CN111944958B - 一种高强度块体316l不锈钢的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高强度块体316L不锈钢的制备方法，包括以下步骤：使用快速压缩设备沿块体316L不锈钢的x、y、z轴循环进行2到4次压缩，每次压缩后立即冷却至室温；每次改变压缩方向前对块体316L不锈钢进行退火处理。本发明制备方法处理块体316L不锈钢后，其孪晶体积分数高达60％，远高于只经单方向高速率变形后形成的孪晶的体积分数；块体316L不锈钢的屈服强度高达1560MPa，远远高于当前其他任何不借助添加合金元素或马氏体相变的方法可达到的屈服强度；本发明方法所用的快速压缩设备和退火处理设备具有选择范围广、投入成本低廉、易于控制等优点，降低了产品成本，利于工业化生产。

Description

一种高强度块体316L不锈钢的制备方法

技术领域

本发明属于金属强化领域，特别涉及一种高强度块体316L不锈钢的制备方法。

背景技术

纯金属或合金的屈服强度会随着金属内部晶粒尺寸的减小而升高，这是因为随着晶粒尺寸减小，金属内部晶界的面积增加。在金属变形过程中，更多的晶界会增强对位错运动的阻碍作用，进而提高金属的屈服强度。当晶粒尺寸从毫米尺度到亚微米尺度变化时，金属材料的屈服强度与晶粒尺寸近似服从Hall-Petch关系：σ_y＝σ₀+kd^-1/2,式中,σ_y为屈服强度,σ₀为晶格摩擦阻力,k为常数,d为晶粒的直径。可以看出，金属材料的屈服强度与晶粒直径的平方根成反比。大量研究表明，即使当晶粒减小至纳米级别(小于100nm)时，Hall-Petch关系依然成立，因此制备含纳米晶粒的金属已成为金属强化领域的关键技术手段。

当前块体金属材料晶粒的细化过程主要通过使其发生塑性变形来实现。通常情况下，在塑性变形过程中晶体内会产生大量位错,一些位错通过重新分布在初始粗晶内聚集形成小角度晶界，将原始晶粒分割成尺寸更小的亚晶粒。随着变形继续，越来越多的位错在小角度晶界处聚集，使相邻亚晶粒的晶体取向差不断增大。最终这些亚晶粒逐渐发展成为具有随机晶体取向的细小晶粒，从而实现晶粒的细化。使金属发生严重塑性变形的工艺，如冷轧、等径角挤压、高压扭转等均通过上述过程，即在变形过程中产生大量位错使晶粒得到显著细化，因此，构成这些细小晶粒的晶界主要源自位错的聚集，具有较高的能量。随着晶粒尺寸减小，储存在晶界中的能量逐渐增加，成为晶粒长大的驱动力，促使细化后的晶粒又趋于长大。当这种使晶粒长大的驱动力与使晶粒细化的外界驱动力达到平衡时，晶粒的尺寸将趋于稳定，不再随着变形继续减小。因此通过严重塑性变形工艺只能将晶粒细化至有限的水平，通常为亚微米级别(≥100nm，细化后的晶粒称为超细晶)。

一些文献结果表明，提高变形速率或降低变形温度，可以抑制变形过程中位错的运动，使金属的变形机制从位错运动转变为生成孪晶。高速率变形后产生的孪晶通常以孪晶束的形式存在，孪晶束中孪晶与基体交替排列，他们之间的界面为孪晶界，相邻孪晶界的距离可以低至几个纳米。因此，由孪晶束的碎片化或是变形过程中在孪晶束中生成剪切带均可以使孪晶断裂成极细小的纳米晶(≤100nm)，原有的孪晶界直接变成纳米晶的晶界。由于孪晶界的能量远低于由位错形成的晶界的能量，因此生成的纳米晶晶界能量极低，这些能量不足以使细化后的纳米晶粒再发生长大现象。据此原理，一些学者利用高速率变形技术已将一些面心立方结构的金属如纯铜、Fe-25Mn钢、316L不锈钢的晶粒部分细化至40nm-100nm，并使这些材料由此获得了较高的屈服强度，如CN 103114185A公开的一种具有多尺度孪晶结构钢及其制备方法，采用表面机械研磨处理、激光处理、高压喷涂或喷丸等方法产生高应变速率，从而强化结构钢强度。

