CN111485083B - 一种超高强度纳米异构低碳钢的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超高强度纳米异构低碳钢的制备方法，包含热处理细化和变形细化两步工序。其特征在于：首先通过对初始的铁素体‑珠光体低碳钢进行全马氏体化得到超细的板条状马氏体组织，再对全马氏体组织进行临界区热处理。通过热处理细化得到具有超细片层的纤维状双相钢。最后对这种纤维状双相钢进行较大变形量的温轧，可以同时细化铁素体和马氏体，达到变形细化的目的。最终得到片层厚度为20nm左右的超高强度纳米异构低碳钢，其抗拉强度可以达到2GPa以上。

Description

一种超高强度纳米异构低碳钢的制备方法
技术领域
本发明涉及的铁素体/马氏体双相异构材料制备，具体是一种超高强度纳米异构低碳钢的制备方法。
背景技术
钢铁材料作为最常见的结构材料，广泛应用于建筑、交通运输、石油化工等各领域。尤其在汽车制造业，钢铁材料常常用来制造车身及一些重要零部件。出于节能减排及汽车安全性考虑，汽车供应商对汽车用钢铁材料的强度和韧性都提出更高的要求。这一要求旨在提升钢铁材料的强度等级来满足设计需求。增加碳含量是各种强化钢铁材料方式中最有效和经济节约的强化方式，但是碳含量的增加也相应地会带来很多弊端，例如材料的可焊接性能和成型性能会降低。而目前工业上常用的低碳合金钢的强度普遍较低，例如常用的Q235钢的抗拉强度通常在500MPa以下，难以直接满足汽车供应商提出的高强度等级要求。因此，如何通过有效的方式来获得高强低碳钢对于推广钢铁材料的应用具有重要意义。
目前，提高低碳钢强度最有效的方式是相变强化，即通过热处理方式将低碳钢中的铁素体和珠光体相完全转变成很高强度的马氏体相，或者部分转变成马氏体相制备出铁素体-马氏体双相钢。T.Müller等人(Ultrahigh-strength low carbon steel obtainedfrom the martensitic state via high pressure torsion,Acta Materialia,2019.166:p.168-177)对0.1％C的低碳钢进行热处理获得马氏体组织，再对马氏体组织进行室温高压扭转(HPT)制备出强度为2.4GPa的超高强度低碳钢。此方法的优点是通过剧烈塑性变形的方式将马氏体组织充分细化，但是这种方法的局限在于：(1)HPT技术对设备要求较高，制备成本较大；(2)HPT样品尺寸受设备限制，难以实现工业化生产。Calcagnotto等人(Deformation and fracture mechanisms in fine-and ultrafine-grained ferrite/martensite dual-phase steels and the effect of aging,Acta Materialia,2011.59:p.658–670)对低碳钢进行550℃-700℃热轧结合后续热处理制得平均晶粒尺寸为1.2μm的超细结构双相钢，材料屈服强度由445MPa提高至525Mpa，抗拉强度由870MPa提高至1037MPa。该方法加工的样品尺寸更加灵活，能进行工业化生产。但是双相钢的晶粒尺寸为微米级，导致低碳钢的强度仍较低。
发明内容
本发明目的在于针对上述不足，提供一种结合热处理超细化及变形纳米化，制备超高强度纳米异构低碳钢的方法。
实现本发明目的的技术方案为：
提供一种超高强度纳米异构低碳钢，其碳含量按重量百分比C≤0.2％。该超高强度纳米异构低碳钢平均晶粒尺寸在10-40nm。
一种超高强度纳米异构低碳钢的制备方法，包括以下步骤：
第一步，热处理超细化：a)将低碳钢在920℃-950℃保温1-2小时，使组织均匀，获得粗大的奥氏体组织。b)对上述保温的铸锭进行淬火得到超细片层的全马氏体组织。c)对全马氏体化的样品进行两相区保温淬火得到超细片层的纤维状双相结构，两相区温度为700℃-900℃，保温时间在5-60分钟，然后进行淬火。
第二步，变形纳米化：对获得的纤维状双相结构在25℃-450℃进行轧制，每道次轧制前将样品放入马弗炉中加热10-30分钟,累积轧制量为70％-95％。
本发明与现有技术相比具有显著优点如下：
1.本发明可以有效地将低碳钢的晶粒尺寸细化至10-40nm，其抗拉强度可以达到2Gpa以上。
2.本发明的工艺流程简单，生产设备简单，生产成本低。
3.本发明的工艺适合工业化生产。
附图说明
图1工艺流程示意图。
图2热处理超细化后得到的纤维状双相钢及其双相片层尺寸分布图，图2a是纤维状双相钢低倍SEM图，图2b是纤维状双相钢高倍SEM图，图2c是纤维状双相钢中铁素体片层厚度分布图，图2d是纤维状双相钢中马氏体片层厚度分布图。
图3变形纳米化后得到的超高强度纳米异构低碳钢TEM图，图3a是超高强度纳米异构低碳钢TEM照片，图3b是超高强度纳米异构低碳钢片层厚度分布图。
图4超高强度纳米异构低碳钢力学性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明
本发明的制备方法主要利用：(1)通过热处理超细化方式得到初始超细纤维状铁素体-马氏体双相异构组织，有利于后续变形过程中的晶粒细化；(2)通过对铁素体-马氏体双相异构组织进行变形纳米化，变形过程有利于产生大量的几何必要位错，促进位错的累积，从而提高晶粒细化效率以提高低碳钢的强度。
实施例1
选用化学成分为C 0.20％、Si 1.46％、Mn 1.01％、P 0.003％、S 0.001％，余量为Fe的低碳钢铸锭。
(1)热处理超细化：
a)获得超细片层结构马氏体：在上述化学成分为C 0.20％、Si 1.46％、Mn1.01％、P 0.003％、S 0.001％，余量为Fe的低碳钢铸锭上切取尺寸为80mm×40mm×8mm的小块，将其放入920℃的真空炉中保温1小时后进行水淬，得到超细片层结构的全马氏体组织。
b)获得纤维状双相组织：对全马氏体化的样品在电阻炉中加热至820℃保温10分钟后水淬，得到超细层状结构的纤维状铁素体-马氏体双相组织。
(2)变形纳米化：对纤维状双相组织在300℃进行轧制，每道次下压量为0.2mm，每道次轧制前将样品放入电阻炉中加热10分钟,累积下压量为90％，得到超高强度纳米异构低碳钢。
实施例2
选用化学成分为C 0.12％、Si 0.25％、Mn 0.46％、P 0.005％、S 0.002％余量为Fe的12mm厚商用Q195钢板。
(1)热处理超细化：
a)将上述化学成分为C 0.12％、Si 0.25％、Mn 0.46％、P 0.005％、S 0.002％余量为Fe的的商用Q195钢板，放入900℃的真空炉中保温1小时后进行水淬，得到具有超细片层结构的全马氏体组织。
b)对全马氏体化的样品在电阻炉中加热至780℃保温10分钟后淬火，淬火介质为10％NaCl溶液，得到超细层状结构的纤维状铁素体-马氏体双相组织。
(2)变形纳米化：对纤维状双相组织在250℃进行轧制，每道次下压量为0.2mm，每道次轧制前将样品放入电阻炉中加热10分钟,累积下压量为95％，得到超高强度纳米异构低碳钢。
实施例3
选用化学成分为C 0.16％、Si 0.22％、Mn 0.45％、P 0.004％、S 0.001％余量为Fe的的商用Q235B钢板。
(1)热处理超细化：
a)将上述化学成分为C 0.16％、Si 0.22％、Mn 0.63％、P 0.004％、S 0.001％余量为Fe的12mm厚商用Q235B钢板。，放入900℃的真空炉中保温1小时后进行淬火，淬火介质为10％NaCl溶液，得到具有超细片层结构的全马氏体组织。
b)对全马氏体化的样品在电阻炉中加热至780℃保温10分钟后水淬，得到超细层状结构的纤维状铁素体-马氏体双相组织。
(2)变形纳米化：对纤维状双相组织在300℃进行轧制，每道次下压量为0.2mm，每道次轧制前将样品放入电阻炉中加热10分钟,累积下压量为95％，得到超高强度纳米异构低碳钢。

