CN113025794A - 一种提高Fe-Mn-Al-C系低密度钢强度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高Fe‑Mn‑Al‑C系低密度钢强度的方法,属于金属材料技术领域。所述方法步骤包括:首先对Fe‑Mn‑Al‑C系钢件进行固溶处理然后进行轧制变形处理,轧制压下量为20%‑70%,终轧温度为500‑850℃;最后于350‑600℃保温0.5‑3h进行时效处理,时效处理结束后于空气中冷却至室温,得到一种低密度高强度Fe‑Mn‑Al‑C系钢。本发明所述方法得到的Fe‑Mn‑Al‑C系低密度高强度钢的屈服强度达1370‑1900MPa,实现超高强度水平,同时延伸率保持在8%以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高Fe-Mn-Al-C系低密度钢强度的方法,属于金属材料技术领域。
背景技术
为提高燃油效率和减少CO2排放,车身轻量化已经成为汽车行业发展的重要趋势。Fe-Mn-Al-C系钢凭借其优异的强塑性匹配和低密度特性,被认为是可用于实现车身轻量化的最具潜力的钢材之一。目前这类钢的抗拉强度普遍能达到800-1300MPa的水平,密度(<7g/cm3)较传统钢材降幅超过10%,表现出极大的应用前景。
现有技术中,Fe-Mn-Al-C系低密度高强度钢的热处理工艺来一般为固溶+时效处理,其目的主要在于首先通过固溶处理形成过饱和的固溶体,再通过后续的时效处理使纳米尺寸的κ-碳化物充分析出以提供显著的析出强化,这也是这类钢高强度的主要来源。但是,时效处理往往需要耗费大量时间,比如大多需要5个小时甚至更长的时间才能达到较高的强度水平,这显然不利于生产效率的提高。此外,由于长时间的时效,在晶界处也可能会形成κ-碳化物以及其他第二相如β-Mn等,均对抗拉性能非常不利。即单一的通过调控κ-碳化物提高析出强化已很难再实现性能的进一步改善。而随着车身轻量化的不断发展,对材料性能的要求势必也会不断提高,因此,亟需结合新的手段进一步提高目前Fe-Mn-Al-C系低密度钢的强度。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种提高Fe-Mn-Al-C系低密度钢强度的方法,通过对所述Fe-Mn-Al-C系钢在时效前进行轧制变形处理,制备得到的Fe-Mn-Al-C系钢的屈服强度超过1.3GPa,并可达超高强度水平(屈服强度≥1380MPa),同时仍保持一定的塑性,显著提高Fe-Mn-Al-C系钢的屈服强度和抗拉强度。
为实现上述目的,本发明的技术方案如下:
一种提高Fe-Mn-Al-C系低密度钢强度的方法,所述方法步骤包括:
(1)对Fe-Mn-Al-C系钢件进行固溶处理,得到固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢件;
(2)将所述固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢件直接进行轧制变形处理,轧制压下量为20%-70%,终轧温度为500-850℃,轧制结束后立即淬入水中冷却至室温,得到轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢件;
(3)将所述轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢件于350-600℃保温0.5-3h进行时效处理,时效处理结束后于空气中冷却至室温,得到一种低密度高强度Fe-Mn-Al-C系钢。
优选的,以所述Fe-Mn-Al-C系钢的总质量为100%计,所述钢的化学成分质量百分比为:C 0.8-1.6%,Mn 15-30%,Al 5-10%,Cr≤5%,Mo≤3%,Nb≤0.2%,Ti≤0.5%,Si≤2%,B≤0.6%,其余为Fe及不可避免的杂质。
优选的,步骤(1)中进行固溶处理的Fe-Mn-Al-C系钢件为轧制态或锻造态。
优选的,步骤(1)中进行固溶处理的温度为950℃-1100℃,保温时间为1-3h。
优选的,步骤(2)中的轧制下压量为40%-60%。
优选的,步骤(2)中的轧制采用多个道次。
有益效果:
本发明所述方法,通过对Fe-Mn-Al-C系钢在固溶处理后时效前进行轧制变形处理,轧制过程中控制终轧温度为500-850℃,一方面避免轧制温度过高导致位错大量回复和重排,使变形过程中产生的位错被更多的保留。这有利于最终提供显著的位错强化,以及促进后续时效过程中κ-碳化物的析出,从性能方面充分发挥κ-碳化物的析出强化作用,从生产效率方面可缩短和降低析出κ所需的时效时间和时效温度,从而提高效率。另一方面极细小且弥散分布的κ-碳化物颗粒(平均尺寸低于1nm)可在降温至所采用的终轧温度的过程中析出,这些极细小的且分布弥散的κ可作为后续时效过程中κ的形成位点,有利于κ的弥散分布从而降低对塑性的不利影响。此外,在轧制过程中伴随着动态再结晶的发生,可细化晶粒,产生细晶强化。此外轧制过程中还需严格控制下压量,当轧制量低于20%时,引入的位错较少,对强度的提升和后续κ析出的促进作用不够显著,而轧制量超过70%易导致钢材的塑性较差,轧制过程中易出现开裂。本发明所述方法得到的Fe-Mn-Al-C系低密度高强度钢的屈服强度达1370-1900MPa,实现超高强度水平,同时延伸率保持在8%以上。
附图说明
