CN112281057A - 一种具有不同晶粒尺寸和孪晶含量的twip钢板及其制备方法 - Google Patents

一种具有不同晶粒尺寸和孪晶含量的twip钢板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种具有不同晶粒尺寸和孪晶含量的TWIP钢板及其制备方法。所述钢板化学组成按重量百分比为：C：0.62～0.64％，Mn：20.21～20.24％，Si：0.18～0.20％，Nb：0.06～0.08％，S：0.02～0.04％，余量为Fe和不可避免杂质；制备方法为：(1)将Fe、Mn、C等合金原料在氩气保护下进行真空熔炼，然后浇铸成铸锭；(2)将铸锭加热至1200±10℃保温6h进行均匀化处理，初轧温度分别为1150±10℃或1050±10℃或950±10℃，连续轧制7道次，总变形量77.5～77.9％，压下率保持在20±5％；(3)以60～80℃/s的速度降至室温，随后进行退火处理，700±10℃保温2h，取出空冷至室温。本发明最终获得超高延伸率钢板，抗拉强度高于同类钢板材料，制备方法经济有效、简单且可操作性强。

Description

一种具有不同晶粒尺寸和孪晶含量的TWIP钢板及其制备方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种具有不同晶粒尺寸和孪晶含量的 TWIP钢板及其制备方法。
背景技术
钢是社会工业发展的物质基础，其成分以铁元素为主，碳含量质量百分比 在0.0218～2.11％之间，不仅价格低廉，而且具有良好的物理化学和机械性能， 因此，钢被广泛运用在建筑、汽车、航空航天、机械、石油等工业领域。目前， 高强度钢板在汽车工业内历经了几代发展，第一代高强度汽车用钢：主要代表 有无间隙原子钢、双相钢、相变诱发塑性钢等，该类钢材强塑积只达到15GPa％， 难以兼具高强度和高塑性，第二代高强度汽车用钢：主要代表有孪生诱发塑性 钢、奥氏体钢等，其强塑积可达50GPa％，但部分钢材合金成本过高，难以投入 到大批量工业生产中，第三代高强度汽车用钢：其性能和经济投入平衡于第一、 二代高强度汽车用钢之间。
近年来，汽车工业已成为世界众多国家经济发展的支柱，为满足对汽车轻 量化的要求，汽车行业需要开发具有更优异性能的轻质钢板材料。TWIP (Twinning InducedPlasticity)钢即孪生诱发塑性钢，在变形过程能产生大量形变 孪晶，推迟颈缩的产生，从而在不牺牲塑性的前提下仍能获得较高强度，其强 塑积高于传统汽车钢3倍以上，具有高强度、高塑性、高能量吸收率等优异力 学性能，被广泛运用在汽车结构件上。在汽车轻量化高速发展的过程中，各类 轻质合金材料被广泛运用，但TWIP钢作为第二代高强度钢的代表，高强度和 高塑性的特点满足了现代汽车用钢要求，并且其经济性和可开发性仍显示出不 可替代的作用。特别的，锰是TWIP钢中至关重要的元素，随着锰含量升高， 层错能增加，奥氏体相稳定存在，从而促使孪生诱发塑性，因此，国内外钢厂 和汽车工业始终选择高锰TWIP钢作为高强度汽车用钢的材料。
细晶强化为金属主要强化方式之一，在提高材料强度的同时，还可以改善 材料的塑性和韧性，随着晶粒尺寸减小，晶界增多对位错的阻碍作用增强，从 而表现为材料强度的提升，这遵从经典的霍尔佩奇关系。除此之外，在工业生 产中，调整晶粒尺寸是一种改变材料力学性能的经济有效方法，晶粒尺寸在一 定程度上控制孪晶率和变形机制，在细晶强化和TWIP钢变形过程中形变孪晶 的协调变形、应变硬化效应共同作用下可以制备出具有优异力学性能的钢板材 料，因此，改变晶粒尺寸可以作为改善TWIP钢力学性能的一种经济有效方法。