Claims (5)

1.一种超高强度纳米异构低碳钢的制备方法，其特征在于，包含热处理超细化和变形纳米化两个工序，第一步，热处理细化：将低碳钢在920℃-950℃保温1-2小时，使组织均匀，获得粗大的奥氏体组织，对保温后的低碳钢进行淬火得到超细片层的全马氏体组织，然后对全马氏体化的样品进行700℃-900℃的两相区保温淬火得到超细片层纤维状铁素体-马氏体双相钢；第二步，变形纳米化：对纤维状铁素体-马氏体双相钢进行25℃-450℃轧制，每道次轧制前将样品放入马弗炉中加热10-30分钟，累积轧制量为70%-95%，获得超高强度纳米异构低碳钢，其晶粒尺寸细化至10-40 nm，抗拉强度可以达到2 Gpa以上。
2.根据权利要求 1所述的超高强度纳米异构低碳钢的制备方法，其特征在于，热处理超细化过程中对进行淬火得到全马氏体组织，淬火介质为水、盐溶液或者淬火油。
3.根据权利要求 1所述的超高强度纳米异构低碳钢的制备方法，其特征在于，热处理超细化过程中对全马氏体化的样品进行两相区保温，保温时间为5-60分钟，保温之后进行淬火。
4.根据权利要求1所述的超高强度纳米异构低碳钢的制备方法，其特征在于，纤维状铁素体-马氏体双相钢，纤维状双相钢中马氏体体积分数在10%-90%。
5.根据权利要求1所述的超高强度纳米异构低碳钢的制备方法，其特征在于，超高强度纳米异构低碳钢，选用的低碳钢的碳含量质量百分比≤0.25%。
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