CN113151645B - 一种抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢及其制备方法 - Google Patents

一种抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢的制备方法，包括：真空熔炼、组织均匀化后锻造、组织均匀化后热轧、组织均匀化后淬火、再退火、淬火，最终得到抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢。该方法通过退火‑淬火，提升材料中奥氏体比例，调控金属间化合物的含量，进而提升材料的抗疲劳性。本发明还公开了该方法制备的抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢，材料的维氏硬度有很大提升，并且抗拉强度大，延展性好，平均伸长率高，拥有广阔的应用前景。

Description

一种抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢及其制备方法
技术领域
本发明属于新材料热处理技术领域，具体涉及一种抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢，特别地，还涉及该抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢的制备方法。
背景技术
汽车已经成为人类出行活动的重要交通工具，汽车行业对汽车用钢的性能也提出了更高的需求，对抗疲劳性优异的汽车用钢有很大需求。疲劳断裂是金属材料失效的主要形式，其包括裂纹萌生、裂纹扩展、断裂三个阶段。根据疲劳失效机制特点，分为低周疲劳(104<Nf<105)、高周疲劳(105<Nf<107)、超高周疲劳(Nf>107)。低周疲劳机制下，外部载荷超过材料屈服强度，造成裂纹萌生数量多点化，裂纹传播进一步促进了裂纹联合现象的生成，加快了裂纹传播速度。高周疲劳机制下，虽然载荷低于材料屈服强度，但是由于材料组织的非均匀性或者表面存在的缺陷，使得微观屈服成为可能并且激发裂纹萌生。超高周疲劳机制下，失效起因于材料内部夹杂物捕捉环境中的氢形成由内而外的裂纹传播。
钢铁材料中存在奥氏体塑性变形成为马氏体的现象(TRIP)，这种现象可以提高钢铁材料强度和塑性，使钢铁材料拥有较高的疲劳强度，以及优良的成形加工性能和冲击韧性。目前广泛应用的TRIP多相钢，因为疲劳裂纹尖端的奥氏体塑性变形成为马氏体是局部强化过程，大大延缓了裂纹扩展。
在具备TRIP效应的马氏体时效钢中，晶粒细化的奥氏体分布在时效板条马氏体晶界上，呈现出层片状的微观结构。这种层片状的微观结构会造成频繁的偏转的疲劳裂纹扩展路径，该现象可以激发裂纹粗糙度诱导裂纹闭合效应(RICC)。典型的应用案例是微组织中含有珠光体的材料。
汽车已经成为人类出行活动的重要交通工具，目前行业对汽车用钢的性能也提出了更高的需求，开发出抗疲劳性优异的汽车用钢有重要的意义，可以通过叠加多种裂纹闭合效应降低疲劳裂纹扩展速率。
发明内容
本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：通过时效处理得到的金属间化合物可以强化板条马氏体。但过量的金属间化合物对金属抗疲劳性有不利的影响。结合以上，可以通过改变奥氏体形态，包括尺寸和层片间距，调控金属间化合物的量，来进一步提升马氏体时效钢的抗疲劳性。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的实施例提出一种抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢及其制备方法，通过钢铁材料中存在奥氏体塑性变形成为马氏体的现象，和时效处理得到的含有金属间化合物的板条马氏体，以及钢铁材料的层片状的微观结构会造成疲劳裂纹扩展路径呈现出频繁的偏转，激发裂纹粗糙度诱导裂纹闭合效应，这些可以提升材料强度。提出了一种进一步提高马氏体时效钢抗疲劳性的方法。
根据本发明实施例的抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢的制备方法，其中，包括如下步骤：
a、将马氏体时效钢原料真空下熔炼成钢水，浇筑成铸锭；
b、将所述步骤a中铸锭进行组织均匀化处理，锻造成板坯，空冷至室温；
再进行组织均匀化处理，然后进行热轧处理，将得到板材空冷至室温；
c、将所述步骤b所得板材进行组织均匀化处理，随后进行淬火、退火、再淬火，得到高延展性马氏体时效钢。
根据本发明实施例的抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢的制备方法带来的优点和技术效果，1、本发明实施例的方法，在多次组织均匀化后的退火过程中，马氏体逆向转变奥氏体，奥氏体均匀分布在时效马氏体片层间，奥氏体尺寸增大，奥氏体的含量升高，由此当疲劳裂纹尖端的残留奥氏体被激发，生成相变诱导塑性效应，变形成为马氏体时，材料的强度和塑性会进一步提高；2、本发明实施例的方法，退火时板条马氏体内部会析出硬质相金属间化合物，金属间化合物数量和体积增加，强化了拦截位错运动的作用，金属间化合物可以进一步强化板条马氏体，但随着退火的进行，硬质相金属间化合物生成过量后，反而对抗疲劳性有不利的影响，为此通过淬火调控硬质相金属间化合物的量，使其保持在对钢材性能有利的范围内；3、本发明实施例的方法，通过这种退火-淬火的方法，可以形成层片状的内部结构，过高倍观察，发现裂纹呈现出粗糙的非匹配的形貌，有助于激发粗糙度诱导裂纹闭合效应。
