CN112553436A - 一种基于晶粒尺寸效应的马氏体-贝氏体异构钢制备方法 - Google Patents

一种基于晶粒尺寸效应的马氏体-贝氏体异构钢制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于晶粒尺寸效应的马氏体‑贝氏体异构钢制备方法，基于贝氏体转变的晶粒尺寸效应及异变诱导应变硬化，以珠光体或马氏体的碳钢或合金钢为初始组织，经过温轧变形处理、奥氏体化处理、等温淬火处理、淬火处理等过程，使得贝氏体呈层片状或均匀分布于超细晶马氏体基体之中，获得软、硬相匹配的异构组织，即本发明所述一种基于晶粒尺寸效应的马氏体‑贝氏体异构钢。本发明方法制备工艺简单，所制得的异构钢具有高强度、高韧性的特点，服役过程中可通过异变诱导等手段强化提高材料的屈服强度，并利用异变诱导硬化可以有效保持甚至提高材料的均匀塑性。

Description

一种基于晶粒尺寸效应的马氏体-贝氏体异构钢制备方法
技术领域
本发明涉及高强韧异构钢铁材料制备领域，具体是一种基于晶粒尺寸效应的马氏体-贝氏体异构钢制备方法。
背景技术
为应对日益严重的环境污染与能源短缺问题，提高材料的强度与韧性成为了近年来材料科研者研究关注的问题。钢铁作为国家经济建设、社会发展的支柱材料，其强度与韧性的提高显得尤为重要。高强韧钢铁材料对减轻构件重量实现节能减排具有重要的意义。例如：将汽车用钢的强度与韧性提高，有利于减重及增加汽车的安全性能，从而提高燃油利用效率，达到国家整体节能减排的目标。
然而，材料的强度与韧性往往是一对矛盾体。目前，研究学者主要通过孪晶诱导塑性(TWIP)、相变诱导塑性(TRIP)、淬火配分(QP)、形变配分(D&P)、低错配度高密度纳米析出、复合界面调控等方法提高材料的强韧性并获得一定的效果。近几年来，香港城市大学朱运田教授和中国科学院武晓雷教授提出利用异构材料(heterostructured materials)的概念来制备高强高韧材料。区别于传统的均质材料，异构材料在材料微观尺度上构筑性能差异的软、硬相。利用软硬相之间的背应力强化效应，朱运田称其为异变诱导应变硬化(HDI)，最终实现材料的高强和高韧。常见的异构材料有梯度纳米结构(gradientnanostructure)、异构片层结构(heterostructured lamella structure)、核壳结构(harmonic structure)、叠层结构(laminate structure)、双相或多相结构(dual ormulti-phase structure)材料，或者其他利用嵌入晶粒内部的纳米孪晶、短程有序、成分偏聚、析出等方法制备异构材料。对于钢铁材料已经研究较为广泛的异构材料有传统的双相钢(dual-phase steel，DP steel)、层片结构马氏体-铁素体钢、铁素体-奥氏体叠轧钢等等，以上材料均可获得良好的强韧性配合。
发明人前期研究结果表明原奥氏体晶粒尺寸可以影响等温贝氏体的转变过程，当原奥氏体晶粒尺寸小于4.6μm时，等温贝氏体的转变受到一定的抑制(Sun J,WangY,Guo S,et al.Effect of prior austenite grain size on isothermal bainitetransformation in 65Cr steel[J].Materials Letters,2020:127495.)。