CN115058571A - 基于搅拌摩擦加工的具有奥氏体含量梯度高强钢制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于搅拌摩擦加工的具有奥氏体含量梯度高强钢制备方法，属于高强钢材料制备技术领域。该方法首先选用组织均匀、成分相同的高强钢板作为母材，对母材进行预处理，之后装夹固定于加工平台上；然后设定搅拌摩擦加工初始参数，加工过程中控制搅拌摩擦加工参数，得到的高强钢中厚度方向上具有奥氏体含量梯度。本发明利用搅拌摩擦工艺使钢板厚度方向存在温度场，从而使基板焊接区具有奥氏体含量梯度，该方法能耗低、绿色环保、便于应用，且可以通过进一步改善加工参数，实现高通量地一次性制备出具有多种奥氏体含量梯度的高强钢。
Description
技术领域
本发明涉及高强钢材料制备技术领域，特别是指一种基于搅拌摩擦加工的具有奥氏体含量梯度高强钢制备方法。
背景技术
高强钢是服务于国民经济发展的支柱型材料，其被应用到汽车、家电和建筑等多种行业。随着经济水平的不断提升，居民对产品类型的需求逐渐变化，对产品性能的要求逐渐提升，从而对高强钢的性能提出了新的要求。从微观组织分析，奥氏体相是高强钢，尤其是第三代先进高强钢，获得优异性能的重要因素。设计具有不同奥氏体组织特征的高强钢是未来发展的重要方向。
奥氏体含量，即奥氏体体积分数是影响高强钢力学性能的关键因素。设计具有奥氏体含量梯度的高强钢可以满足不同的服役环境，从而实现特殊的服役目的，拓宽高强钢在极端条件下的应用。
现有技术中公开了一种沿厚度方向梯度材料的制备方法及制备镁合金的应用，此方法通过填充粉末的方式，借助搅拌摩擦加工的方式，得到具有梯度效应的材料。但填充粉末使过程较为复杂，且粉末的成分、尺寸等需要认真考量，因此存在过程复杂等问题。现有技术中还公开了一种搅拌摩擦制备大尺寸梯度功能材料的方法，此方法需要多种组元复合制备梯度材料。现有技术中公开了一种基于搅拌摩擦技术的高通量块体材料制备方法，通过搅拌摩擦技术将多层不同成分的板材连接起来，得到具有梯度效应的材料。现有技术中公开了一种基于搅拌摩擦焊接的梯度功能材料的制备方法，通过搅拌摩擦技术将增强相嵌入至材料中，制备梯度材料。上述4种方法均是通过添加不同成分的组元或连接不同成分的母材，产生梯度效应。因此，在不改变成分或不添加组元的情况，利用搅拌摩擦加工产生的温度场，得到具有梯度效应的方法极有发展潜力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于搅拌摩擦加工的具有奥氏体含量梯度高强钢制备方法，不改变成分或添加组元的条件下，基于搅拌摩擦加工制备具有奥氏体含量梯度的高强钢。利用搅拌摩擦工艺使钢板厚度方向存在温度场，从而使基板焊接区具有奥氏体含量梯度。
该方法首先确定母材的成分保证在经过一定的温度场作用后组织中包含一定量的奥氏体，然后选用合适的参数进行搅拌摩擦加工，确保产生的温度场能使组织中包含奥氏体，使厚度方向上产生奥氏体含量梯度；具体包括步骤如下：
S1：选用组织均匀、成分相同的高强钢板作为母材，对母材进行预处理，之后装夹固定于加工平台上；
S2：设定搅拌摩擦加工初始参数，加工过程中控制搅拌摩擦加工参数，得到的高强钢中厚度方向上具有奥氏体含量梯度。
其中，S1中预处理包括对母材外表面的清洗、干燥和打磨，保证预处理后的母材无明显氧化物、油污残留，能够进行搅拌摩擦加工。
S2中搅拌摩擦加工初始参数包括母材板厚、搅拌针直径、搅拌针的长度，其中母材板厚范围为3.5～10mm、搅拌针直径范围为5～10mm、搅拌针的长度为2～10mm，且满足搅拌针的长度与板厚比值范围为0.5～0.85。
S2中加工过程中控制搅拌摩擦加工的搅拌针转速范围为500～2000rpm，搅拌针插入钢板的深度为完全插入，加工速度为40～150mm/min，使钢板厚度方向存在的垂直方向温度场梯度范围在2～20℃/mm。
所述S2中加工过程中，在相同搅拌摩擦加工参数下重复加工2～4次后，将板材冷却至室温后，根据需求，更换搅拌针再次进行搅拌摩擦加工。
母材的成分及厚度方向上温度场满足焊缝区冷却速率在5～15℃/s，以保证在搅拌摩擦加工后，组织中包含奥氏体。
S2中厚度方向上具有奥氏体含量梯度是指奥氏体体积分数沿母材厚度方向存在梯度。
奥氏体体积分数通过X射线衍射方法或电子背散射衍射技术方法测定。