根据本发明实施例的抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢的制备方法，其中，所述步骤a中，熔炼温度为1500～1560℃。
根据本发明实施例的抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢的制备方法，其中，所述步骤b中，组织均匀化处理的温度为900～1200℃，时间为0.5～4h。
根据本发明实施例的抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢的制备方法，其中，所述步骤b中，所述热轧处理，道次为4～6次，其中开轧温度为1150℃，终轧温度为900℃。
根据本发明实施例的抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢的制备方法，其中，所述步骤c中，组织均匀化处理的温度为910～1200℃，时间为1～2h。
根据本发明实施例的抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢的制备方法，其中，所述步骤c中，淬火方式为油冷、水冷或盐水淬火。
根据本发明实施例的抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢的制备方法，其中，所述步骤c中，所述退火温度为400～700℃，退火时间为0.5～15h。
根据本发明实施例的抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢，为采用本发明实施例抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢的制备方法制备得到。
根据本发明实施例的抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢带来的优点和技术效果，1、在抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢中，优异的抗疲劳特性得益于奥氏体相变为马氏体，从而提升局部强度；2、马氏体内部会析出适量的硬质相金属间化合物，适量的金属间化合物强化了拦截位错运动的作用，进一步强化板条马氏体；3、这种层片状结构造成裂纹沿着晶界连续偏转，通过高倍观察，发现裂纹呈现出粗糙的非匹配的形貌，这有助于激发粗糙度诱导裂纹闭合效应。
根据本发明实施例的抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢，其中，其金属微观组织包括残留奥氏体和时效马氏体。
根据本发明实施例的抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢，其中，所述残留奥氏体形貌特征为薄膜状，沿着时效马氏体板条晶界分布，残留奥氏体与时效马氏体共同形成层片状结构。
附图说明
图1是实施例1的奥氏体与时效马氏体的层片状结构EBSD图；
图2是实施例1的奥氏体相变马氏体后的EBSD分布图；
图3是实施例1的裂纹沿着晶界连续偏转的光学显微镜图；
图4是实施例1的裂纹呈现粗糙非匹配形貌的BSE图；
图5是实施例1的裂纹闭合效应的BSE图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
根据本发明实施例的抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢的制备方法，其中，包括如下步骤：
a、将马氏体时效钢原料真空下熔炼成钢水，浇筑成铸锭；
b、将所述步骤a中铸锭进行组织均匀化处理，锻造成板坯，空冷至室温；
再进行组织均匀化处理，然后进行热轧处理，将得到板材空冷至室温；
c、将所述步骤b所得板材进行组织均匀化处理，随后进行淬火、退火、再淬火，得到高延展性马氏体时效钢。
根据本发明实施例的抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢的制备方法带来的优点和技术效果，1、本发明实施例的方法，在多次组织均匀化后的退火过程中，马氏体逆向转变奥氏体，奥氏体均匀分布在时效马氏体片层间，奥氏体尺寸增大，奥氏体的含量升高，由此当疲劳裂纹尖端的残留奥氏体被激发，生成相变诱导塑性效应，变形成为马氏体时，材料的强度和塑性会进一步提高；2、本发明实施例的方法，退火时板条马氏体内部会析出硬质相金属间化合物，金属间化合物数量和体积增加，强化了拦截位错运动的作用，金属间化合物可以进一步强化板条马氏体，但随着退火的进行，硬质相金属间化合物生成过量后，反而对抗疲劳性有不利的影响，为此通过淬火调控硬质相金属间化合物的量，使其保持在对钢材性能有利的范围内；3、本发明实施例的方法，通过这种退火-淬火的方法，可以形成层片状的内部结构，过高倍观察，发现裂纹呈现出粗糙的非匹配的形貌，有助于激发粗糙度诱导裂纹闭合效应。
