CN116288026A

CN116288026A - 高强韧twip钢及缓冲吸能薄壁圆管及制作方法和应用

Info

Publication number: CN116288026A
Application number: CN202310299487.7A
Authority: CN
Inventors: 韩福生; 韩烨
Original assignee: Anhui Zhongke High Toughness New Materials Co ltd
Current assignee: Anhui Zhongke High Toughness New Materials Co ltd
Priority date: 2023-03-24
Filing date: 2023-03-24
Publication date: 2023-06-23

Abstract

本发明公开了一种高强韧TWIP钢及缓冲吸能薄壁圆管及制作方法和应用，高强韧TWIP钢的主要成分由下列原料组分按质量百分比组成：C：0.7～1.0；Mn：26.0～30.0；Si：1.0～1.3；P：≤0.008；S：≤0.005；Cu：0.8～1.2：B：0.2～0.5；N：0.2～0.4；其余为Fe。所述缓冲吸能薄壁圆管内径60～200mm、壁厚1.0～4.0mm、长100～300mm。先进行配料、称重，然后加入到普通电弧炉内进行冶炼，最后浇注成钢锭；将钢锭分别在1150～1170℃和750℃～800℃的温度下进行锻造，形成不同规格的圆形锻坯，再通过机械加工获得不同尺寸的薄壁圆管。薄壁圆管既可单独使用，也可通过串联、填充泡沫金属或与扩孔器组合使用，轴向压缩缓冲效果明显优于传统金属材料，具有非常广泛的应用前景。

Description

高强韧TWIP钢及缓冲吸能薄壁圆管及制作方法和应用

技术领域

本发明涉及一种强化TWIP钢的低温变形技术，尤其涉及一种高强韧TWIP钢及缓冲吸能薄壁圆管及制作方法和应用。

背景技术

孪生诱发塑性钢(TWIP钢)是一种单相奥氏体钢。因在塑性变形过程中产生大量形变孪晶，使晶粒被分割成细小的亚晶粒，从而产生连续的应变硬化效应，因此具有极高的塑性和强塑积(抗拉强度与断后伸长率的乘积)，即具有非常突出的缓冲吸能性能，在冲击、减震和爆炸防护等领域有非常广泛的应用前景。TWIP钢的典型力学性能为：屈服强度250～350MPa，抗拉强度500～600MPa，断后伸长率70～85％。

材料塑性变形过程中吸收的能量或外力使材料塑性变形所做的功等于力-位移曲线下包络的面积。因此，要提高材料的吸能本领、吸能效率和承载能力，应同时提高其力-位移曲线的高度和长度，即提高其流动应力、抗拉强度及/或伸长率。

现有技术中，提高TWIP钢屈服强度和抗拉强度的方法主要是合金化和晶粒细化。由于受强化机制的限制，这两种方法在提高材料强度的同时，往往造成材料塑性大幅下降，在一定程度上抵消了强度提高对吸能本领的贡献并使吸能效率明显下降。例如，通过控制再结晶过程，可使TWIP钢的晶粒尺寸由35μm减小至0.74μm，抗拉强度由600MPa提高至900MPa左右，但断后伸长率却由72％下降至40％左右，单位质量吸能由30.6J/g下降至10.2J/g。

显然，通过现有的晶粒细化方法来提高TWIP钢的吸能性，其效果是不理想的。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供了一种高强韧TWIP钢及缓冲吸能薄壁圆管及制作方法和应用，以解决现有技术中存在的上述技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的高强韧TWIP钢，所述高强韧TWIP钢的主要由下列原料组分按质量百分比组成：

C：0.7～1.0；Mn：26.0～30.0；Si：1.0～1.3；P：≤0.008；S：≤0.005；Cu：0.8～1.2：B：0.2～0.5；N：0.2～0.4；其余为Fe；