Noh等人(Noh H.S.,Kang J.H.,Kim S.J.,Effect of grain size on hydrogenembrittlement in stable austenitic high-Mn TWIP and high-N stainless steels,International Journal of Hydrogen Energy,Vol.44,25076-25090,2019)将3mm厚 的Fe-18Mn-1.5Al-0.6C TWIP钢试件冷轧至1.5mm，分别在1000℃退火5、60min， 随后在水中淬火，最终得到晶粒尺寸分别为23、45μm的钢板，屈服强度分别为 304±3MPa、278±1MPa，抗拉强度分别为866±6MPa、804±3MPa，延伸率分 别为77.6±0.9％和82.2±1.1％，其显微组织为完全再结晶奥氏体晶粒，该方法 虽然获得较高延伸率，但对比成分相似且同等晶粒度材料，其抗拉强度及屈服 强度略低。
我国Luo等人(Luo Q.,Wang H.H.,Li G.Q.,Sun C.,Li D.H.,Wan X.L., Onmechanical properties of novel high-Mn cryogenic steel in terms of SFE andmicrostructural evolution,Materials Science and Engineering:A,Vol.753,91-98,2019)研究南京钢铁公司开发制造的Fe-25Mn-4Cr-0.4C钢，热轧板厚20mm， 显微组织由奥氏体晶粒组成，平均晶粒尺寸30μm，轧制过程中形成的孪晶形貌 类似退火孪晶，在室温下，延伸率64％，屈服强度350MPa，抗拉强度只为 810MPa，拉伸断裂方式为韧性断裂，SEM照片显示断口由较为细小的韧窝组成， 并且在拉伸应变范围内(0.0-50.0％)，随着应变升高，形变孪晶数目增多，部分 出现弯曲和交叉，当应变达到50.0％，晶粒大部分变形，成长条状，除奥氏体以 外出现9.2％ε马氏体和3.1％α'马氏体。
韩国科学家Hwang(Hwang J.K.,Effecut of grain size on tensile and wiredrawing behaviors in twinning-induced plasticity steel,Materials Science andEngineering:A,Vol.772,138709,2020)研究了Fe-17Mn-2Al-0.6C钢，通过真空 熔炼-热轧得到热轧厚度20mm的钢板，分别在950、1100、1250℃热处理30min， 得到平均晶粒尺寸分别为12、65和202μm的完全再结晶奥氏体晶粒微观组织， 延伸率在60～80％之间，抗拉强度700～900MPa，屈服强度300～500MPa之间， 随着晶粒尺寸增大，延伸率身高，抗拉强度屈服强度降低，但是其抗拉强度任 然未达到1000MPa以上。
科学家Gwon等(Gwon H.,Kim J.H.,Kim J.K.,Suh D.W.,Kim S.J., Role ofgrain size on deformation microstructures and stretch-flangeability of TWIPsteel,Materials Science and Engineering:A,Vol.773,138861,2020)通过真空熔炼 -热轧-冷轧-不同温度退火制备了Fe-16Mn-0.6C-1.5Al钢，退火温度分别为800、 850、900、950、1000℃，退火30min，随着退火温度的降低，晶粒尺寸从14.83 ±7.65μm减小到4.14±2.02μm，抗拉强度由840MPa上升至972MPa，屈服强度 278上升至449MPa，但是晶粒尺寸的变化对延伸率没有显著的影响，均在60％ 左右。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种具有不同晶粒尺寸和孪晶含量的TWIP钢 板及其制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种具有不同晶粒尺寸和孪晶含量的TWIP钢板，其化学组成按重量百分比 为C：0.62～0.64％、Mn：20.21～20.24％、Si：0.18～0.20％、Nb：0.06～0.08％、 S：0.02～0.04％、余量为Fe和不可避免的杂质。