图1为实施例6所述固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢的光学显微镜(OM)图;
图2为实施例6所述轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢的OM图;
图3为实施例6所述轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢的透射电子显微镜(TEM)图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
以下实施例中:
(1)拉伸试验设备:采用型号为INSTRON5985的电子万能材料试验机(美国英斯特朗);
(2)拉伸强度测试标准:GB/T228-2002;抗拉强度、屈服强度和延伸率均由拉伸试验所得的拉伸应力-应变曲线按GB/T228-2002测得。
表1为本发明实施例采用的Fe-Mn-Al-C系钢的化学成分质量百分比。
表1
实施例 | C/wt% | Mn/wt% | Al/wt% | Cr/wt% | Mo/wt% | Nb/wt% | Ti/wt% | Si/wt% | B/wt% | Fe/wt% |
1 | 0.8 | 28 | 8 | 1 | 3 | 0.2 | 0.5 | 0.5 | 0.4 | 余量 |
2 | 1.2 | 26 | 10 | 5 | 1.5 | 0.1 | - | - | 0.2 | 余量 |
3 | 1.0 | 30 | 8 | 3 | 0.8 | 0.1 | 0.2 | 1.0 | 0.3 | 余量 |
4 | 1.4 | 20 | 7 | 4 | 0.3 | - | - | 1.8 | 0.1 | 余量 |
5 | 1.6 | 15 | 5 | - | 1. | 0.1 | 0.1 | 0.8 | 0.1 | 余量 |
6 | 1.4 | 23 | 7 | - | 0.3 | 0.05 | 0.2 | 0.2 | - | 余量 |
7 | 1.6 | 29 | 9 | 1 | 0.4 | 0.07 | - | 0.6 | - | 余量 |
按表1中所对应的化学成分质量百分比称量选取原料,将原料装入真空感应炉中进行真空熔炼并得到钢锭,再于电渣炉内进行重熔,最后得到重熔后的钢锭。于1200℃保温进行均匀化处理,然后于1100-850℃进行锻造,得到一种Fe-Mn-Al-C系钢件,所述Fe-Mn-Al-C系钢件的厚度为12mm。
实施例1
一种提高Fe-Mn-Al-C系低密度钢强度的方法,所述方法步骤如下:
(1)将表1中编号1所对应的Fe-Mn-Al-C系钢件于950℃进行均热保温1h的固溶处理,得到固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢;
(2)将所述固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢出炉轧制,下压量为60%,终轧温度550℃,轧制结束后立即淬入水中冷却至室温,得到轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢;
(3)将所述轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢于600℃保温2h进行时效处理,时效处理结束后于空气中冷却至室温,得到一种低密度高强度Fe-Mn-Al-C系钢毛坯。
所述固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢的OM测试和所述轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢的OM测试结果表明,轧制后所述钢的晶粒尺寸得到细化。
所述轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢的TEM测试结果表明,轧制后所述钢中弥散分布有κ-碳化物颗粒,平均尺寸小于1nm。
实施例2
一种提高Fe-Mn-Al-C系低密度钢强度的方法,所述方法步骤如下:
(1)将表1中编号2所对应的Fe-Mn-Al-C系钢于950℃进行均热保温3h的固溶处理,得到固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢;
(2)将所述固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢出炉轧制,下压量为40%,终轧温度650℃,轧制结束后立即淬入水中冷却至室温,得到轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢;
(3)将所述轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢于550℃保温1h进行时效处理,完成后于空气中冷却至室温,得到一种低密度高强度Fe-Mn-Al-C系钢毛坯。
所述固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢的OM测试和所述轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢的OM测试结果表明,轧制后所述钢的晶粒尺寸得到细化。
所述轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢的TEM测试结果表明,轧制后所述钢中弥散分布有κ-碳化物颗粒,平均尺寸小于1nm。
