性。
本发明的设计思想是:
本发明通过控制冷加工变形量引入纳米孪晶强化TWIP钢及严重变形剪切带为时效过程中碳元素偏聚提供特定位点。在冷加工变形后低温时效处理,以实现成分与结构的重新构筑,使材料在组织结构上由单相奥氏体孪晶组织转变为由片状珠光体,片状ε马氏体及孪晶奥氏体多相组织共存的微观组织形貌。在成分上,原奥氏体孪晶中碳元素发生偏聚,使奥氏体孪晶中碳元素含量下降,层错能降低,孪晶稳定性提高。本发明对时效处理后TWIP钢进行短时间再结晶处理,引入一定体积分数奥氏体等轴晶软相,同时使片状硬脆珠光发生球化,形成奥氏体与渗碳体的混合纳米晶组织,以提高材料的塑性。
本发明工艺与常规TWIP钢制备技术及强化方式相比,具有以下优点及有益效果:
1、大幅提升TWIP钢的屈服强度。通过常规制备工艺(熔炼、热轧、冷轧、再结晶退火),即使晶粒小至3μm时,该成分单相奥氏体等轴晶组织的屈服强度才约400MPa,而工业生产难以再通过细化晶粒,进一步提高其屈服强度。而本发明制备的多相TWIP钢中存在的纳米孪晶及纳米晶混合组织能够大幅提高TWIP钢的屈服强度。
2、使TWIP钢在获得高屈服强度和高极限拉伸强度的同时获得良好塑性。通过低温时效处理,材料实现了成分及微观结构重新构筑,但塑性不好。通过进行短时间再结晶退火,使部分孪晶发生再结晶,引入等轴晶的奥氏体软相,同时使硬脆片层状珠光体发生球化,形成奥氏体与渗碳体混合纳米晶组织,改善材料的塑性。
3、使TWIP钢具有高热稳定性。由于碳元素在低温时效成分重新构筑过程中发生偏聚,奥氏体孪晶组织中的碳含量下降,奥氏体孪晶层错能降低,孪晶稳定性提高,从而提高了TWIP钢的热稳定性。
附图说明:
图1为本发明应用于名义成分为Fe-22Mn-0.6C多相TWIP钢工艺过程中各阶段XRD图谱,横纵标2θ(deg.)为衍射角(度),纵坐标Intensity(a.u.)为强度。其中的英文简写:R-50表示轧制50%、R-50-A表示表示轧制后在400℃时效保温336小时、R-50-A-A5、R-50-A-A10表示轧制后在400℃时效保温336小时后再在600℃分别退火5分钟和10分钟。
图2(a)-图2(d)为本发明应用于名义成分为Fe-22Mn-0.6C多相TWIP钢工艺过程中各阶段TEM形貌:(a)材料50%轧制后TEM形貌;(b)400℃保温336小时时效后TEM形貌;(c)多相TWIP钢TEM形貌;(d)多相TWIP钢在600℃退火5分钟TEM形貌。其中的英文简写:NT表示纳米孪晶、LP表示层状珠光体、SRX表示静态再结晶晶粒、NG表示球化后奥氏体与渗碳体混合纳米晶组织区域。
图3为本发明应用于名义成分为Fe-22Mn-0.6C多相TWIP钢工艺过程中各阶段拉伸工程应力应变(Engineering stress–Engineering stress)曲线。其中的英文简写同图2。
具体实施方式:
在具体实施过程中,本发明对常规熔炼的单相奥氏体TWIP钢,经高温均匀化热处理,冷轧和低温热处理,得到具有多相组织的TWIP钢。
下面,通过实施例对本发明进一步详细阐述。
实施例1
本实施例中,按重量百分比计,选用典型第二代TWIP钢Fe-Mn-C系列的典型成分配比,其名义成分为:Fe-22Mn-0.6C。其制备的主要步骤如下:
(1)常规中频感应炉熔炼;
(2)置于真空退火炉中加热到1150℃保温2小时,出炉水淬至室温;
(3)室温冷轧,轧制变形量为50%;XRD图谱(图1)表明,轧制50%后,材料只存在γ奥氏体(austenite)单相,从TEM形貌(图2(a))可以看出,材料经过轧制后,引入大量纳米孪晶(NT),这在后续的过程中对材料的强化起到重要作用。轧制变形后TWIP钢的主要力学性能(图3)如下:屈服强度σy=800MPa,极限拉伸强度σu=1170MPa,均匀延伸率δ=2%;屈服强度虽然提高了,但延伸率仅2%。