上述TWIP钢板的制备方法，按以下步骤进行：
步骤一、选用重量纯度≥99.9％的Fe、Mn、Si、Nb、C粉末作为合金原 料，原料成分重量百分比为C：0.62～0.64％、Mn：20.21～20.24％、Si：0.18～ 0.20％、Nb：0.06～0.08％、S：0.02～0.04％、余量为Fe和不可避免杂质，将 合金原料置于电磁感应炉中，在氩气保护下进行真空熔炼，随后将冶炼钢水浇 铸成铸锭；
步骤二、将铸锭加热至1200±10℃保温6h，进行均匀化处理，设置初轧温 度为1150±10℃或1050±10℃或950±10℃，连续轧制7道次，总变形量控制 在77.5～77.9％，压下率保持在20±5％；
步骤三、经步骤二轧制得到的铸锭以60～80℃/S的速度降至室温，随后放在 电阻炉中进行退火处理，700±10℃保温2h后取出空冷至室温，获得所述TWIP 钢板。
本发明的有益效果为：
本发明在氩气保护下通过真空熔炼技术获得原始铸锭，随后利用连续轧制技 术结合UFC(Ultra Fast Cooling)+ACC(Accelrate Cooling Control)控制 冷却系统，通过合理热处理工艺和参数配合，只需改变初轧温度即可制备出具 有不同晶粒尺寸和孪晶含量的超高延伸率钢板，制备方法简单，方法经济有效 并且易于操作。
该钢板具有不同晶粒尺寸和孪晶含量，平均晶粒尺寸分别为45.1±1.6μm、 25.8±0.7μm、15.6±0.5μm；孪晶含量分别为43.9±0.2％、49.6±0.2％、45.4 ±0.2％；抗拉强度范围为967～1035MPa，延伸率范围为107～115％，屈服强度范 围为298～337MPa，该材料组织均匀，延伸率高于同类相似成分、相似晶粒尺寸 钢的延伸率。
附图说明
图1为本发明实例1中制备的晶粒尺寸为45.1±1.6μm、孪晶含量43.9± 0.2％的超高延伸率钢板SEM-EBSD微观组织形貌图；
图2为本发明实例2中制备的晶粒尺寸为25.8±0.7μm、孪晶含量49.6± 0.2％的超高延伸率钢板SEM-EBSD微观组织形貌图；
图3为本发明实例3中制备的晶粒尺寸为15.6±0.5μm、孪晶含量45.4± 0.2％的超高延伸率钢板SEM-EBSD微观组织形貌图；
图4为本发明具有超高延伸率钢板在室温条件下，单向拉伸的工程应力-应 变曲线图；其中：1—实施例1的产品拉伸数据，2—实施例2的产品拉伸数据， 3—实施例3的产品拉伸数据。
具体实施方式
本发明实施例中采用的熔炼设备为真空感应炉。
本发明实施例中采用的热轧设备为东北大学自研Φ450×450二辊(异步) 热轧实验机组。
本发明实施例中采用的快速冷却设备为UFC(Ultra Fast Cooling)+ACC(Accelrate Cooling Control)控制冷却系统。
本发明实施例中采用的保温设备为SX2-2-12型管式电阻炉。
本发明实施例中采用的合金原料均为重量纯度≥99.9％的Fe、Mn、Si、Nb、 C粉末。
本发明实施例中将合金原料放入电磁感应炉中进行真空熔炼，整个过程在氩 气保护气氛中完成。
实施例1
将合金原料Fe、Mn、Si、Nb、C粉末置于电磁感应炉中，在氩气保护下进 行真空熔炼，随后将冶炼钢水浇铸成铸锭，原料成分重量百分比分别为C： 0.62％、Mn：20.21％、Si：0.18％、Nb：0.06％、S：0.02％，余量为Fe和不 可避免杂质；
将铸锭加热至1200℃保温6h进行均匀化处理，初轧温度为1150℃，连续轧 制7道次，总变形量77.5％，压下率保持在20％；