所述高强韧TWIP钢的金相组织为单相奥氏体，晶粒呈大小不一的颗粒状，其典型力学性能为：

屈服强度400～450MPa，抗拉强度990～1050MPa，断后伸长率70～80％，强塑积70～80GPa·％。

提高上述的高强韧TWIP钢的屈服强度的方法，包括以下步骤：

(1)按目标成分进行配料，在普通电弧炉内冶炼，通过氧化、脱碳、精炼、除气和除渣操作，获得所需的化学成分，最后浇注成多边形钢锭；

(2)对钢锭进行精整后，加热至1150～1170℃的温度保温3～5小时，然后按锻比0.4～0.7进行锻造抜长，一火锻成方坯，然后自然冷却至室温；

(3)将高温锻造的方坯在电阻炉内重新加热至750℃～800℃的温度，保温1～2小时，然后一火锻至圆棒，再自然冷却至室温；

(4)将低温锻造获得的圆棒加热至600～650℃，保温0.5～1.0小时，然后出炉快速水冷，得到所需的TWIP钢棒料。

本发明的缓冲吸能薄壁圆管，将以上所得到的TWIP钢棒料机械加工成内径60～200mm、壁厚1.0～4.0mm、长100～300mm的圆管。

上述的缓冲吸能薄壁圆管的使用方法，采取以下任一种方法使用：

(a)薄壁圆管单独使用；

(b)将不同直径的薄壁圆管组合后使用，如双层管且内外管之间留有空隙、多段圆管串联组合等；

(c)在管壁上打孔后使用；

(d)在薄壁圆管内填充泡沫金属后使用；

(e)将薄壁圆管与扩孔器结合使用，通过压缩时锥环对薄壁圆管产生的扩径作用，使冲击能转换成薄壁圆管的变形能以及锥环与薄壁圆管之间的摩擦能。

与现有技术相比，本发明所提供的高强韧TWIP钢及缓冲吸能薄壁圆管及制作方法和应用，通过合金设计在材料组织中产生大量柯氏气团和强应变硬化效应，降低位错的动性；通过中温塑性加工获得高密度和组态复杂的位错，使之动性大幅下降；结合中温热处理，形成部分再结晶组织，以调控材料的综合力学性能，从而获得高屈服强度和高延性，使薄壁圆管的吸能本领和抗断裂能力同时得到提高。

附图说明

图1为现有技术普通TWIP钢的金相组织。

图2为本发明TWIP钢的金相组织。

图3为现有技术普通TWIP钢的拉伸应力-应变曲线。

图4为本发明TWIP钢的拉伸应力-应变曲线。

图5为不同薄壁圆管轴向压缩应力-应变曲线。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：

术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。

术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。

术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。

本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

提高上述的高强韧TWIP钢的屈服强度的方法，包括以下步骤：

所述步骤(1)中，单质Mn须在其它原料全部熔清后加入，同时将电炉功率升至200kW，使其快速熔化，在10分钟内熔清，熔炼结束后立即浇注成钢锭；

所述步骤(2)中，钢锭精整包括：将步骤(1)获得的钢锭进行表面车削加工并切除冒口，表皮加工量2～5mm，冒口切除后，再在其相邻的钢锭顶部切除厚25mm的材料；

所述步骤(2)中，方坯截面尺寸为100×100mm；

所述步骤(3)中，圆棒直径为φ80mm。

一种缓冲吸能薄壁圆管，将以上所得到的TWIP钢棒料机械加工成内径60～200mm、壁厚1.0～4.0mm、长100～300mm的圆管。

(a)薄壁圆管单独使用；

(c)在管壁上打孔后使用；

(d)在薄壁圆管内填充泡沫金属后使用；

所述使用方法(c)中，薄壁圆管外径80mm、壁厚4mm、长60mm；沿圆管圆周均匀分布四个方形孔，孔长50mm，宽20mm；

所述使用方法(d)中，填充用泡沫铝孔隙率88％，直径72mm，长60mm；从泡沫铝坯料上用线切割加工出圆柱形填料，尺寸为

然后将该填料压入TWIP钢薄壁圆管。

综上可见，本发明实施例的高强韧TWIP钢及缓冲吸能薄壁圆管及制作方法和应用，通过合金设计在材料组织中产生大量柯氏气团和强应变硬化效应，降低位错的动性；通过中温塑性加工获得高密度位错和复杂组态，强化对位错运动的抑制作用；结合中温热处理形成部分再结晶组织，以调控材料的综合力学性能，从而获得高屈服强度和高延性，使薄壁圆管的吸能本领和抗断裂能力同时得到提高。