基于以上等温贝氏体转变的晶粒尺寸效应，利用变形手段使材料内部具有非均匀变形带(即形变储能不等)，导致奥氏体形核长大获得的驱动力不同，从而制备出具有不同晶粒尺寸及分布的原奥氏体，经过等温淬火处理获得一定体积分数的贝氏体，随即进行淬火处理，最终获得马氏体-贝氏体异构钢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于晶粒尺寸效应制备马氏体-贝氏体异构钢的方法。利用变形手段使钢铁材料内部形成非均匀变形带，通过奥氏体化处理获得不同晶粒尺寸及分布的原奥氏体，随即进行等温淬火获得一定体积分数呈层状或均匀分布的贝氏体组织，最后淬火处理获得一种高强度高韧性的异构钢材料。
为实现上述目的，本发明所用技术方案为：
一种基于晶粒尺寸效应的马氏体-贝氏体异构钢制备方法，包括以下步骤：
S1.形变材料的制备：首先将初始组织为珠光体或马氏体的碳钢或合金钢加热至A3线以下，进行温轧处理(锻造或其他钢铁材料变形处理方法)，空冷至室温，累积变形量为40-90％，获得内部具有不同应变储能的变形带；目的在于奥氏体化过程中可提供不同的形核、生长驱动力，最终获得不同晶粒尺寸的奥氏体；
S2.奥氏体化处理：将形变后的钢铁材料加热至A3线以上，使材料完全奥氏体化，并保证原奥氏体晶粒尺寸保持在1-20μm范围内；
S3.等温淬火处理：将完全奥氏体化的材料随即进行等温淬火处理，保温温度保持在贝氏体转变温度区间，保温一定时间，使转变的贝氏体体积分数为10-40％；该过程通过调整等温淬火温度及保温时间，从而对贝氏体体积分数进行调控。
S4.淬火处理；将等温处理后的钢铁材料随即进行淬火处理，获得马氏体-贝氏体异构钢。
上述步骤钢铁材料的具体转变过程为：步骤S1钢铁材料在变形过程中，因其材料内部变形的不均匀，得到具有不同应变程度的形变带；在随后的步骤S2奥氏体化过程中不同应变程度的形变带由于应变储能的不同，形成晶粒尺寸在1-20μm范围内的奥氏体；所得奥氏体在步骤S3等温淬火过程中基于贝氏体转变的晶粒尺寸效应，形成层状分布或均匀分布的贝氏体；最后通过步骤S4的淬火过程将残余的奥氏体转变为马氏体，得到马氏体-贝氏体异构材料。
步骤S1中变形前钢铁材料的加热温度范围为400-900℃，材料的首次变形量为40％，之后每次的变形量约为20％，最终累积变形量为40-90％。
步骤S2中为使材料的晶粒尺寸保持在1-20μm范围内，奥氏体化的温度需控制在700-1000℃范围内。
步骤S3中等温淬火温度保持在贝氏体转变温度区间，温度范围为150-450℃，保温过程中，晶粒尺寸大于5μm的奥氏体开始转变为贝氏体，最终所得材料中贝氏体的体积分数为10-40％。
步骤S4中所述淬火处理方式为水淬、油淬或其他钢铁材料快速淬火处理方法，该淬火过程将等温淬火处理后材料中残余的晶粒尺寸≤5μm的奥氏体转变为马氏体组织。
按照步骤S1-S4所述步骤所制备的马氏体-贝氏体异构钢材料的组织特征为贝氏体呈层状或均匀分布于超细晶马氏体基体中。
步骤S1中所述温轧处理过程为连续轧制，轧制过程中不进行中间退火处理。
本发明的有益效果：
1.相较于传统的累积叠轧奥氏体-铁素体复相钢，制备过程需要经过表面处理(脱脂和打磨)、表面复合、轧制、剪切等工艺处理，每一次循环过程都需要表面处理(脱脂和打磨)，耗时费力且易出现叠轧结合界面出现孔洞等缺陷导致废品产生，本发明方法的制备工艺更为简单且易于实现工业化生产，所制得的马氏体-贝氏体异构钢组织均匀，结合界面无孔洞；
2.相较于传统的双相钢或多相钢，通过本发明方法制备的马氏体-贝氏体异构钢，同时具有高强度、高韧性的特点，解决了传统钢材强度-韧性不可兼得的问题；