实施例3
一种提高Fe-Mn-Al-C系低密度钢强度的方法,所述方法步骤如下:
(1)将表1中编号3所对应的Fe-Mn-Al-C系度钢于1100℃进行均热保温2h的固溶处理,得到固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢;
(2)将所述固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢出炉轧制,下压量为50%,终轧温度700℃,轧制结束后立即淬入水中冷却至室温,得到轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢;
(3)将所述轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢于550℃保温2h进行时效处理,完成后于空气中冷却至室温,得到一种低密度高强度Fe-Mn-Al-C系钢毛坯。
所述固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢的OM测试和所述轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢的OM测试结果表明,轧制后所述钢的晶粒尺寸得到细化。
所述轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢的TEM测试结果表明,轧制后所述钢中弥散分布有κ-碳化物颗粒,平均尺寸小于1nm。
实施例4
一种提高Fe-Mn-Al-C系低密度钢强度的方法,所述方法步骤如下:
(1)将表1中编号4所对应的Fe-Mn-Al-C系钢于950℃进行均热保温2h的固溶处理,得到固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢;
(2)将所述固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢后出炉轧制,下压量为60%,终轧温度550℃,轧制结束后立即淬入水中冷却至室温,得到轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢;
(3)将所述轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢于500℃保温3h进行时效处理,完成后于空气中冷却至室温,得到一种低密度高强度Fe-Mn-Al-C系钢毛坯。
所述固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢的OM测试和所述轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢的OM测试结果表明,轧制后所述钢的晶粒尺寸得到细化。
所述轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢的TEM测试结果表明,轧制后所述钢中弥散分布有κ-碳化物颗粒,平均尺寸小于1nm。
实施例5
一种提高Fe-Mn-Al-C系低密度钢强度的方法,所述方法步骤如下:
(1)将表1中编号5所对应的Fe-Mn-Al-C系钢于950℃进行均热保温1h的固溶处理,得到固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢;
(2)将所述固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢出炉轧制,下压量为20%,终轧温度850℃,轧制结束后立即淬入水中冷却至室温,得到轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢;
(3)将所述轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢于500℃保温3h进行时效处理,完成后于空气中冷却至室温,得到一种低密度高强度Fe-Mn-Al-C系钢毛坯。
所述固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢的OM测试和所述轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢的OM测试结果表明,轧制后所述钢的晶粒尺寸得到细化。
所述轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢的TEM测试结果表明,轧制后所述钢中弥散分布有κ-碳化物颗粒,平均尺寸小于1nm。
实施例6
一种提高Fe-Mn-Al-C系低密度钢强度的方法,所述方法步骤如下:
(1)将表1中编号6所对应的Fe-Mn-Al-C系钢于1050℃进行均热保温1h的固溶处理,得到固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢;
(2)将所述固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢出炉轧制,下压量为60%,终轧温度600℃,轧制结束后立即淬入水中冷却至室温,得到轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢;