本发明首先设计了一种新型TWIP钢，通过提高C含量，适当降低Mn含量，形成具有强钉扎效果的柯氏气团(Cottrell atomosphere)，从而提高开动位错所需的外加应力，使其屈服强度显著提高。同时利用该合金适中的层错能及很强的应变硬化效应，通过孪生变形和位错塞积产生连续的应变硬化，获得极高的抗拉强度和延性，从而使强塑积进一步提高。其次，通过中温塑性变形加工，提高位错的密度并形成复杂的位错组态，包括位错交割、塞积、网络和攀移等，使位错动性进一步下降，屈服强度进一步提高。最后，通过中温退火或淬火，调整塑性加工时产生的应力并形成少量的再结晶晶粒，适当提高材料的塑性。通过以上三种技术措施，可使TWIP钢的屈服强度、抗拉强度及屈强比大幅增加，获得极高的吸能本领和吸能效率。

薄壁金属圆管是一种最常见的缓冲吸能元件之一。当受到轴向压缩时，薄壁金属圆管产生逐层折叠变形，从而逐渐将冲击能消耗殆尽。薄壁金属圆管的吸能本领或缓冲力大小取决于圆管材料的屈服强度、圆管内径和壁厚。当内径和壁厚一定时，圆管材料屈服强度越高，圆管的吸能本领或缓冲力就越大。因此，要在几何尺寸一定的条件下提高薄壁金属圆管的缓冲吸能性能，就必须提高圆管材料的屈服强度。如前述，传统金属材料屈服强度提高的同时，韧性会明显下降。对于薄壁金属圆管来说，发生折叠变形时，管壁材料的伸长量是很大的，特别是在折叠后期。如果圆管材料韧性不足，将会导致管壁断裂，使圆管缓冲力和吸能本领迅速下降。如果采用延性和韧性均很突出的TWIP钢来制作薄壁缓冲管，将有望大幅提高其吸能本领。因此，将TWIP钢自身的高吸能特性与薄壁圆管的变形吸能行为相结合，将是一种非常理想的缓冲吸能结构。

根据上述分析，本发明的提高TWIP钢屈服强度的温锻和部分再结晶退火工艺以及基于高强韧TWIP钢的薄壁圆管缓冲元件，使薄壁圆管缓冲力及抗断裂性能显著提高，为改善冲击、爆炸等防护结构的服役性能提供了新途径、新方法。

为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的进行详细描述。

本发明制得的TWIP钢及相应的薄壁圆管具有以下主要特点：

1.TWIP钢的主要特点

(1)主要元素含量(wt.％)：C：0.7～1.0；Mn：26.0～30.0；Si：1.0～1.3；P：

≤0.008；S：≤0.005；Cu：0.8～1.2：B：0.2～0.5；N：0.2～0.4；其余为Fe。

(2)金相组织：单相奥氏体；晶粒呈大小不一的颗粒状。

(3)典型力学性能：屈服强度400～450MPa，抗拉强度990～1050MPa，断后伸长率70～80％，强塑积70～80GPa·％。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

(1)熔炼：将原料单质Mn、C、Fe、Cu以及BN按目标成分进行配料、称重，然后加入到电弧炉内进行冶炼。单质Mn须在其它原料全部熔清后加入，同时将电炉功率升至最大，使其快速熔化。熔炼结束后浇注成钢锭。

(2)钢锭精整：将步骤(1)获得的钢锭进行表面车削加工并切除冒口，表皮加工量2～5mm，冒口切除后，再在其相邻的钢锭顶部切除厚约25mm的材料。

(3)高温锻造：将精整后的钢锭于1150～1170℃的温度保温3～5小时，再按锻比0.4-0.7将钢锭锻造成截面尺寸为100×100mm左右的方坯，然后自然冷却至室温。

