CN112662931A

CN112662931A - 一种同时提高奥氏体钢强度和塑性的方法及其产品

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Publication number: CN112662931A
Application number: CN201910977050.8A
Authority: CN
Inventors: 李世瀚; 王晓霖; 赵巍; 李遵照; 李明; 薛倩; 刘名瑞
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Dalian Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
Current assignee: Sinopec Dalian Petrochemical Research Institute Co ltd; China Petroleum and Chemical Corp
Priority date: 2019-10-15
Filing date: 2019-10-15
Publication date: 2021-04-16
Anticipated expiration: 2039-10-15
Also published as: CN112662931B

Abstract

本发明提供了一种能同时提高奥氏体钢强度和塑性的方法，其特征在于，包括：向奥氏体钢中加入微量合金元素，对奥氏体钢进行冷轧处理，获得含有大量位错和孪晶的冷轧态高强度钢，再经低温保温处理后快速冷却。所述低温保温为在350℃‑550℃条件下，保温0.5h‑3h后快速冷却。通常材料经回复热处理后塑性会增加但强度会降低，而本发明在提高TWIP钢塑性的同时还可以增加其强度。

Description

一种同时提高奥氏体钢强度和塑性的方法及其产品

技术领域

本发明属于金属材料加工和低温保温处理的技术领域，尤其是同时提高奥氏体钢强度及塑性的方法及其产品。

背景技术

奥氏体TWIP (twinning-induced plasticity)钢具有高强度、高韧性和高应变硬化率等特点，其作为轻量化材料，在汽车和LNG船制造，石油和天然气开发等领域有广泛的应用前景。

对冷轧TWIP钢在低温下进行退火处理会发生形变组织的回复：位错密度降低的同时，仍然保持较高的孪晶密度。孪晶可以阻碍位错的滑移，使材料在提高塑性的同时保持较高的强度。但是，大量的研究表明简单的回复退火只能提高冷轧TWIP钢的塑性，而牺牲了材料的强度，尤其是屈服强度下降明显。Berrenberg等人提出了相变回复退火的概念，利用低温退火过程中ε-马氏体向奥氏体的转变在提高塑性的同时增加TWIP钢的加工硬化率。但退火后试样的强度依然下降，仍然无法实现强度和塑性的同时提高。

中国专利 CN 105772504 A 提出了一种提高纯金属强度与塑性的方法，是采用磁控溅射与异步轧制的方法，利用微变形、室温多次轧制。专利 CN 109913627 A 提出了一种同时提高工业纯铁强度、塑性和韧性的改性方法，采用深冷大载荷冲击与均匀场低温保温处理相结合的技术手段细化组织。专利 CN 107488823 B提出了一种同时提高铝合金强度和延伸率的方法，采用的方法是将Al合金铸锭一次挤压，均匀化退火处理后再进行二次挤压，制成产品后进行固溶时效处理。专利CN 106583719 B提出一种能同时提高增材制造钛合金强度和塑性的制备方法，采用激光源将Ti合金粉末连续熔化沉积在基板上，制备得到具有界面相的Ti合金零件。

通常情况下，钢铁材料强度增加的同时，其塑性会降低，强度和塑性之间的平衡和取舍阻碍了大多数高强钢的应用。能够同时提高钢铁材料的强度和塑性，是研究人员始终追求的目标，对此类材料的开发和应用具有深远的影响。目前还没有针对奥氏体TWIP钢同时提高强度和塑性的相关专利，也没有利用回复退火和析出强化相结合来提高材料的强度和塑性的报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有的奥氏体钢材料无法有效实现同时提高强度和塑性的问题，发明一种操作简单，加工生产难度低的基于回复退火和析出强化实现奥氏体钢强度和塑性同时提高的方法。本发明另一目的在于提供一种同时具有较高钢强度和塑性的奥氏体钢。

本发明一方面提供了一种能同时提高奥氏体钢强度和塑性的方法，包括：向奥氏体钢中加入微量合金元素，对奥氏体钢进行冷轧处理，获得含有大量位错和孪晶的冷轧态高强度钢，再经低温保温处理后快速冷却。