3.本发明方法制得的马氏体-贝氏体异构钢，其组织特征为贝氏体呈层状或均匀分布于超细晶马氏体基体之中，服役过程中可通过异变诱导等手段强化提高材料的屈服强度，并利用异变诱导硬化可以有效保持甚至提高材料的均匀塑性。
附图说明
图1是本发明一种基于晶粒效应的马氏体-贝氏体异构钢制备方法形变热处理工艺曲线；
图2是本发明实施例1中以65Cr合金钢为初始材料经多次温轧及奥氏体化处理后的原奥氏体腐蚀金相图；
图3是本发明实施例1中65Cr合金钢经等温淬火及最终淬火处理后所得马氏体-贝氏体的金相组织图；
图4是本发明实施例2中以65Mn合金钢为初始材料经多次温轧及奥氏体化处理后的原奥氏体腐蚀金相图；
图5是本发明实施例2中65Mn合金钢经等温淬火及最终淬火处理后所得马氏体-贝氏体的金相组织图；
图6是本发明实施例3中以60Si2Mn合金钢为初始材料经多次经温轧处理、奥氏体化处理、等温淬火处理、最终淬火处理后的金相组织图；
图7是本发明实施例3中所得马氏体-贝氏体异构钢的工程应力-应变曲线(内部插图为应变硬化率-真应力曲线)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例：参见图1-7。
一种基于晶粒尺寸效应的马氏体-贝氏体异构钢制备方法，包括以下步骤：
S1.形变材料的制备：将初始组织为珠光体或马氏体的碳钢或合金钢加热至A3线以下，进行温轧处理，空冷至室温；
S2.奥氏体化处理：将温轧处理后的钢铁材料加热至A3线以上，使其完全奥氏体化，晶粒尺寸保持在1-20μm范围内；
S3.等温淬火处理：将完全奥氏体化的钢铁材料进行等温淬火处理，保温温度保持在贝氏体转变温度区间，保温一定时间，使转变的贝氏体体积分数为10-40％；
S4.淬火处理：将等温淬火处理后的钢铁材料随即进行淬火处理，获得基于晶粒尺寸效应的马氏体-贝氏体异构钢。
上述步骤钢铁材料的具体转变过程为：步骤S1钢铁材料在变形过程中，因其材料内部变形的不均匀，得到具有不同应变程度的形变带；在随后的步骤S2奥氏体化过程中不同应变程度的形变带由于应变储能的不同，形成晶粒尺寸在1-20μm范围内的奥氏体；所得奥氏体在步骤S3等温淬火过程中基于贝氏体转变的晶粒尺寸效应，形成层状分布或均匀分布的贝氏体；最后通过步骤S4的淬火过程将残余的奥氏体转变为马氏体，得到马氏体-贝氏体异构材料。
如图1中①阶段所示，步骤S1中变形前钢铁材料的加热温度范围为400-900℃，材料的首次变形量为40％，之后每次的变形量约为20％，最终累积变形量为40-90％。
如图1中②阶段所示，步骤S2中为使材料的晶粒尺寸保持在1-20μm范围内，奥氏体化的温度需控制在700-1000℃范围内。
如图1中③阶段所示，步骤S3中等温淬火温度保持在贝氏体转变温度区间，温度范围为150-450℃，保温过程中，晶粒尺寸大于5μm的奥氏体转变为贝氏体，最终所得材料中贝氏体的体积分数为10-40％。
如图1中④阶段所示，步骤S4中所述淬火处理方式为水淬、油淬或其他钢铁材料快速淬火处理方法，该淬火过程将等温淬火处理后材料中残余的晶粒尺寸≤5μm的奥氏体转变为马氏体组织。
按照步骤S1-S4所述步骤所制备的马氏体-贝氏体异构钢材料的组织特征为贝氏体呈层状或均匀分布于超细晶马氏体基体中。
步骤S1中所述温轧处理过程为连续轧制，轧制过程中不进行中间退火处理。
实施例1
S1.形变材料的制备：65Cr合金钢的初始组织为马氏体，尺寸为30mm×40mm×200mm，将该材料加热至550℃，保温60min后进行多道次温轧处理，首次变形量为40％(厚度方向)，随后每道次变形量为20％，总道次数为3，累积变形量为80％，空冷至室温，最终获得厚度为6mm的板样；
