CN111733364B - 一种低错配度高强钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低错配度高强钢，合金成分重量百分比为：C：0.1‑0.4 wt.%、Si：3.0‑6.0 wt.%、Mn：5.0‑10.0 wt.%、Ni：0.5‑2.0 wt.%，余量为Fe；本发明还涉及一种低错配度高强钢的制备方法，包括称取合金成分，冶炼、铸造、锻造、热轧和热处理工序，本发明的目的是提供一种低错配度高强钢及其制备方法，该材料具有优异的力学性能，生产成本低、工艺简单，有着巨大的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，涉及一种显微组织为纳米板条结构的马氏体和奥氏体，利用低错配相变的理论来设计和制备高强钢。
背景技术
高强钢是一种常用的材料，现有的高强钢主要有第三代汽车用钢QP钢、第三代汽车用钢中Mn钢、第三代高强钢中的低密度钢等，但是现有的这些高强钢的性能仍然有一定的缺陷，抗拉强度在1400MPa以下，相间晶格错配度较高，大于2.5 %，且马氏体板条宽度较宽，大于250 nm，膜状奥氏体宽度大于150 nm，难以进一步发挥其力学性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种低错配度高强钢及其制备方法，该材料具有优异的力学性能，生产成本低、工艺简单，有着巨大的应用前景。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种低错配度高强钢，特征在于，合金成分重量百分比为：C：0.1-0.4 wt.%、Si：3.0-6.0 wt.%、Mn：5.0-10.0 wt.%、Ni：0.5-2.0 wt.%，余量为Fe。
一种低错配度高强钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤；
1）、称取合金成分，按照合金成分重量百分比称取相应的C、Si、Mn、Ni和Fe；
2）、冶炼、铸造和锻造，将步骤1）中称取的合金成分进行真空冶炼、铸造，然后在1050-1150℃温度进行锻造，锻造比为1.5-3.0，得到厚度为60-100mm厚的锻坯；
3）、热轧，将60-100mm厚的锻坯在1200-1250℃保温2.0-2.5h，然后在1100-1150℃进行热轧，总压下率为95%，得到厚度为2.4-4.0mm的热轧板；
4）、热处理，将所得到的厚度为2.4-4.0mm的热轧板在950-1050℃保温10-30min，水淬至室温，然后在740-840℃保温0.5-1h，空冷至室温，即得到一种低错配度高强钢。
本发明的有益效果为：
1、合金系统中加入3.0-6.0wt.%的Si，此含量范围是依据前期XRD及热膨胀实验和第一性原理计算，可得到错配度小于1.5 %的纳米级别板条马氏体和膜状残余奥氏体相，极大提高钢的强塑性；加入过高含量Si后，钢的脆性加强，而Ni可以提高钢的韧脆转变温度，按照Si含量范围加入0.5-2.0 wt.%的Ni，可有效避免热轧时产生裂纹,如此即实现了高硅所起到的降低相间错配度的效果，同时又确保了钢的韧性。
2、通过热力学及动力学理论计算，合金系统中加入0.1-0.4 wt.%的C和5.0-10.0wt.%的Mn，可使此钢种产生体积含量为30-40 %的残余奥氏体，且通过前期实验得到此钢种的残余奥氏体在变形过程中产生渐变式TRIP效应，有效地提高钢的强塑性。
本发明以科学、合理的合金系统设计为基础，通过冶炼、锻造、热轧及热处理工艺，制备具有低错配度马氏体和奥氏体的高强钢；本发明的创新性体现如下：1）通过热力学、动力学及物理冶金原理进行硅含量的设计，并经过实验验证，证明所设计的Si含量范围可有效降低钢中BCC和FCC相的晶格错配度，从而细化马氏体板条和膜状残余奥氏体，具有创新性；2）通过第一性原理计算及实验分析设计Si与Ni的比例，以较低的成本提高钢的韧塑性，并进一步设计C和Mn的比例，得到一定含量及较高稳定性的奥氏体；3）在1）和2）的基础上，设计特定的热轧和热处理工艺，可获得含有低错配度的纳米马氏体和奥氏体相；本发明所制备的一种低错配度高强钢中，其中马氏体和奥氏体的晶格错配度小于1.5 %，马氏体板条和膜状奥氏体宽度小于100 nm，且热处理后钢板的力学性能为：抗拉强度1400-1750 MPa，断后伸长率10.0-20.0%。
附图说明
图1为本发明实施例1中的SEM图像。
图2为本发明实施例2中的SEM图像。
图3为本发明实施例3中的SEM图像。
图4为本发明实施例4中的SEM图像。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
实施例1：
一种低错配度高强钢及其制备方法，包括如下步骤；
1）、称取合金成分，按照合金成分重量百分比称取0.2wt.%的C、3.0wt.%的Si、5.0wt.%的Mn、0.5wt.%的Ni，余量为Fe；
2）、冶炼、铸造和锻造，将步骤1）中称取的合金成分进行真空冶炼、铸造，然后在1050℃温度进行锻造，锻造比为3.0，得到厚度为60mm厚的锻坯；
3）、热轧，将60mm厚的锻坯在1200℃保温2.5h，然后在1100℃进行热轧，热轧到2.4mm，总压下率为95 %；
4）热处理，将所得热轧板在1000℃保温15 min后水淬至室温，然后在760℃保温0.5h，空冷至室温得到本发明的低错配度高强钢；其组织见图1，力学性能如表1所示。
表1力学性能
| 屈服强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 断后伸长率/% |
| 750 | 1750 | 10.0 |
实施例2：
一种低错配度高强钢及其制备方法，包括如下步骤；
1）、称取合金成分，按照合金成分重量百分比称取0.1wt.%的C、4.5wt.%的Si、10.0wt.%的Mn、0.9wt.%的Ni，余量为Fe；
