CN116732297A - 一种含铌高强双相钢及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料热处理技术领域，涉及一种含铌高强双相钢及其制备方法和应用，控轧控冷工艺得到的双相钢热轧板卷进行回火得到含铌高强双相钢，所述含铌高强双相钢的组织由3~11%的铁素体和89~97%的马氏体组成，其晶粒为长条状，晶粒平均尺寸为1.8~2.1μm，屈服强度≥1050MPa，抗拉强度≥1150MPa，硬度≥40HRC，延伸率≥15.5%，能够满足汽车用钢的新的发展趋势的要求。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料热处理技术领域，具体为一种含铌高强双相钢及其制备方法和应用。
背景技术
目前，汽车用钢向高强化和轻量化方向发展已是必然趋势。双相钢（DP）由硬相马氏体相和软相铁素体相构成，具有良好的强塑性、低屈强比、高初始加工硬化率、良好的成形性及抗疲劳性能等，可满足汽车多种部件的应用条件。但随着汽车轻量化发展趋势，传统的双相钢已不满足需求，通过添加微合金元素进行微合金化可进一步提高双相钢的机械性能，微合金化指的是在钢铁材料原有成分的基础上加入微量的合金元素，以达到提高钢铁的强度、硬度以及韧性的目的；常见的微合金元素有Nb、Ti和V三种元素，但是在进行微合金化的同时如何与热处理工艺配合实现双相钢的进一步强化以满足汽车用钢的新的发展趋势还有待进一步研究。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提出一种含铌高强双相钢及其制备方法和应用。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种含铌高强双相钢的制备方法，所述含铌高强双相钢的组织由3~11%的铁素体和89~97%的马氏体组成；包括如下步骤：
S1.控轧控冷工艺得到双相钢热轧板卷；
S2.双相钢热轧板卷进行回火得到含铌高强双相钢，回火温度为200~400℃，回火时间为30~50min。
作为本发明所述的一种含铌高强双相钢的制备方法的优选方案，其中：所述含铌高强双相钢的铌元素含量，按重量百分比计，为Nb 0.015~0.025wt%。
作为本发明所述的一种含铌高强双相钢的制备方法的优选方案，其中：所述含铌高强双相钢的化学成分按重量百分比计，包括：C 0.13~0.15wt%，Si 1.1~1.4wt%，Mn 1.6~1.7wt%，Al 0.4~0.6wt%，Ti 0.015~0.025wt%，Nb 0.015~0.025wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。
作为本发明所述的一种含铌高强双相钢的制备方法的优选方案，其中：所述含铌高强双相钢的晶粒为长条状，晶粒平均尺寸为1.8~2.1μm。
作为本发明所述的一种含铌高强双相钢的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，控轧控冷工艺为三级冷却，具体为：
第一阶段：一次水冷；
第二阶段：空冷；
第三阶段：二次水冷，二次水冷的冷速大于一次水冷的冷速。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种含铌高强双相钢，采用上述含铌高强双相钢的制备方法制备得到。
作为本发明所述的一种含铌高强双相钢的优选方案，其中：所述含铌高强双相钢的屈服强度≥1050MPa，抗拉强度≥1150MPa。
作为本发明所述的一种含铌高强双相钢的优选方案，其中：所述含铌高强双相钢的硬度≥40HRC。
作为本发明所述的一种含铌高强双相钢的优选方案，其中：所述含铌高强双相钢的延伸率≥15.5%。
一种上述的含铌高强双相钢的制备方法制备得到的含铌高强双相钢或上述的含铌高强双相钢在汽车领域的应用。
本发明的有益效果如下：
本发明提出一种含铌高强双相钢及其制备方法和应用，控轧控冷工艺得到的双相钢热轧板卷进行回火得到含铌高强双相钢，所述含铌高强双相钢的组织由3~11%的铁素体和89~97%的马氏体组成，其晶粒为长条状，晶粒平均尺寸为1.8~2.1μm，屈服强度≥1050MPa，抗拉强度≥1150MPa，硬度≥40HRC，延伸率≥15.5%，能够满足汽车用钢的新的发展趋势的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明含铌高强双相钢EBSD图；
图2为本发明实施例1的含铌高强双相钢的OM图；
图3为本发明实施例1的含铌高强双相钢的TEM图；
图4为本发明对比例1的双相钢的OM图；
图5为本发明对比例1的双相钢的TEM图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的主要目的是提出一种含铌高强双相钢及其制备方法和应用，控轧控冷工艺得到的双相钢热轧板卷进行回火得到含铌高强双相钢。