所述的奥氏体钢为孪生诱导塑性变形（TWIP）钢。

如上所述的同时提高奥氏体钢强度和塑性的方法，包括以下步骤：

A.向奥氏体钢中加入W，同时加入V、Ti、Mo、Ni、Cr、Nb中的一种或多种元素，制备合金化奥氏体钢；

B.将步骤A得到的合金化奥氏体钢进行冷轧处理；

C.将冷轧后的试样在350℃-550℃条件下，保温0.5h-3h后快速冷却。

步骤A中各元素的加入量，以重量百分比计为：W 为0.5%-4%，优选1%-3%；V、Ti、Mo、Ni、Cr以及Nb合金含量为0.05%-5%，优选0.1%-2%。

步骤A的奥氏体钢中含有Fe、Mn以及C。以重量百分比计，Mn含量为8%-40%，优选12%-28%，C含量为0.1%-1.5%，优选0.3%-0.8%，余量为Fe。

步骤B所述冷轧处理，冷轧变形量为10%-70%。经过冷轧处理后形成含有高密度位错和孪晶的高强度钢。在步骤B冷轧前优选经过锻造和热轧处理过程。所述锻造的锻造比在2-3之间。所述的热轧开始温度为1000℃-1200℃，优选为1000℃-1100℃；终止温度为800℃-950℃，优选为800℃-900℃；总下压量为10%-70%，优选为10%-50%，最优为10%-30%。热轧为10mm-30mm厚的钢板。

步骤C中冷轧后的试样优选在400℃-500℃条件下，保温1h-2h后快速冷却。

本发明另一方面在于提供了一种奥氏体钢，其中含有W以及可选择性含有V、Ti、Mo、Ni、Cr以及Nb合金元素中的一种或多种，以重量百分比计，W含量为0.5%-4%，优选1%-3%；V、Ti、Mo、Ni、Cr以及Nb合金含量为0.05%-5%，优选0.1%-2%。

如上所述的奥氏体钢，其中含有Fe、Mn以及C。以重量百分比计，Mn含量为8%-40%，优选12%-28%，C含量为0.1%-1.5%，优选0.3%-0.8%，余量为Fe。

本发明将W元素添加到奥氏体钢中，并保持合适的W含量，可以有效形成碳钨化合物，显著提高合金的屈服强度和抗拉强度。更优选的，本发明向TWIP钢中加入Cr、Mo、Ni、Ti、V、Nb等合金元素的不同组合，通过沉淀强化和细晶强化来提高现有TWIP钢的综合机械性能。

本发明人发现添加W后的TWIP钢，再结合合适的轧制和低温保温处理过程，可以起到提高强度同时又增加塑性的意外的效果。通常材料经回复热处理后塑性会增加但强度会降低，而本发明在提高TWIP钢塑性的同时还可以增加其强度。

附图说明

图1是实施例1中试样在低温保温处理前后扫描电子显微镜下的金相照片；

其中：（a）冷轧态未经低温保温处理；（b）400℃低温保温处理1h。

图2是实施例1中试样在低温保温处理前后的透射电镜形貌图;