S2.奥氏体化处理：将变形后尺寸为6mm×10mm×100mm的板样加热至860℃，保温8min，保证材料完全奥氏体化，如图2所示，晶粒尺寸维持在3-10μm范围内；
S3.等温淬火处理：将完全奥氏体化的试样随即进行等温淬火处理，处理设备为盐浴炉，等温淬火温度为250℃，保温时间为15min，获得体积分数为15％的贝氏体；
S4.淬火处理：将等温淬火后的试样进行淬火冷却至室温，冷却介质为淬火油，最终获得层片状贝氏体分布于超细晶马氏体基体之中的异构钢，如图3所示。
实施例2
S1.形变材料的制备：65Mn合金钢的初始组织为珠光体，尺寸为30mm×40mm×200mm，将该材料加热至650℃，保温60min；随即进行多道次温轧处理，首次变形量为40％(厚度方向)，随后每道次变形量为25％，总道次数为3，累积变形量为90％，空冷至室温，最终获得厚度为3mm的板样；
S2.奥氏体化处理：将变形后尺寸为3mm×10mm×100mm的板样加热至780℃，保温5min，保证材料完全奥氏体化，如图4所示，晶粒尺寸维持在4-20μm范围内；
S3.等温淬火处理：将完全奥氏体化的试样随即进行等温淬火处理，处理设备为盐浴炉，等温淬火温度为300℃，保温时间为10min，获得体积分数为38％的贝氏体；
S4.淬火处理：将等温淬火后的试样进行淬火冷却至室温，冷却介质为淬火油，最终获得层片状贝氏体分布于超细晶马氏体基体之中的异构钢，如图5所示。
实施例3
S1.形变材料的制备：60Si2Mn合金钢的初始组织为珠光体，尺寸为20mm×30mm×200mm，将该材料加热至600℃，保温60min；随即进行多道次温轧处理，首次变形量为40％(厚度方向)，随后每道次变形量为15％，总道次数为3，累积变形量为70％，空冷至室温，最终获得厚度为6mm的板样；
S2.奥氏体化处理：将变形后尺寸为6mm×10mm×100mm的板样加热至810℃，保温8min，保证材料完全奥氏体化，晶粒尺寸维持在3-13μm范围内；
S3.等温淬火处理：将完全奥氏体化的试样随即进行等温淬火处理，处理设备为盐浴炉，等温淬火温度为300℃，保温时间为10min，获得体积分数为25％的贝氏体；
S4.淬火处理：将等温淬火后的试样进行淬火冷却至室温，冷却介质为淬火油，最终获得贝氏体均匀分布于超细晶马氏体基体之中的异构钢，如图6所示。
如图2、图4所示，以珠光体或马氏体的碳钢或合金钢为初始材料进行多道次温轧及奥氏体化处理后，钢铁材料内部的变形不均匀，存在不同应变程度的形变带，且各形变带中奥氏体晶粒的尺寸大小在1-20μm范围内。
如图3、图5、图6所示，在等温淬火和淬火后，基于贝氏体转变的晶粒尺寸效应，钢铁材料形成层状分布或均匀分布的贝氏体和超细晶的马氏体基体，贝氏体呈层状或均匀分布于超细晶马氏体基体中。
如图7及下表1所示，依照图1中的热处理工艺，钢铁材料在经多道次温轧处理、奥氏体化处理、等温淬火处理、淬火处理后所制备的马氏体-贝氏体异构钢，具有高强度、高韧性的特点。
表160Si2Mn不同组织条件与本发明异构钢性能对比
Figure BDA0002784179480000061
Figure BDA0002784179480000071