钢的强化并不是由单一的强化机制决定的，多数情况下，是由几种机制叠加而获得的；一般来说，双相钢的强度主要是通过细晶强化、位错强化、析出强化和固溶强化共同作用来实现。低碳钢中材料的屈服强度“”可用公式（1）表示：
（1）
式中：为屈服强度；/>为晶格摩擦应力（取54MPa）；/>、/>
和分别为细晶强化增量、析出强化增量、位错强化增量和固溶强化增量。
细晶强化是双相钢强化机制中对重要的强化方式之一，晶粒越细小，材料强度越高。铌元素在轧制过程中能抑制再结晶及再结晶后晶粒长大，显著细化了晶粒；细晶强化增量用Hall-Petch公式计算：
（2）
式中：为常数（取0.19MPa/μm1/2）；d为平均晶粒尺寸；
相同条件下，位错的累积和位错间的相互作用越强烈局域取向差值越高，故平均取向差可以反映位错的密度和分布状态，含铌高强双相钢的应力集中在马氏体的界面，在铁素体/马氏体边界处有高密度位错，这是由于马氏体相变导致马氏体体积膨胀，挤压周围铁素体被压迫变形，从而在铁素体晶粒内部以及铁素体/马氏体边界处，形成了大量的可动位错；利用Williamson-Hall法计算位错密度：
（3）
式中：为半高宽（单位为弧度）；K为谢乐常数（取0.9）；λ为x射线波长（取0.15406nm）；D为平均晶粒尺寸。
BCC结构金属材料中位错密度（ρ）与应变之间的关系如式（4）所示：
（4）
式中：B为与材料弹性模量及位错组态有关的一个常数（取14.4）；b为伯氏矢量（取0.0245nm）。铌微合金后试验钢位错明显增加，结果与KAM图一致。位错强化增量用Bailey-Hirsch关系式计算：
（5）
式中：α是与晶体结构相关的常数介于0.2和0.5之间（取0.25）；M为Taylor因子（取3）；G为剪切模量（取76GPa）；b为柏氏矢量（取0.245nm）；ρ为位错密度。
析出强化是金属材料一定条件下在母相析出细小的新相，得到的新相与母相界面为共格界面，在变形中析出相与位错发生交互作用，引起材料屈服强度的升高，本发明含铌高强双相钢的析出相主要是Ti（C、N）和Nb（C、N），包括方形析出相和椭圆形析出相，方形析出相为富Ti的Ti（C、N），椭圆形析出相为富Nb的Nb（C、N）。但由于本发明含铌高强双相钢的析出相较少，故本发明含铌高强双相钢的析出强化效果可以忽略。
固溶强化是一种有效提高材料强度的强化方式，表现形式为实验钢基体的强化作用，通过添加合金元素，使其占据原有晶格原子位置或融入金属晶格间隙之中，引起晶体晶格点阵的畸变，晶体内部应力场发生变化，位错运动受到阻碍，形变抗力增加，从而对钢基体的强度起到强化的作用；固溶强化增量公式为：
（6）
式中：[M]表示为各合金元素固溶在基体中的数值，Mn、Si、Ti元素采用合金元素含量。对于低碳双相钢（含碳量≤0.20%），双相钢中的大部分碳不处于固溶体中，而是偏聚于位错上，形成柯氏气团，由此认为在含碳量≤0.20%时，碳的直接强化作用是位错强化，其固溶强化增量视为“0”。
根据式（1）~式（6）计算得出强化机制对钢的强化增量，可以得出，本发明含铌高强双相钢的主要强化机制是位错强化和细晶强化，分别占总强度的45~50%和30~40%。
根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种含铌高强双相钢的制备方法，所述含铌高强双相钢的组织由3~11%的铁素体和89~97%的马氏体组成（如图1所示）；包括如下步骤：
S1.控轧控冷工艺得到双相钢热轧板卷；
S2.双相钢热轧板卷进行回火得到含铌高强双相钢，回火温度为200~400℃，回火时间为30~50min。
优选的，所述含铌高强双相钢的化学成分按重量百分比计，包括：C 0.13~0.15wt%，Si 1.1~1.4wt%，Mn 1.6~1.7wt%，Al 0.4~0.6wt%，Ti 0.015~0.025wt%，Nb 0.015~0.025wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。具体的，含铌高强双相钢的铁素体的占比可以为例如但不限于3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%中的任意一者或任意两者之间的范围；含铌高强双相钢的马氏体的占比可以为例如但不限于89%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%中的任意一者或任意两者之间的范围；
优选的，所述含铌高强双相钢的晶粒为长条状，晶粒平均尺寸为1.8~2.1μm。具体的，晶粒平均尺寸可以为例如但不限于1.8μm、1.85μm、1.9μm、1.95μm、2.0μm、2.05μm、2.1μm中的任意一者或任意两者之间的范围；