(3)将所述轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢于450℃保温2h进行时效处理,完成后于空气中冷却至室温,得到一种低密度高强度Fe-Mn-Al-C系钢毛坯。
所述固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢的OM测试如图1所示,所述轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢的OM测试如图2所示,结果表明,轧制后所述钢的晶粒尺寸得到细化。
所述轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢的TEM测试如图3所示,结果表明,轧制后所述钢中弥散分布有κ-碳化物颗粒,平均尺寸小于1nm。
实施例7
一种提高Fe-Mn-Al-C系低密度钢强度的方法,所述方法步骤如下:
(1)将表1中编号7所对应的Fe-Mn-Al-C系钢于1050℃进行均热保温2h的固溶处理,得到固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢;
(2)将所述固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢后出炉轧制,下压量为70%,终轧温度500℃,轧制结束后立即淬入水中冷却至室温,得到轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢;
(3)将所述轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢于350℃保温2h进行时效处理,完成后于空气中冷却至室温,得到一种低密度高强度Fe-Mn-Al-C系钢毛坯。
所述固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢的OM测试和所述轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢的OM测试结果表明,轧制后所述钢的晶粒尺寸得到细化。
所述轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢的TEM测试结果表明,轧制后所述钢中弥散分布有κ-碳化物颗粒,平均尺寸小于1nm。
将实施例1-7中制得的所述毛坯经磨削加工成横截面尺寸为10×1mm,原始标距L0为20mm的标准比例拉伸试样,进行力学性能测试,结果如表2所示,σb表示拉伸强度,σ0.2表示屈服强度,A表示延伸率。
表2
实施例 | σ<sub>b</sub>/MPa | σ<sub>0.2</sub>/MPa | A/% |
1 | 1618 | 1435 | 23 |
2 | 1594 | 1373 | 27 |
3 | 1585 | 1468 | 14 |
4 | 1887 | 1722 | 9 |
5 | 1476 | 1399 | 18 |
6 | 1761 | 1646 | 8 |
7 | 2056 | 1930 | 8 |
综上所述,发明包括但不限于以上实施例,凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进,都将视为在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种提高Fe-Mn-Al-C系低密度钢强度的方法,其特征在于:所述方法步骤包括:
(1)对Fe-Mn-Al-C系钢件进行固溶处理,得到固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢件;
(2)将所述固溶处理后的Fe-Mn-Al-C系钢件直接进行轧制变形处理,轧制压下量为20%-70%,终轧温度为500-850℃,轧制结束后立即淬入水中冷却至室温,得到轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢件;
(3)将所述轧制后的Fe-Mn-Al-C系钢件于350-600℃保温0.5-3h进行时效处理,时效处理结束后于空气中冷却至室温,得到一种低密度高强度Fe-Mn-Al-C系钢。
2.如权利要求1所述的一种提高Fe-Mn-Al-C系低密度钢强度的方法,其特征在于:以所述Fe-Mn-Al-C系钢的总质量为100%计,所述钢的化学成分质量百分比为:C 0.8-1.6%,Mn15-30%,Al 5-10%,Cr≤5%,Mo≤3%,Nb≤0.2%,Ti≤0.5%,Si≤2%,B≤0.6%,其余为Fe及不可避免的杂质。
3.如权利要求1所述的一种提高Fe-Mn-Al-C系低密度钢强度的方法,其特征在于:步骤(1)中进行固溶处理的Fe-Mn-Al-C系钢件为轧制态或锻造态。
4.如权利要求1所述的一种提高Fe-Mn-Al-C系低密度钢强度的方法,其特征在于:步骤(1)中进行固溶处理的温度为950℃-1100℃,保温时间为1-3h。
5.如权利要求1所述的一种提高Fe-Mn-Al-C系低密度钢强度的方法,其特征在于:步骤(2)中的轧制下压量为40%-60%。
6.如权利要求1所述的一种提高Fe-Mn-Al-C系低密度钢强度的方法,其特征在于:步骤(2)中的轧制采用多个道次。
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