根据本发明实施例的抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢的制备方法，其中，所述步骤b中，锻造前组织均匀化处理的温度为900～1200℃，时间为0.5～4h，优选的，温度为1150℃，时间为2.5h。锻造得到的板坯厚度为50～100mm；锻造后的组织均匀化处理的温度为900～1200℃，时间为0.5～4h，优选的，温度为1200℃，时间为3h。均匀化温度过低或保温时间不充分，会造成元素偏析不均匀，从而导致析出相分布不均匀；均匀化温度过高或保温时间过长，会造成晶粒尺寸过大，降低材料强度。热轧处理的道次为4～6次，其中开轧温度为1150℃，终轧温度为900℃，得到的板材厚度为20mm。
根据本发明实施例的抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢的制备方法，其中，所述步骤c中，组织均匀化处理的温度为910～1200℃，时间为1～2h，优选的，组织均匀化处理的温度为950～1100℃，时间为1.5h；淬火方式为油冷、水冷或盐水淬火，优选的，淬火方式为盐水淬火；退火温度为400～700℃，退火时间为0.5～15h，优选的，退火温度为500℃，退火时间为3h。退火温度过低或保温时间过短，造成马氏体逆向转变的奥氏体尺寸过小，甚至无法实现马氏体逆向转变奥氏体；退火温度过高或保温时间过长，造成奥氏体连续性强，尺寸过大。
根据本发明实施例的抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢，采用本发明实施例抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢的制备方法制备得到。
根据本发明实施例的具有的独立权利要求带来的优点和技术效果，1、在抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢中，优异的抗疲劳特性得益于奥氏体相变为马氏体，从而提升局部强度；2、马氏体内部会析出适量的硬质相金属间化合物，适量的金属间化合物强化了拦截位错运动的作用，进一步强化板条马氏体；3、这种层片状结构造成裂纹沿着晶界连续偏转，通过高倍观察，发现裂纹呈现出粗糙的非匹配的形貌，这有助于激发粗糙度诱导裂纹闭合效应。
根据本发明实施例的抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢，其中，其主要成分质量百分比为：C：0.005～0.025、Al：0.76～1.82、Ni：2.0～3.5、Mn：7.0～13.0、Mo：0.005～1.35，Ti：0.002～1.5、Si：0.003～0.07，其余部分为Fe；其金属微观组织包括残留奥氏体和时效马氏体，其中，残留奥氏体形貌特征为薄膜状，沿着时效马氏体板条晶界分布，残留奥氏体与时效马氏体共同形成层片状结构。Mn改善了马氏体逆向转变奥氏体后的稳定性，并且与Ni和Al共同形成金属间化合物Ni2MnAl。
残留奥氏体形貌特征为薄膜状，沿着时效马氏体板条晶界分布，奥氏体与时效马氏体共同形成层片状结构。随着退火时间增加，残留奥氏体含量由8增加至46％，平均尺寸宽度为从90nm增加至600nm。金属间化合物平均直径由2nm增加至15nm。
疲劳测试频率为30～50Hz，应力比为-1，得到的疲劳极限为340～420MPa。低周疲劳机制下(104<Nf<105),可以承重外载荷为580～880MPa。抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢的表面维氏硬度提升了110～200；在静态拉伸试验表现中，抗拉强度为880～950MPa，延展性为22.4～32.4％，平均伸长率为8～22.6％。
下面结合实施例详细描述本发明。
实施例1
将马氏体时效钢原料在真空感应炉中进行熔炼，其中炉温1520℃，浇铸成铸锭。将铸锭组织均匀化处理，加热至1150℃，恒温处理2.5h，然后锻造成厚度为75mm板坯，随后空冷至室温。再次进行组织均匀化处理板坯，加热至1200℃，恒温处理3h，然后进行热轧处理，其中开轧温度为1150℃，终轧温度为900℃，道次为5次，得到板厚为15mm的板材，以空冷方式冷却至室温。将轧制后的组织均匀化处理，加热至1000℃，恒温处理1.5h，在盐水中淬火，再进行退火处理，退火温度500℃，退火时间3h，随后进行盐水淬火，得到高延展性马氏体时效钢。
如图1所示，残留奥氏体形貌特征为薄膜状，沿着时效马氏体板条晶界分布，奥氏体与时效马氏体共同形成层片状结构。残留奥氏体含量为30％，平均尺寸宽度为300nm。金属间化合物平均直径为10nm。
如图2所示，在裂纹的边缘只能看到马氏体存在，看不到奥氏体存在，这表明在裂纹边缘出现了残留奥氏体相变马氏体的现象，这种现象的发生可以提升局部强度，使其表现出优异的抗疲劳特性。
如图3所示，层片状结构造成裂纹沿着晶界连续偏转，并且在如图4所示中裂纹呈现出粗糙的非匹配的形貌，这种形貌有助于激发出如图5所示的裂纹闭合效应，降低疲劳裂纹扩展速度。
在性能测试中，疲劳样件尺寸遵从标准GB/T 3075-2008。测试频率为50Hz，应力比为-1，得到的疲劳极限为420MPa。低周疲劳机制下(104<Nf<105)，对应最大外载荷为880MPa，样件的维氏硬度由420提升至620；抗拉强度950MPa，延展性32.4％，平均伸长率22.6％。