轧制结束后以60℃/s的速度降至室温，随后放在电阻炉中进行退火处理， 700℃保温2h，取出空冷至室温，最终获得具有超高延伸率的钢板，钢板厚度为 18mm；抗拉强度967MPa，延伸率115％，屈服强度298MPa；微观结构为等轴奥氏 体晶，平均晶粒尺寸为45.1μm，晶粒内部存在大量退火孪晶，孪晶含量(孪晶 长度/总界面长度)43.9％；微观组织形貌如SEM-EBSD图1所示，单向拉伸的工 程应力-应变曲线如图4中曲线1所示。
实施例2
将合金原料Fe、Mn、Si、Nb、C粉末置于电磁感应炉中，在氩气保护下进 行真空熔炼，随后将冶炼钢水浇铸成铸锭，原料成分重量百分比分别为C： 0.62％、Mn：20.21％、Si：0.18％、Nb：0.06％、S：0.02％，余量为Fe和不 可避免杂质；
将铸锭加热至1200℃保温6h进行均匀化处理，初轧温度为1050℃，连续轧 制7道次，总变形量77.5％，压下率保持在20％；
轧制结束后以60℃/s的速度降至室温，随后放在电阻炉中进行退火处理， 700℃保温2h，取出空冷至室温，最终获得具有超高延伸率的钢板，钢板厚度为 18mm；抗拉强度1008MPa，延伸率112％，屈服强度315MPa；微观结构为等轴奥 氏体晶，平均晶粒尺寸为25.8μm，晶粒内部存在大量退火孪晶，孪晶含量(孪 晶长度/总界面长度)49.6％；微观组织形貌如SEM-EBSD图2所示，单向拉伸的 工程应力-应变曲线如图4中曲线2所示。
实施例3
将合金原料Fe、Mn、Si、Nb、C粉末置于电磁感应炉中，在氩气保护下进 行真空熔炼，随后将冶炼钢水浇铸成铸锭，原料成分重量百分比分别为C： 0.62％、Mn：20.21％、Si：0.18％、Nb：0.06％、S：0.02％，余量为Fe和不 可避免杂质；
将铸锭加热至1200℃保温6h进行均匀化处理，初轧温度为950℃，连续轧 制7道次，总变形量77.5％，压下率保持在20％；
轧制结束后以60℃/s的速度降至室温，随后放在电阻炉中进行退火处理， 700℃保温2h，取出空冷至室温，最终获得具有超高延伸率的钢板，钢板厚度为 18mm；抗拉强度1035MPa，延伸率107％，屈服强度337MPa；微观结构为等轴奥 氏体晶，平均晶粒尺寸为15.6μm，晶粒内部存在大量退火孪晶，孪晶含量(孪 晶长度/总界面长度)45.4％；微观组织形貌如SEM-EBSD图3所示，单向拉伸的 工程应力-应变曲线如图4中曲线3所示。

Claims (2)

1.一种具有不同晶粒尺寸和孪晶含量的TWIP钢板，其特征在于，所述TWIP钢板的化学组成按重量百分比为C：0.62～0.64％、Mn：20.21～20.24％、Si：0.18～0.20％、Nb：0.06～0.08％、S：0.02～0.04％、余量为Fe和不可避免的杂质。
2.一种权利要求1所述TWIP钢板的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：
步骤一、选用重量纯度≥99.9％的Fe、Mn、Si、Nb、C粉末作为合金原料，原料成分重量百分比为C：0.62～0.64％、Mn：20.21～20.24％、Si：0.18～0.20％、Nb：0.06～0.08％、S：0.02～0.04％、余量为Fe和不可避免杂质，将合金原料置于电磁感应炉中，在氩气保护下进行真空熔炼，随后将冶炼钢水浇铸成铸锭；
步骤二、将铸锭加热至1200±10℃保温6h，进行均匀化处理，设置初轧温度为1150±10℃或1050±10℃或950±10℃，连续轧制7道次，总变形量控制在77.5～77.9％，压下率保持在20±5％；
步骤三、经步骤二轧制得到的铸锭以60～80℃/S的速度降至室温，随后放在电阻炉中进行退火处理，700±10℃保温2h后取出空冷至室温，获得所述TWIP钢板。
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