2）、冶炼、铸造和锻造，将步骤1）中称取的合金成分进行真空冶炼、铸造，然后在1150℃温度进行锻造，锻造比为1.5，得到厚度为70mm厚的锻坯；
3）、热轧，将70mm厚的锻坯在1250℃保温2h，然后在1150℃进行热轧，热轧到3mm，总压下率为95 %；
4）热处理，将所得热轧板在950℃保温30min后水淬室温，然后在740℃保温1h，空冷至室温得到本发明的低错配度高强钢；其组织见图2，力学性能如表2所示。
表2力学性能
| 屈服强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 断后伸长率/% |
| 640 | 1730 | 9.7 |
实施例3：
一种低错配度高强钢及其制备方法，包括如下步骤；
1）、称取合金成分，按照合金成分重量百分比称取0.4wt.%的C、5.0wt.%的Si、7.5wt.%的Mn、1.5wt.%的Ni，余量为Fe；
2）、冶炼、铸造和锻造，将步骤1）中称取的合金成分进行真空冶炼、铸造，然后在1130℃温度进行锻造，锻造比为2.2，得到厚度为100mm厚的锻坯；
3）、热轧，将100mm厚的锻坯在1220℃保温2.2h，然后在1120℃进行热轧，热轧到4mm，总压下率为95%；
4）热处理，将所得热轧板在1050℃保温15 min后水淬至室温，然后在840℃保温0.6h，空冷至室温得到本发明的低错配度高强钢；其组织见图3，力学性能如表3所示。
表3力学性能
| 屈服强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 断后伸长率/% |
| 880 | 1420 | 20.0 |
实施例4：
一种低错配度高强钢及其制备方法，包括如下步骤；
1）、称取合金成分，按照合金成分重量百分比称取0.4wt.%的C、6.0wt.%的Si、8.0wt.%的Mn、2.0wt.%的Ni，余量为Fe；
2）、冶炼、铸造和锻造，将步骤1）中称取的合金成分进行真空冶炼、铸造，然后在1150℃温度进行锻造，锻造比为2.5，得到厚度为60mm厚的锻坯；
3）、热轧，将60mm厚的锻坯在1200℃保温2.5h，然后在1100℃进行热轧，终轧温度为950℃，热轧到3mm，总压下率为95 %；
4）热处理，将所得热轧板在1000℃保温15 min后水淬至室温，然后在820℃保温0.5h，空冷至室温得到本发明的低错配度高强钢；其组织见图4，力学性能如表4所示。
表4力学性能
| 屈服强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 断后伸长率/% |
| 480 | 1650 | 15.0 |
综上所述，本发明中热轧板的抗拉强度范围为1400~1750MPa，断后伸长率为10.0~20.0%，具有良好的强塑性，主要归因于本发明具有低晶格错配度BCC和FCC相的合金系统设计。
下面列举几个常见的高强钢，来证明本发明的显著优势。
对比例1：
典型的第三代汽车用钢QP钢，成分范围：C 0.15-0.35 wt.%，Si0.5-1.5wt.%，Mn1.5-2.5 wt.%，其余为Fe；经过铸造、热轧、冷轧、QP热处理后，力学性能为：抗拉强度700-1100 MPa，断后伸长率15-30%；综合力学性能较好，但是其主要是利用残余奥氏体的TRIP效应来提高整体的强塑性，而忽略了发挥相间协调变形的最大能力，其相间晶格错配度较高，大于2.5 %，且马氏体板条宽度较宽，大于250 nm，膜状奥氏体宽度大于150 nm，难以进一步发挥其力学性能。
对比例2
典型的第三代汽车用钢中Mn钢，成分范围：C0.15-0.40wt.%，Si0.5-2.0 wt.%，Mn3.5-9.0 wt.%，其余为Fe‘经过铸造、热轧、冷轧、固溶处理后，力学性能为：抗拉强度900-1400 MPa，断后伸长率20-40%；综合力学性能非常优异，但抗拉强度无法达到超高强度级别；且锰钢和QP钢的合金系统并没有从根本上起到降低钢的密度的作用。
对比例3
典型的第三代高强钢中的低密度钢，成分范围：C 0.2-0.8wt.%，Si0.2-2.0 wt.%，Mn3.5-9.0 wt.%，Al 1.5-7.0 wt.%，其余为Fe。经过铸造、热轧、冷轧、固溶处理后，力学性能为：抗拉强度700-1200 MPa，断后伸长率25-50%；综合力学性能很好，但是强度偏低，无法达到超高强度水平，且加入Al后刚度降低，连铸易堵水口，不易实现工业化生产。
因此综上所述，本发明克服了上述对比案例的缺陷，具有显著优势。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以本发明是技术方案而非限制；尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种低错配度高强钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤；
1）、称取合金成分，并按照合金成分重量百分比为：C：0.1-0.4 wt.%、Si：3.0-6.0wt.%、Mn：5.0-10.0 wt.%、Ni：0.5-2.0 wt.%，余量为Fe；
2）、冶炼、铸造和锻造，将步骤1）中称取的合金成分进行真空冶炼、铸造，然后在1050-1150℃温度进行锻造，锻造比为1.5-3.0，得到厚度为60-100mm厚的锻坯；
3）、热轧，将60-100mm厚的锻坯在1200-1250℃保温2.0-2.5h，然后在1100-1150℃进行热轧，总压下率为95%，得到厚度为2.4-4.0mm的热轧板；
4）、热处理，将所得到的厚度为2.4-4.0mm的热轧板在950-1050℃保温10-30min，水淬至室温，然后在740-840℃保温0.5-1h，空冷至室温，即得到一种低错配度高强钢。
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