实施例2
将马氏体时效钢原料在真空感应炉中进行熔炼，其中炉温1500℃，浇铸成铸锭。将铸锭组织均匀化处理，加热至900℃，恒温处理4h，然后锻造成厚度为60mm板坯，随后空冷至室温。再次进行组织均匀化处理板坯，加热至1050℃，恒温处理3.5h，然后进行热轧处理，其中开轧温度为1150℃，终轧温度为900℃，道次为4次，得到板厚为25mm的板材，以空冷方式冷却至室温。将轧制后的组织均匀化处理，加热至910℃，恒温处理2h，在常温水中淬火，再进行退火处理，退火温度400℃，退火时间8h，随后采用常温水完成淬火，得到高延展性马氏体时效钢。
在性能测试中，疲劳样件尺寸遵从标准GB/T 3075-2008，测试频率为50Hz，应力比为-1，得到的疲劳极限为400MPa。低周疲劳机制下(104<Nf<105)，对应最大外载荷为850MPa，样件的维氏硬度由430提升至550；抗拉强度920MPa，延展性29％，平均伸长率14％。
实施例3
将马氏体时效钢原料在真空感应炉中进行熔炼，其中炉温1560℃，浇铸成铸锭。将铸锭组织均匀化处理，加热至1200℃，恒温处理1.5h，然后锻造成厚度为85mm板坯，随后空冷至室温。再次进行组织均匀化处理板坯，加热至900℃，恒温处理4h，然后进行热轧处理，其中开轧温度为1150℃，终轧温度为900℃，道次为6次，得到板厚为20mm的板材，以空冷方式冷却至室温。将铸锭组织均匀化处理，加热至1200℃，恒温处理1h，在油中淬火，再进行退火处理，退火温度700℃，退火时间1h，随后采用油冷完成淬火，得到高延展性马氏体时效钢。
在性能测试中，疲劳样件尺寸遵从标准GB/T 3075-2008，测试频率为50Hz，应力比为-1，得到的疲劳极限为400MPa。低周疲劳机制下(104<Nf<105)，对应最大外载荷为850MPa，样件的维氏硬度由450提升至550；抗拉强度935MPa，延展性27％，平均伸长率13％。
对比例1
与实施例的方法基本相同，其不同之处在于，退火温度为300℃，保温时间0.5h，随后进行冷水淬火。在对比例1所得样件的性能测试中，疲劳样件尺寸遵从标准GB/T 3075-2008。测试频率为50Hz，应力比为-1，得到的疲劳极限为300MPa。低周疲劳机制下(104<Nf<105)，对应外载荷为750MPa，样件的维氏硬度由500提升至520；抗拉强度920MPa，延展性19％，平均伸长率4％。
对比例2
与实施例的方法基本相同，其不同之处在于，没有进行退火处理。在性能测试中，疲劳样件尺寸遵从标准GB/T 3075-2008。测试频率为50Hz，应力比为-1，得到的疲劳极限为290MPa。低周疲劳机制下(104<Nf<105)，对应外载荷为740MPa，样件的维氏硬度由520提升至540；抗拉强度925MPa，延展性17％，平均伸长率3％。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、将马氏体时效钢原料真空下熔炼成钢水，浇铸成铸锭；
b、将所述步骤a中铸锭进行第一次组织均匀化处理，锻造成板坯，空冷至室温，再进行第二次组织均匀化处理，然后进行热轧处理，将得到板材空冷至室温，其中，所述第一次组织均匀化处理和第二次组织均匀化处理的温度为900～1200℃，时间为0.5～4h；
c、将所述步骤b所得板材进行第三次组织均匀化处理，所述第三次组织均匀化处理的温度为910～1200℃，时间为1～2h，随后进行淬火、退火、再淬火，所述退火温度为400～700℃，得到高延展性马氏体时效钢。
2.根据权利要求1所述的抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢的制备方法，其特征在于，所述步骤a中，所述熔炼温度为1400～1650℃。
3.根据权利要求1所述的抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢的制备方法，其特征在于，所述步骤b中，所述热轧处理，道次为4～6次，其中开轧温度为1150℃，终轧温度为900℃。
4.根据权利要求1所述一种抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢的制备方法，其特征在于，所述步骤c中，所述淬火方式为油冷、水冷或盐水淬火。
5.根据权利要求1所述一种抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢的制备方法，其特征在于，所述步骤c中，所述退火时间为0.5～15h。
6.一种抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢，其特征在于，采用权利要求1-5中任一项所述的方法制备。
7.根据权利要求6所述的抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢，其特征在于，其金属微观组织包括残留奥氏体和时效马氏体。
8.根据权利要求7所述的抗疲劳性优异的高延展性马氏体时效钢，其特征在于，所述残留奥氏体形貌特征为薄膜状，沿着时效马氏体板条晶界分布，残留奥氏体与时效马氏体共同形成层片状结构。
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