CN110468266A - 一种材料的处理方法 - Google Patents

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吕坚
吴苏州
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/04—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface
    • C21D7/08—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface by burnishing or the like

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Abstract

本发明提供了一种材料的处理方法。该处理方法包括通过表面机械研磨处理，改变材料表面的内应力，并在材料表面均匀引入或点对点引入压应力的步骤。该处理方法可以杜绝材料发生延迟断裂。

Description

一种材料的处理方法
技术领域
本发明涉及一种材料的处理方法，尤其涉及一种可以杜绝材料发生延迟断裂的处理方法，属于材料处理技术领域。
背景技术
过去数十年，高强钢广泛应用于汽车、航空、核能以及其他行业，然而高强钢在深冲等大变形条件下容易引发延迟断裂、应力腐蚀等环境断裂问题。如近年来开发的形变孪晶诱导高塑性钢(Twinning Induced Plasticity,TWIP钢)，是最新一代高强钢，其具有良好的力学性能，如抗拉强度超过1GPa，延伸率超过50％，是汽车和航空工业轻量化设计理想材料，但TWIP钢在空气中以及极端环境、如海水中容易产生延迟断裂现象。TWIP钢的延迟断裂问题限制了它的大规模应用。
针对TWIP钢的延迟断裂和应力腐蚀断裂问题，目前主要通过添加Al合金元素和退火热处理解决。
其中，热处理是一种消除材料内部应力常用的方式，比如在300℃-500℃的高温进行数小时退火处理，但是，热处理会引入新的问题，如氧化材料表面，形成氧化物层，污染材料表面；同时，也可能发生材料回复现象(回复现象是指金属材料在升温过程中材料的强度下降，塑性上升的现象)，材料的晶粒长大，降低材料的力学性能。此外，工业用的部件需要多步成型处理，如果每一步都进行热处理，将消耗大量的能源。
另一种方式是添加如Al的合金元素，但是，在极端服役条件下添加Al元素后TWIP钢放置在盐水中，在盐水中数天后仍会发生延迟断裂现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以杜绝材料发生延迟断裂的处理方法。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种材料的处理方法，该处理方法包括通过表面机械研磨处理，改变材料表面的内应力，并在材料表面均匀引入或点对点引入压应力的步骤。
在本发明的处理方法中，点对点引入压应力学是指，当材料某个特定部位需要引入压应力时，对材料该部位进行局部处理。
在本发明的处理方法中，优选地，表面机械研磨处理采用的小球为由金属材料、碳化物或陶瓷制成的小球；更优选地，采用的小球为不锈钢材料制成的小球；最优选地，采用的小球的材质为304不锈钢。
在本发明的处理方法中，优选地，采用的小球的直径为1mm-10mm；更优选地，采用的小球的直径为3mm。
在本发明的处理方法中，优选地，表面机械研磨处理过程中，小球的转速为小球的转速为20次/min-60次/min；更优选地，小球的转速为40次/min。
在本发明的处理方法中，优选地，表面机械研磨处理的处理时间为30min-120min；更优选地，表面机械研磨处理的处理时间为40min。
在本发明的处理方法中，进行表面机械研磨处理时，材料保持匀速转动。优选地，材料的转速为5次/min-30次/min；更优选地，材料的转速为15次/min
在本发明的处理方法中，进行表面机械研磨处理时采用的装置为带有夹具的表面机械研磨设备，夹具用于固定材料。
在本发明的处理方法中，采用的表面机械研磨设备为本领域常规的研磨设备。比如可以为SNC-I型表面机械研磨试验机。
在本发明的处理方法中，夹具与发动机连接，用于使材料匀速转动。
本发明的处理方法，可以用于处理金属材料，比如钢材料，更进一步地，比如TWIP钢材料。
本发明的处理方法除了可以杜绝延迟断裂现象外，还可以大幅提高材料表面的耐磨性以及强度，更重要的是本发明的处理方法可以精确控制结构件的某一部位，不需要全部位处理，大大提高效率和成本。例如冲压成型的结构件在某些部位造成拉应力较大，是造成延迟断裂的主要原因，通过本发明的点对点处理，在某些拉应力较大的地方进行处理，引入压应力，可以杜绝延迟断裂现象的发生。本领域技术人员一般都清楚，哪些部位拉应力较大是造成延迟断裂的主要原因，也可以通过数值模拟等手段判断哪些部位拉应力较大是造成延迟断裂的主要原因；比如，冲杯过程中杯口拉应力较大从而产生延迟断裂，如果不清楚或者判断不准确的话，可以通过数值模拟方式进行判断。
本发明的材料的处理方法处理后的材料具有高强、高韧性，除了具备良好的力学性能外，还具备在各种服役条件下保持优良的抗延迟断裂及抗应力腐蚀能力。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
表面机械研磨技术(surface mechanical attrition treatment,SMAT)，是一种金属材料表面纳米化的方法，是一种代表性的表面纳米化处理技术，其主要用于金属材料表面纳米化处理，以提高材料的综合力学性能，如提高强度，提高耐磨性等。
延迟断裂，又称为滞后断裂，是指材料在静止应力作用下经过一定时间后突然脆性破坏的现象。比如，金属材料冲压成杯子形状，冲压后的杯子的上边缘与冲压模具交界处容易产生拉伸应力，在放置一段时间后，杯子的上边缘会开始出现裂纹，并产生明显的延迟断裂问题。
内应力，是指当外部荷载去掉以后，仍残存在物体内部的应力。它是由于材料内部宏观或微观的组织发生了不均匀的体积变化而产生的。
压应力，是指抵抗物体有压缩趋势的应力。比如，一个圆柱体两端受压，那么沿着它轴线方向的应力为压应力。
实施例1
本实施例提供了一种材料的处理方法，包括：
用TWIP钢冲压成深冲比为1.818，杯子直接为55mm，杯子放置空气中，发现6天之后，杯口上部开始出现裂纹，并产生明显的延迟断裂问题；
当杯子冲出来之后，立即采用SMAT技术对杯子表面进行处理，采用直径为3mm的304不锈钢小球击打杯子表面，转速为40次/min，处理时间为40min，同时冲杯以一定的转速运动。
通过数值模拟和残余应力测试表明，TWIP钢杯在处理前杯子顶部外表面的应力状况为残余拉应力，大小为1142MPa，处理后残余拉应力被残余压应力做替代，大小为234MPa，杯子放置一年后，仍然没有出现断裂现象表明SMAT技术可以明显提升材料的抗延迟断裂问题。
为了比较容易引发延迟断裂的不含Al的TWIP钢(22Mn0.6C)SMAT处理和较好抗延迟断裂含Al成分的TWIP钢(18Mn1.5Al0.6C)，将两种材料放置在盐水中进行抗延迟断裂能力测试。发现空气中不易引发延迟断裂问题的含Al成分的不锈钢在盐水中(200g/L)依然引发延迟断裂。将不含Al成分的TWIP钢在冲杯后立即进行SMAT处理再放置盐水中，发现不含Al成分的TWIP钢抗延迟断裂时间超过200天，其抗延迟断裂能力因SMAT处理而大大改善。
实施例2
本实施例提供了一种材料的处理方法，包括：
用304不锈钢冲压成杯，对于直径为55mm的冲杯试验，极限深冲比为1.54，在冲杯之前对冲杯材料表面进行SMAT处理，冲杯极限比可以提高到1.818，然而放置在空气中，大约在5-7天后，杯口会和TWIP钢一样发生延迟断裂现象；
采用直径为3mm的304不锈钢小球击打杯子表面，转速为40次/min，处理时间为40min，同时冲杯以一定的转速运动。
通过数值模拟和残余应力测试表明，304钢杯在处理前杯子顶部外表面的应力状况为残余拉应力，大小为898MPa，处理后残余拉应力被残余压应力替代，压力为563MPa，杯子放置一年后，仍然没有出现断裂。
以上实施例说明，本发明的处理方法除了可以在钢的整体结构中引入高密度纳米级亚微米尺度晶粒外，还可以均匀引入或点对点引入压应力改变材料的内应力状态，将极易引发断裂的拉伸应力改变为压应力。以此工艺制备的高强高韧钢除了具备良好的力学性能外，还具备在各种服役条件下保持优良的抗延迟断裂及抗应力腐蚀能力。