图3是实施例1及比较例1、比较例2中低温保温处理前后试样的拉伸实验测试结果；

图4是实施例2、实施例3及比较例3中低温保温处理前后试样的拉伸实验测试结果；

图5是实施例4及比较例4中低温保温处理前后试样的拉伸实验测试结果。

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1

按照本发明方法制备一种同时提高强度和塑性的奥氏体钢，具体步骤包括：

A. 制备含有W、Cr、Mo、Ni、Ti、V、Mn和C合金元素的TWIP钢，元素组成按质量百分比：C:0.6%，Mn:16%，W:1.5%，Cr:1%，Mo:0.2%，Ni:0.1%，Ti: 0.1%，V: 0.1%，余量为Fe。

B. 将经过锻造和热轧后的合金化TWIP钢试样，在室温下进行冷轧处理，冷轧变形量为30%。

上述锻造的锻造比为2.8。热轧的开始温度为1050℃，终止温度为850℃，总下压量为30%，热轧为20 mm厚的钢板。

C. 将冷轧后的试样在400℃的加热箱中低温保温处理1h后，快速水冷。对冷轧态和低温保温处理后的试样分别进行拉伸试验，得到相应的拉伸曲线，见图3。图3中曲线1为冷轧态试样拉伸曲线，曲线2为400℃低温保温处理1h后试样的拉伸曲线。

比较步骤C前后试样的强度和塑性变化。试样在扫描电子显微镜下的金相照片，透射电镜形貌图以及拉伸曲线图见图1-图3。从图1(a)可以看出冷轧后，试样内形成大量孪晶。低温保温处理后(图1(b))，晶粒尺寸没有发生明显变化，但晶界变的模糊。从图2(a)透射电镜图可以看出冷轧后，试样内形成高密度的位错和孪晶。低温保温处理后（图2(b)），位错和孪晶结构依然存在，并且有大量碳化物析出。从图3的拉伸曲线可以看出与冷轧态试样相比，本发明方法经低温保温处理后的试样的抗拉强度、屈服强度和延伸率均明显增加。说明本发明方法可以同时提高TWIP钢的强度和塑性。

比较例1

同实施例1，区别仅在于步骤C中将冷轧后的试样在600℃的加热箱中低温保温处理1h后，快速水冷。对600℃低温保温处理后的试样进行拉伸试验，得到相应的拉伸曲线，见图3中曲线3。

比较例2

同实施例1，区别仅在于步骤C中将冷轧后的试样在800℃的加热箱中低温保温处理1 h后，快速水冷。对800℃低温保温处理后的试样进行拉伸试验，得到相应的拉伸曲线，见图3中曲线4。

实施例1及比较例1、比较例2中，见图3中曲线1，冷轧态试样的抗拉强度为1477MPa，屈服强度1233 MPa，延伸率13.02%。实施例1中400℃热处理后试样的抗拉强度1566MPa，屈服强度1275 MPa，延伸率21.19%。说明400℃条件下低温保温处理后，材料的强度和延伸率与冷轧态相比均有所提高。比较例1中600℃热处理后试样的抗拉强度1486 MPa，屈服强度1041 MPa，延伸率22.49%。说明600℃处理后，材料的延伸率虽然提高，但屈服强度下降明显。比较例2中800℃热处理后试样的抗拉强度1226 MPa，屈服强度522 MPa，延伸率54.84%。说明800℃处理后，材料的延伸率提高很多，但屈服强度下降更为明显。

实施例2

按照本发明所述方法制备一种同时提高强度和塑性的奥氏体钢，具体步骤包括：

A. 制备含有W、Cr、Mo、Mn和C合金元素的TWIP钢，其中各化学成分的重量百分比组成为C:0.4%, Mn:18%，W:2.5%，Cr:0.2%, Mo:0.2%，余量为Fe。

B. 将经过锻造和热轧后的合金化TWIP钢试样，在室温下进行冷轧处理，冷轧变形量为10%。

C. 将冷轧后的试样在400℃的加热箱中低温保温处理1 h后，快速水冷。对冷轧态和低温保温处理后的试样分别进行拉伸试验，得到相应的拉伸曲线，见图4。图4中曲线1为冷轧态试样拉伸曲线，曲线2为400℃低温保温处理1h后试样的拉伸曲线。

实施例3

同实施例2，区别仅在于步骤C中将冷轧后的试样在450℃的加热箱中低温保温处理1 h后，快速水冷。对450℃低温保温处理后的试样进行拉伸试验，得到相应的拉伸曲线，见图4中曲线3。

比较例3

同实施例2，区别仅在于步骤C中将冷轧后的试样在700℃的加热箱中低温保温处理1 h后，快速水冷。对700℃低温保温处理后的试样进行拉伸试验，得到相应的拉伸曲线，见图4中曲线4。

实施例2、实施例3及比较例3中，见图4中曲线1，冷轧态试样的抗拉强度为952MPa，屈服强度454 MPa，延伸率53.61%。见图4中曲线2，400℃低温保温处理后试样的抗拉强度989 MPa，屈服强度581 MPa，延伸率54.62%。见图4中曲线3，450℃低温保温处理后试样的抗拉强度987 MPa，屈服强度518 MPa，延伸率56.64%。见图4中曲线4，700℃低温保温处理后试样的抗拉强度968 MPa，屈服强度401 MPa，延伸率69.79%。说明 400℃和450℃条件下低温保温处理后，材料的屈服强度、抗拉强度和延伸率与冷轧态相比均有所提高。而700℃处理后，材料的延伸率虽然提高，但屈服强度下降明显。