综上所述，按照本发明方法制得一种基于晶粒尺寸效应的马氏体-贝氏体异构钢，钢铁材料的变形及晶粒转变过程符合预期，所得最终产物马氏体-贝氏体异构钢，其组织特征为贝氏体呈层状或均匀分布于马氏体基体之中，具有高强度、高韧性的特点；表明了本发明方法的可行性和科学性，且本发明方法相较于传统的累积叠轧方法制备奥氏体-铁素体复合钢，制备过程及工艺更为简单且易于实现，适合大规模的工业化生产。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换或直接或间接运用在相关的技术领域，均应包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于晶粒尺寸效应的马氏体-贝氏体异构钢制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.形变材料的制备：将初始组织为珠光体或马氏体的碳钢或合金钢加热至A3线以下，进行温轧处理，空冷至室温；
S2.奥氏体化处理：将温轧处理后的钢铁材料加热至A3线以上，使其完全奥氏体化，晶粒尺寸保持在1-20μm范围内；
S3.等温淬火处理：将完全奥氏体化的钢铁材料进行等温淬火处理，保温温度保持在贝氏体转变温度区间，保温一定时间，使转变的贝氏体体积分数为10-40%；
S4.淬火处理：将等温淬火处理后的钢铁材料随即进行淬火处理，获得基于晶粒尺寸效应的马氏体-贝氏体异构钢。
2.根据权利要求1所述的一种基于晶粒尺寸效应的马氏体-贝氏体异构钢制备方法，其特征在于，步骤S1钢铁材料在变形过程中，因其材料内部变形的不均匀，得到具有不同应变程度的形变带；在随后的步骤S2奥氏体化过程中不同应变程度的形变带由于应变储能的不同，形成晶粒尺寸在1-20μm范围内的奥氏体；所得奥氏体在步骤S3等温淬火过程中基于贝氏体转变的晶粒尺寸效应，形成层状分布或均匀分布的贝氏体；最后通过步骤S4的淬火过程将残余的奥氏体转变为马氏体，得到马氏体-贝氏体异构材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于晶粒尺寸效应的马氏体-贝氏体异构钢制备方法，其特征在于，步骤S1中变形前钢铁材料的加热温度范围为400-900℃，材料的首次变形量为40%，之后每次的变形量约为20%，最终累积变形量为40-90%。
4.根据权利要求1所述的一种基于晶粒尺寸效应的马氏体-贝氏体异构钢制备方法，其特征在于，步骤S2中为使材料的晶粒尺寸保持在1-20μm范围内，奥氏体化的温度需控制在700-1000℃范围内或通过调整保温时间。
5.根据权利要求1所述的一种基于晶粒尺寸效应的马氏体-贝氏体异构钢制备方法，其特征在于，步骤S3中等温淬火温度保持在贝氏体转变温度区间，温度范围为150-450℃，保温过程中，晶粒尺寸大于5μm的奥氏体转变为贝氏体，最终所得材料中贝氏体的体积分数为10-40%。
6.根据权利要求1所述的一种基于晶粒尺寸效应的马氏体-贝氏体异构钢制备方法，其特征在于，步骤S4中所述淬火处理方式为水淬、油淬或其他钢铁材料快速淬火处理方法，该淬火过程将等温淬火处理后材料中残余的晶粒尺寸≤5μm的奥氏体转变为马氏体组织。
7.根据权利要求1所述的一种基于晶粒尺寸效应的马氏体-贝氏体异构钢制备方法，其特征在于，按照步骤S1-S4所述步骤所制备的马氏体-贝氏体异构钢材料的组织特征为贝氏体呈层状或均匀分布于超细晶马氏体基体中。
8.根据权利要求1所述的一种基于晶粒尺寸效应的马氏体-贝氏体异构钢制备方法，其特征在于，步骤S1中所述温轧处理过程为连续轧制，轧制过程中不进行中间退火处理。
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