通过进一步控制搅拌针长度与母材厚度的比值等方式实现高通量地一次性制备出具有多种奥氏体含量梯度的高强钢。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，不需要不改变成分和添加组元，操作简便，应用性强。
附图说明
图1为本发明的基于搅拌摩擦加工的具有奥氏体含量梯度高强钢制备方法制备示意图；
图2为本发明实施例中制备样品实物图；
图3为本发明实施例中根据本发明的方法得到的实际测量结果的示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种基于搅拌摩擦加工的具有奥氏体含量梯度高强钢制备方法。该方法包括步骤如下：
S1：选用组织均匀、成分相同的高强钢板作为母材，对母材进行预处理，之后装夹固定于加工平台上；
S2：设定搅拌摩擦加工初始参数，加工过程中控制搅拌摩擦加工参数，得到的高强钢中厚度方向上具有奥氏体含量梯度。
如图1，在本实施例中，所述方法首先确定母材的成分保证在经过一定的温度场作用后组织中包含一定量的奥氏体，然后选用合适的参数进行搅拌摩擦加工，确保产生的温度场能使组织中包含奥氏体，最后控制搅拌针长度与母材厚度的比值等条件使厚度方向上产生奥氏体含量梯度。
所述方法包括如下步骤：
S1，选用成分为0.1C-4.9Mn的高强钢板作为母材，其尺寸为80mm*120mm*6mm；对母材进行预处理，包括；采用240#到2000#号砂纸逐级打磨板材，去除表面氧化膜；用丙酮清洗板材，用超声波振动5分钟，清除表面油污及杂质，清洗后烘干备用；将清洗后的板材装夹固定于加工平台上；
S2，采用针长5.7mm，直径为8mm的带有螺纹的搅拌针进行搅拌摩擦加工；搅拌针转速为1000rpm，加工速度为50mm/min。完成一次加工后使搅拌针返回起点位置改变搅拌针旋转方向，重复加工。累计加工三次后，所得材料基本实现均匀混合。待板材冷却到室温后，采用针长4mm，直径为8mm的带有螺纹的搅拌针进行搅拌摩擦加工；搅拌针转速为800rpm，加工速度为100mm/min，完成搅拌摩擦加工，加工后的板材如图2所示。
沿搅拌摩擦加工后板材的厚度方向取样，对不同厚度位置的样品进行微观组织分析(X射线衍射方法)，发现随着取样深度的增加，奥氏体体积分数呈现下降的趋势，即存在含量梯度(如图3所示)。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于搅拌摩擦加工的具有奥氏体含量梯度高强钢制备方法，其特征在于，包括步骤如下：
S1：选用组织均匀、成分相同的高强钢板作为母材，对母材进行预处理，之后装夹固定于加工平台上；
S2：设定搅拌摩擦加工初始参数，加工过程中控制搅拌摩擦加工参数，得到的高强钢中厚度方向上具有奥氏体含量梯度。
2.根据权利要求1所述的基于搅拌摩擦加工的具有奥氏体含量梯度高强钢制备方法，其特征在于，所述S1中预处理包括对母材外表面的清洗、干燥和打磨，保证预处理后的母材表面无明显氧化物、油污残留，能够进行搅拌摩擦加工。
3.根据权利要求1所述的基于搅拌摩擦加工的具有奥氏体含量梯度高强钢制备方法，其特征在于，所述S2中搅拌摩擦加工初始参数包括母材板厚、搅拌针直径、搅拌针的长度，其中母材板厚范围为3.5～10mm、搅拌针直径范围为5～10mm、搅拌针的长度为2～10mm，且满足搅拌针的长度与母材板厚比值范围为0.5～0.85。
4.根据权利要求1所述的基于搅拌摩擦加工的具有奥氏体含量梯度高强钢制备方法，其特征在于，所述S2中加工过程中控制搅拌摩擦加工的搅拌针转速为500～2000rpm，搅拌针插入钢板的深度为完全插入，加工速度为40～150mm/min，使钢板厚度方向存在的垂直方向温度场梯度范围在2～20℃/mm。
5.根据权利要求1所述的基于搅拌摩擦加工的具有奥氏体含量梯度高强钢制备方法，其特征在于，所述母材的成分及厚度方向上温度场满足焊缝区冷却速率在5～15℃/s，以保证在搅拌摩擦加工后，组织中包含奥氏体。
6.根据权利要求1所述的基于搅拌摩擦加工的具有奥氏体含量梯度高强钢制备方法，其特征在于，所述S2中厚度方向上具有奥氏体含量梯度是指奥氏体体积分数沿母材厚度方向存在梯度。
7.根据权利要求6所述的基于搅拌摩擦加工的具有奥氏体含量梯度高强钢制备方法，其特征在于，所述奥氏体体积分数通过X射线衍射方法或电子背散射衍射技术方法测定。
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