316L不锈钢由于具有优异的耐腐蚀性、抗氧化性以及良好的成型性，被广泛应用在生物医疗、石油化工、污水处理以及核能发电等领域，但屈服强度较低成为316L不锈钢在这些应用中的一个短板，退火态的316L不锈钢屈服强度通常只有150-300MPa。由于316L不锈钢层错能较低，易于在高应变速率变形中产生孪晶，因此快速压缩成为细化316L不锈钢晶粒、提高其屈服强度的有效方法，但目前简单的快速压缩只能将块体316L不锈钢中的少部分晶粒细化成纳米晶，对其屈服强度的提升作用十分有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度块体316L不锈钢的制备方法，该方法突破传统严重塑性变形工艺以及高应变速率变形工艺在块体金属材料中细化晶粒的极限，在块体316L不锈钢中获得高体积分数、更小晶粒尺寸的纳米晶，使块体316L不锈钢获得更高的屈服强度。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高强度块体316L不锈钢的制备方法，包括以下步骤：使用快速压缩设备沿块体316L不锈钢的x、y、z轴循环进行2-4次压缩，每次压缩后立即冷却至室温；每次改变压缩方向前对块体316L不锈钢进行退火处理。实际沿某个轴压缩时，空气锤以固定的频率击打若干次才能使样品产生所需的形变，然后再改变压缩方向，x、y、z轴方向各压缩1次即为压缩3次。沿x、y、z三轴对块体316L不锈钢循环进行快速压缩可以在金属内不同方向上产生孪晶，同时，新生成的孪晶会对原有的孪晶产生剪切作用，使原有孪晶断裂后产生更细小的纳米晶。施加退火工艺可以消除材料内部由快速变形引入的位错，同时可以保持晶粒的尺寸不变，使退火后的不锈钢具有更高的孪晶形成能力，在后续的快速压缩过程中更容易形成孪晶。实验结果表明压缩次数越多，强度越高，但实际压缩次数需结合产品尺寸来确定。

前述高强度块体316L不锈钢的制备方法，所述块体316L不锈钢在x、y、z轴三维方向的长度均不小于8mm，外形呈长方体或圆柱体。

前述高强度块体316L不锈钢的制备方法，对块体316L不锈钢沿x、y、z轴的循环压缩过程，至少改变一次压缩方向；每次压缩至应变速率≥200s^-1，沿x、y、z各轴的真应变≥0.7。

前述高强度块体316L不锈钢的制备方法，所述退火处理的退火温度为600-730℃，保温时间为20-40min。退火处理应使块体316L不锈钢内的晶粒发生充分的回复过程，即晶粒内和晶界处的位错数目大量减少或消失，残余应力得到充分消除，但晶粒不发生明显的长大现象。因而，退火温度应高于回复温度，同时低于再结晶温度(回复温度一般为金属熔点的1/4-1/3，纯金属的再结晶温度为金属熔点的0.35-0.4倍，加入合金元素会提高再结晶温度)。

前述高强度块体316L不锈钢的制备方法，所述退火处理的退火温度为730℃，保温时间为20min。

前述高强度块体316L不锈钢的制备方法，所述压缩在开放环境室温条件下进行；每次压缩后立即将块体316L不锈钢置于空气或水中冷却至室温。

前述高强度块体316L不锈钢的制备方法，所述快速压缩设备为锻造设备；所述退火处理设备为箱式炉、管式炉或井式炉。

前述高强度块体316L不锈钢的制备方法，所述快速压缩设备为空气锤，其压缩击打频率200次/分钟，单次击打能量为0.9kJ，击打速率为5.3m/s。

前述高强度块体316L不锈钢的制备方法，对块体316L不锈钢进行压缩前先进行预处理，即将其在1200℃退火2小时，然后立即放入水中淬火。

以上所述方法在高强度块体铜/铜合金、银/银合金或高锰钢的制备中的应用。

与现有技术相比，本发明提供的制备高强度块体316L不锈钢的方法具有以下优点：使用本发明的方法，沿样品x、y和z轴对块体316L不锈钢循环进行4次快速压缩变形后，块体316L不锈钢内孪晶体积分数高达60％，远高于其只经单方向高速率变形后形成的孪晶的体积分数(约为20％)。由孪晶产生的纳米晶平均粒径仅约为15nm，远低于当前其他任何方法可在块体316L不锈钢中获得的晶粒尺寸；孪晶以外的晶粒尺寸也远低于经传统严重塑性变形工艺变形后块体316L不锈钢中的晶粒尺寸。经4次快速压缩变形后，块体316L不锈钢的屈服强度高达1560MPa，远远高于当前其他任何不借助添加合金元素或马氏体相变(添加合金元素或发生马氏体相变会降低316L不锈钢的抗腐蚀性能)的方法可以达到的屈服强度。