(4)冷轧板砂纸粗磨后,石英真空封管置于电阻炉内随炉加热到400℃保温336小时,随炉冷却至室温;XRD图谱(图1)显示,经过400℃、336小时时效后,材料由γ奥氏体(austenite)单相演变为ε马氏体(martensite)和α铁素体(ferrite)多相共存。进一步进行TEM表征,如图2(b)所示,发现碳元素在保温的过程,发生偏聚,材料由完全的奥氏体纳米孪晶组织(NT),转变为由α铁素体(ferrite)与渗碳体((Fe,Mn)3C)两相组成的片状珠光体(LP)、片状ε马氏体及孪晶奥氏体(NT)多相组织共存的微观组织形貌。渗碳体含量较低,宏观XRD未能检测出该相。由于珠光体中碳元素的偏聚,使得奥氏体孪晶中,碳含量下降,孪晶稳定性提高。时效后,虽释放部分冷变形应力,但片状硬脆珠光体的存在,使TWIP钢的延伸率仅3.7%,屈服强度σy=775MPa,极限拉伸强度σu=1226MPa,如图3所示。
(5)对步骤(4)获得的材料进行石英真空封管,置于加热到600℃的退火炉中保温5分钟,然后空冷至室温。此热处理可以大量减小位错密度,消除部分孪晶,使珠光体组织球化,以提高材料的塑性。此时,从图1的XRD结果显示,α铁素体(ferrite)消失,ε马氏体含量减少。从多相TWIP钢TEM形貌(图2(c))可以看出,材料发生静态再结晶,形成晶粒尺寸约2.5μm的奥氏体等轴晶晶粒(SRX),同时珠光体发生球化,形成奥氏体与渗碳体混合纳米晶组织(NG),奥氏体平均晶粒大小约400nm,渗碳体平均晶粒大小约90nm,孪晶片层间位错密度有显著下降。多相组织TWIP钢的主要力学性能(图3)如下:屈服强度σy=850MPa,相对于单相奥氏体TWIP钢,屈服强度提高约450MPa;极限拉伸强度σu=1226MPa,均匀延伸率δ=28.8%;
(6)对步骤(5)获得的材料进行石英真空封管,置于加热到600℃的退火炉中保温5分钟,然后空冷至室温。如图2(d)所示,从TEM形貌可以看出,材料具有较高的热稳定性,600℃退火5分钟,材料并未完全再结晶,依旧由奥氏体纳米孪晶(NT)、部分再结晶奥氏体等轴晶晶粒(SRX)及奥氏体与渗碳体混合纳米晶组织(NG)组成,只是再结晶晶粒的体积分数及晶粒大小有所增大。
本实施例中,在多相组织TWIP钢+600℃/5分钟退火后,其力学性能如图3所示:屈服强度σy=600MPa;极限拉伸强度σu=1130MPa;均匀延伸率δ=32.6%。材料的强度下降不多,拉伸塑性稍有增加,表明多相组织TWIP钢具有高热稳定性。
实施例结果表明,本发明大幅提高TWIP钢屈服强度,同时具有高的极限拉伸强度及良好的塑性。在提高材料屈服强度同时,相对于其他提高屈服强度手段,例如轧制预变形,预变形部分再结晶等,具有明显优异的热稳定性。
Claims (4)
1.一种兼具高热稳定性、高强度、高塑性的多相TWIP钢的制备方法,特征在于,包括以下步骤:
(1)按常规方法冶炼得到单相奥氏体TWIP钢;
(2)进行均匀化热处理,在1000℃~1200℃保温1~3小时,出炉水淬至室温;
(3)进行冷加工处理,冷加工变形量为30%~70%;
(4)在450℃±50℃保温100~400小时,炉冷至室温;
(5)在600℃±50℃退火2~10分钟,空冷至室温。
2.按照权利要求1所述的兼具高热稳定性、高强度、高塑性的多相TWIP钢的制备方法,其特征在于:常规方法冶炼得到的单相奥氏体TWIP钢,经均匀化热处理后,对材料进行冷加工处理,变形量控制在既能产生大量纳米孪晶以强化材料,同时产生严重变形剪切带,为后续低温时效处理,碳元素的偏聚提供位点。
3.按照权利要求1所述的兼具高热稳定性、高强度、高塑性的多相TWIP钢的制备方法,其特征在于:步骤(4)为低温时效处理,对材料内部的成分及组织进行重新构筑;碳元素在时效的过程,发生偏聚,材料由单一的奥氏体变形孪晶组织,转变为片状珠光体、片状ε马氏体及孪晶奥氏体多相共存的微观组织;由于碳元素的重新配分,使奥氏体中碳元素含量下降,从而提高孪晶的稳定性。
4.按照权利要求1所述的兼具高热稳定性、高强度、高塑性的多相TWIP钢的制备方法,其特征在于:步骤(5)为在再结晶温度以上进行短时间再结晶热处理,大量减小位错密度,消除部分孪晶,形成等轴细晶奥氏体晶粒,同时使硬脆片状珠光体组织发生球化,以提高材料的塑性。
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