Claims (10)

1.一种材料的处理方法，其特征在于，该处理方法包括通过表面机械研磨处理，改变材料表面的内应力，并在材料表面均匀引入或点对点引入压应力的步骤。
2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述表面机械研磨处理采用的小球为由金属材料、碳化物或陶瓷制成的小球。
3.根据权利要求2所述的处理方法，其特征在于，所述小球为不锈钢材料制成的小球；优选地，所述小球的材质为304不锈钢。
4.根据权利要求2或3所述的处理方法，其特征在于，所述小球的直径为1mm-10mm。
5.根据权利要求4所述的处理方法，其特征在于，所述小球的直径为3mm。
6.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述表面机械研磨处理过程中，小球的转速为20次/min-60次/min。
7.根据权利要求6所述的处理方法，其特征在于，所述表面机械研磨处理过程中，小球的转速为40次/min。
8.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述表面机械研磨处理的处理时间为30min-120min。
9.根据权利要求8所述的处理方法，其特征在于，所述表面机械研磨处理的处理时间为40min。
10.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，进行所述表面机械研磨处理时，材料的转速为5次/min-30次/min；优选地，材料的转速为15次/min。
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Title
LI DA-ZHAO等: "Microstructural Evolution of Surface Layer of TWIP Steel Deformed by Mechanical Attrition Treatment", 《JOURNAL OF IRON AND STEEL RESEARCH, INTERNATIONAL》 *

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