(4)低温锻造：将高温锻造形成的方坯于750～800℃的温度保温1～2小时，然后一火锻成φ80mm左右的圆棒，然后自然冷却至室温。

(5)热处理：将低温锻造获得的圆棒加热至600～650℃，保温0.5～1.0小时，然后出炉快速水冷，即得到所需的TWIP钢棒料。

2.TWIP钢薄壁圆管的主要特点

(1)圆管几何尺寸可满足缓冲元件的所有要求，包括管长、内径和壁厚。一般情况下，管长100～300mm；内径60～200mm；壁厚1.0～4.0mm。

(2)作为缓冲吸能元件，TWIP钢薄壁圆管可以采取一下任一种方法使用：

(a)薄壁圆管单独使用；

(b)将不同直径的薄壁圆管组合后使用，如双层管且内外管间留有空隙、多段圆管串联组合等；

(c)在管壁上打孔后使用；

(d)在薄壁圆管内填充泡沫金属后使用；

(e)将薄壁圆管与扩孔器(锥环)结合使用，通过压缩时锥环对薄壁圆管产生的扩径作用，使冲击能转换成薄壁圆管的变形能以及锥环与薄壁圆管之间的摩擦能。

实施例1

如图1至图5所示：

高强韧TWIP钢：主要化学成分为(wt.％)：C：0.72；Mn：27.3；Si：1.15；P：0.007；S：0.002；Cu：1.2：B：0.2；N：0.2；其余为Fe。

高强韧TWIP钢薄壁圆管：外径80mm，壁厚4mm，长60mm；沿圆管圆周均匀分布四个方形孔，孔长50mm，宽20mm。

填充用泡沫铝：孔隙率88％，直径72mm，长60mm。

制备方法如下：

(1)按目标成分进行配料，在30吨电弧炉内冶炼。待所有其它原料熔化后再加入纯Mn，同时将电炉功率升至200kW，在10分钟内熔清，随后立即进行浇注，形成700kg左右的多边形钢锭。

(2)对钢锭进行精整。包括车削钢锭表面，加工量约2mm；切割冒口及其相邻钢锭顶部材料，后者切割厚度约25mm。

(3)将精整后的钢锭于1150℃保温4小时，然后按锻比0.4进行锻造抜长，一火锻成截面尺寸为100×100mm左右的方坯。

(4)将高温锻造的方坯在电阻炉内重新加热至750℃，保温1小时，然后一火锻至直径为90mm左右的圆棒，再自然冷却至室温。

(5)将锻造获得的圆棒加热至600℃，保温0.5小时，然后出炉快速水冷，得到加工薄壁圆管所需的棒料。

(6)将热处理后的圆棒机械加工成外径80mm、壁厚4mm，长60mm的圆管，再沿圆管圆周加工出均匀分布的四个方形孔，孔长50mm、宽20mm。

(7)从泡沫铝坯料上用线切割加工出圆柱形填料，尺寸为

然后将该填料压入TWIP钢圆管。

(8)对上述填充泡沫铝前后的TWIP钢薄壁圆管以及同样尺寸的纯铝和不锈钢圆管进行轴向压缩试验，以对比考察其压缩行为和吸能特性。压缩试验前后试样的压缩应力应变曲线如图5所示。可以看出，压缩后，纯铝管已经发生了严重断裂，试管轴向已经完全断开；不锈钢以内凹和折叠变形为主，在横向方框边角处出现裂纹；TWIP钢管的变形模式与不锈钢管相近，但变形程度比不锈钢管要略小一些，无裂纹产生；填充泡沫铝后TWIP钢管的变形模式变化不大。从应力应变曲线上看，纯铝管的应力平台最低，未填充泡沫铝的TWIP钢管略高于不锈钢管，而填充泡沫铝后TWIP钢管的应力平台显著升高。由此可见，采用TWIP钢制作缓冲管，不仅吸能性优于传统材料，而且抗断裂能力明显增强，对于大载荷、强冲击条件下的缓冲吸能应用来说，具有明显的优势。如果管内再填充泡沫金属，则其吸能性将进一步提高。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims

1.一种高强韧TWIP钢，其特征在于，所述高强韧TWIP钢的主要由下列原料组分按质量百分比组成：

2.一种提高权利要求1所述的高强韧TWIP钢的屈服强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的提高高强韧TWIP钢的屈服强度的方法，其特征在于：

所述步骤(2)中，方坯截面尺寸为100×100mm；

所述步骤(3)中，圆棒直径为φ80mm。

4.一种缓冲吸能薄壁圆管，其特征在于，将权利要求2或3所得到的TWIP钢棒料机械加工成内径60～200mm、壁厚1.0～4.0mm、长100～300mm的圆管。

5.一种权利要求4所述的缓冲吸能薄壁圆管的使用方法，其特征在于，采取以下任一种方法使用：

(a)薄壁圆管单独使用；

(c)在管壁上打孔后使用；

(d)在薄壁圆管内填充泡沫金属后使用；

6.根据权利要求5所述的缓冲吸能薄壁圆管的使用方法，其特征在于：

然后将该填料压入TWIP钢薄壁圆管。