另，现有技术、如CN 103114185A公开的制备方法，其本质上属于材料表面处理范畴，适用于强化材料表面，强化后材料的强度不均匀，表面强度最高，向芯部逐渐降低，只适合强化厚度小于3mm的零件；而本发明的制备方法可以同时强化材料的表面和芯部,强化后材料强度在厚度方向是均匀的，且对于材料厚度几乎没有限制，同时具有更大尺寸应用范围(三维方向的长度≥8mm)，应用范围更加广泛。

本发明的方法所用的快速压缩设备和退火处理设备具有选择范围广、投入成本低廉、易于控制等优点，降低了产品成本，利于工业化生产。

而且，本发明制备方法适用的材料种类十分广泛，尤其适用于层错能比较低，即在变形过程中容易形成孪晶的金属，如铜、铜合金、银、银合金、高锰钢等纯金属或者合金，采用本发明制备方法，选择适当的工艺参数，可以得到高屈服强度的纯金属或合金块体。

附图说明

图1是本发明循环应用快速压缩变形与退火工艺制备高强度块体316L不锈钢的流程示意图；

图2是本发明原料块体316L不锈钢在压缩处理前的光学显微镜照片；

图3中a是本发明原料块体316L不锈钢经4次快速压缩后的透射电子显微镜照片，b是由孪晶形成的晶粒形貌；

图4是本发明制备高强度块体316L不锈钢工艺过程中，块体316L不锈钢沿不同方向被压缩后的工程应力应变曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例1：一种高强度块体316L不锈钢的制备方法，包括以下步骤：

1.块体316L不锈钢预处理

块体316L不锈钢的成分如表1所示，初始状态为热轧态。

表1块体316L不锈钢的成分(重量百分比)

C	Mn	P	S	Si	Cr	Ni	Mo	Fe
									0.019	1.40	0.031	0.018	0.7	16.27	11.76	2.34	余量

对块体316L不锈钢进行压缩前，首先将其在1200℃退火2小时，获得均匀的粗晶组织；退火后立即放入水中淬火，防止生成析出相。

316L不锈钢淬火后的显微组织如图2所示，其平均晶粒尺寸约为100μm。

2.对块体316L不锈钢循环应用快速压缩变形与退火工艺的具体过程如下：

A.将如上述处理的块体316L不锈钢置于空气锤砧座上，使块体316L不锈钢x轴与空气锤击打方向平行；

B.用夹具固定好块体316L不锈钢，沿块体316L不锈钢的x轴方向，启动空气锤以击打频率200次/分钟，单次击打能量为0.9kJ，击打速率为5.3m/s进行压缩，压缩至x轴的应变速率≥200s^-1，真应变≥0.7后，停止击打并立即将块体316L不锈钢放入水中冷却；

C.退火处理：将冷却后的块体316L不锈钢放入箱式炉中进行退火处理，退火温度为730℃，保温时间为20分钟；

D.沿块体316L不锈钢y轴、z轴、x轴分别重复上述压缩过程(A-B步骤)，并于每次改变压缩方向前按C步骤的退火工艺进行退火。

实施例1所得产品的测试结果：

一、块体316L不锈钢各轴压缩前后的应变测试数据

块体316L不锈钢沿各轴的应变速率可用公式

计算。式中，

为块体316L不锈钢的应变速率，v为空气锤的击打速率，H₀为块体316L不锈钢沿各轴压缩前的高度。块体316L不锈钢沿各轴的真应变可用公式e＝ln(H₀/H)计算，式中，e为块体316L不锈钢的真应变，H₀和H分别为块体316L不锈钢沿各轴压缩前后的高度。块体316L不锈钢沿各轴压缩前后的尺寸、压缩应变速率以及真应变如表2所示。