实施例4

A. 制备含有W、Nb、Ti、V以及Mn和C合金元素的TWIP钢，其中各化学成分的重量百分比如表1所示。元素组成：C:0.4%, Mn:18%，W:2%，Nb:0.1%, Ti:0.1%, V:0.1%，余量为 Fe。

C．将冷轧后的试样在450℃的加热箱中低温保温处理2h后，快速水冷。对冷轧态和低温保温处理后的试样分别进行拉伸试验，得到相应的拉伸曲线，见图5。图5中曲线1为冷轧态试样拉伸曲线，曲线2为450℃低温保温处理2h后试样的拉伸曲线。

比较例4

同实施例4，区别仅在于步骤C中将冷轧后的试样在600℃的加热箱中低温保温处理2 h后，快速水冷。对600℃低温保温处理后的试样进行拉伸试验，得到相应的拉伸曲线，见图5中曲线3。

实施例4及比较例4中，见图5中曲线1，冷轧态试样的抗拉强度为1322 MPa，屈服强度1082 MPa，延伸率15.34%。见图5中曲线2，450℃低温保温处理后试样的抗拉强度1323MPa，屈服强度1148 MPa，延伸率22.63%。见图5中曲线3，600℃低温保温处理后试样的抗拉强度1223 MPa，屈服强度888 MPa，延伸率34.06%。说明450℃条件下低温保温处理后，材料的强度和延伸率与冷轧态相比均有所提高。而在600℃处理后，材料的延伸率虽然提高，但屈服强度下降明显。

Claims

1.一种能同时提高奥氏体钢强度和塑性的方法，其特征在于，包括：向奥氏体钢中加入微量合金元素，对奥氏体钢进行冷轧处理，获得含有大量位错和孪晶的冷轧态高强度钢，再经低温保温处理后快速冷却。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

向奥氏体钢中加入W，同时加入V、Ti、Mo、Ni、Cr、Nb中的一种或多种元素，制备合金化奥氏体钢；

将步骤A得到的合金化奥氏体钢进行冷轧处理；

将冷轧后的试样在350℃-550℃条件下，保温0.5h-3h后快速冷却。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤A中各元素的加入量，以重量百分比计为：W 为0.5%-4%，优选1%-3%；V、Ti、Mo、Ni、Cr以及Nb合金含量为0.05%-5%，优选0.1%-2%。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤A的奥氏体钢中含有Fe、Mn以及C。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，以重量百分比计，Mn含量为8%-40%，优选12%-28%，C含量为0.1%-1.5%，优选0.3%-0.8%，余量为Fe。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤B所述冷轧处理，冷轧变形量为10%-70%。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤B冷轧前经过锻造和热轧处理过程，所述锻造的锻造比在2-3之间，所述的热轧开始温度为1000℃-1200℃，优选为1000℃-1100℃；终止温度为800℃-950℃，优选为800℃-900℃；总下压量为10%-70%，优选为10%-50%，最优为10%-30%。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，热轧为10mm-30mm厚的钢板。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤C中冷轧后的试样在400℃-500℃条件下，保温1h-2h后快速冷却。

10.一种奥氏体钢，其特征在于，其中含有W以及可选择性含有V、Ti、Mo、Ni、Cr以及Nb合金元素中的一种或多种；以重量百分比计，W含量为0.5%-4%，优选1%-3%；V、Ti、Mo、Ni、Cr以及Nb合金含量为0.05%-5%，优选0.1%-2%。

11.根据权利要求10所述的奥氏体钢，其特征在于，其中含有Fe、Mn以及C。

12.根据权利要求11所述的奥氏体钢，其特征在于，以重量百分比计，Mn含量为8%-40%，优选12%-28%，C含量为0.1%-1.5%，优选0.3%-0.8%，余量为Fe。