表2块体316L不锈钢沿各轴压缩前后的尺寸、压缩应变速率以及真应变

压缩方向	压缩前尺寸，mm<sup>3</sup>	压缩后尺寸，mm<sup>3</sup>	应变速率，s<sup>-1</sup>	真应变
					x轴	22×10×26(高)	27×16×9(高)	204	1.06
y轴	15×9×24(高)	21×15×10(高)	221	0.88
					z轴	15×10×20(高)	18×15×8(高)	265	0.92
x轴	13×8×16(高)	17×13×8(高)	331	0.70

二、块体316L不锈钢压缩后显微组织

块体316L不锈钢经4次快速压缩后的显微组织如图3所示，此时块体316L不锈钢内孪晶体积分数约为60％(图3中a黑色圈内部分)，远高于当前其他任何方法可在块体316L不锈钢中获得的孪晶体积分数。由孪晶形成的晶粒大多沿孪晶方向被拉长，其长轴长度约为10-50nm，短轴长度近似等于孪晶界间距，仅不足5nm；晶粒的平均粒径仅约为15nm，远低于当前其他任何方法可在块体316L不锈钢中获得的晶粒尺寸；孪晶以外的晶粒尺寸也远低于通过传统严重塑性变形工艺可在块体材料中获得的晶粒尺寸。

三、块体316L不锈钢压缩后应力-应变曲线

块体316L不锈钢经不同方向压缩后的工程应力-应变曲线如图4所示。可以看出，块体316L不锈钢的屈服强度随循环过程的进行逐渐增加。块体316L不锈钢首次经x轴方向快速压缩后的屈服强度为977MPa，经4次快速压缩后屈服强度达到1560MPa，提高近60％；与压缩前粗晶块体316L不锈钢的屈服强度(258MPa)相比，块体316L不锈钢经4次快速压缩后屈服强度提高了500％，成为当前不借助添加合金元素或马氏体相变可使块体316L不锈钢获得的最高屈服强度。

本发明的制备方法通过对块体316L不锈钢沿x、y、z轴循环进行快速压缩变形，并在相邻的变形工艺之间施加退火工艺，经以上实验测试，证明其使材料的晶粒尺寸逐步减小，从而获得超高屈服强度，以较低成本填补了316L不锈钢在各个相关应用领域的短板。

Claims (9)

1.一种高强度块体316L不锈钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：使用快速压缩设备沿块体316L不锈钢的x、y、z轴循环进行2-4次压缩，每次压缩至应变速率≥200s^-1，沿x、y、z各轴的真应变≥0.7，每次压缩后立即冷却至室温；每次改变压缩方向前对块体316L不锈钢进行退火处理；所述退火处理的退火温度为600-730℃，保温时间为20-40min。

2.根据权利要求1所述高强度块体316L不锈钢的制备方法，其特征在于：所述块体316L不锈钢在x、y、z轴三维方向的长度均不小于8mm，外形呈长方体或圆柱体。

3.根据权利要求1所述高强度块体316L不锈钢的制备方法，其特征在于：对块体316L不锈钢沿x、y、z轴的循环压缩过程，至少改变一次压缩方向。

4.根据权利要求1所述高强度块体316L不锈钢的制备方法，其特征在于：所述退火处理的退火温度为730℃，保温时间为20min。

5.根据权利要求1所述高强度块体316L不锈钢的制备方法，其特征在于：所述压缩在开放环境室温条件下进行；每次压缩后立即将块体316L不锈钢置于空气或水中冷却至室温。

6.根据权利要求1所述高强度块体316L不锈钢的制备方法，其特征在于：所述快速压缩设备为锻造设备；所述退火处理设备为箱式炉、管式炉或井式炉。

7.根据权利要求6所述高强度块体316L不锈钢的制备方法，其特征在于：所述快速压缩设备为空气锤，其压缩击打频率为200次/分钟，单次击打能量为0.9kJ，击打速率为5.3m/s。

8.根据权利要求1所述高强度块体316L不锈钢的制备方法，其特征在于：对块体316L不锈钢进行压缩前先进行预处理，即将其在1200℃退火2小时，然后立即放入水中淬火。

9.如权利要求1-8任一项所述方法在高强度块体铜/铜合金、银/银合金或高锰钢的制备中的应用。

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