优选的，所述步骤S1中，控轧控冷工艺为三级冷却，具体为：
第一阶段：一次水冷，控制相变前奥氏体的组织状态；
第二阶段：空冷，进入奥氏体开始向铁素体转变阶段，得到部分铁素体组织；
第三阶段：二次水冷，二次水冷的冷速大于一次水冷的冷速；快速水冷促进奥氏体转变成马氏体，得到部分马氏体组织。
优选的，所述步骤S2中，回火温度可以为例如但不限于200℃、250℃、300℃、350℃、400℃中的任意一者或任意两者之间的范围；回火时间可以为例如但不限于30min、35min、40min、45min、50min中的任意一者或任意两者之间的范围。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种含铌高强双相钢，采用上述含铌高强双相钢的制备方法制备得到。
优选的，所述含铌高强双相钢的屈服强度≥1050MPa，抗拉强度≥1150MPa，硬度≥40HRC，延伸率≥15.5%。
以下结合具体实施例对本发明技术方案进行进一步说明。
各实施例采用的含铌高强双相钢的化学成分如表1所示。
表1 各实施例TWIP钢的化学成分（wt%）
实施例1
本实施例提供一种含铌高强双相钢的制备方法，包括如下步骤：
S1.控轧控冷工艺得到双相钢热轧板卷；控轧控冷工艺为三级冷却，具体为：第一阶段：一次水冷；第二阶段：空冷；第三阶段：二次水冷。
S2.双相钢热轧板卷进行回火得到含铌高强双相钢（OM图和TEM图分别如图2、图3所示），回火温度为300℃，回火时间为40min。本实施例制备的含铌高强双相钢由3.2%的铁素体和96.8%的马氏体组成，晶粒平均尺寸为2.05μm，屈服强度为1143MPa，抗拉强度为1236MPa，硬度为45HRC，延伸率为16%。
实施例2
本实施例提供一种含铌高强双相钢的制备方法，包括如下步骤：
S1.控轧控冷工艺得到双相钢热轧板卷；控轧控冷工艺为三级冷却，具体为：第一阶段：一次水冷；第二阶段：空冷；第三阶段：二次水冷。
S2.双相钢热轧板卷进行回火得到含铌高强双相钢，回火温度为400℃，回火时间为40min。本实施例制备的含铌高强双相钢由11.0%的铁素体和89.0%的马氏体组成，晶粒平均尺寸为1.81μm，屈服强度为1098MPa，抗拉强度为1175MPa，硬度为40HRC，延伸率为15.5%。
实施例3
本实施例提供一种含铌高强双相钢的制备方法，包括如下步骤：
S1.控轧控冷工艺得到双相钢热轧板卷；控轧控冷工艺为三级冷却，具体为：第一阶段：一次水冷；第二阶段：空冷；第三阶段：二次水冷。
S2.双相钢热轧板卷进行回火得到含铌高强双相钢，回火温度为300℃，回火时间为30min。本实施例制备的含铌高强双相钢由3.5%的铁素体和96.5%的马氏体组成，晶粒平均尺寸为2.03μm，屈服强度为1121MPa，抗拉强度为1214MPa，硬度为42HRC，延伸率为15.6%。
实施例4
本实施例提供一种含铌高强双相钢的制备方法，包括如下步骤：
S1.控轧控冷工艺得到双相钢热轧板卷；控轧控冷工艺为三级冷却，具体为：第一阶段：一次水冷；第二阶段：空冷；第三阶段：二次水冷。
S2.双相钢热轧板卷进行回火得到含铌高强双相钢，回火温度为300℃，回火时间为50min。本实施例制备的含铌高强双相钢由3.1%的铁素体和96.9%的马氏体组成，晶粒平均尺寸为1.99μm，屈服强度为1124MPa，抗拉强度为1219MPa，硬度为43HRC，延伸率为15.8%。
实施例5
本实施例提供一种含铌高强双相钢的制备方法，包括如下步骤：
S1.控轧控冷工艺得到双相钢热轧板卷；控轧控冷工艺为三级冷却，具体为：第一阶段：一次水冷；第二阶段：空冷；第三阶段：二次水冷。
S2.双相钢热轧板卷进行回火得到含铌高强双相钢，回火温度为200℃，回火时间为40min。本实施例制备的含铌高强双相钢由7.1%的铁素体和92.9%的马氏体组成，晶粒平均尺寸为2.02μm，屈服强度为1176MPa，抗拉强度为1288MPa，硬度为47HRC，延伸率为16%。
对比例1
本对比例提供一种双相钢的制备方法，其与实施例的不同之处在于，
双相钢不含Nb。其制备得到的双相钢的OM图和TEM图分别如图4、图5所示。本对比例制备的双相钢由82.8%的铁素体和17.2%的马氏体组成，晶粒平均尺寸为2.15μm，屈服强度为910MPa，抗拉强度为1009MPa，硬度为40HRC，延伸率为24%。
对比例2
本对比例提供一种双相钢的制备方法，其与实施例的不同之处在于，
双相钢不含Ti。本对比例制备的双相钢由63.4%的铁素体和36.6%的马氏体组成，晶粒平均尺寸为2.36μm，屈服强度为832MPa，抗拉强度为915MPa，硬度为37HRC，延伸率为25%。
对比例3
本对比例提供一种双相钢的制备方法，其与实施例的不同之处在于，
双相钢不含Ti和Nb。本对比例制备的双相钢由90.7%的铁素体和9.3%的马氏体组成，晶粒平均尺寸为2.86μm，屈服强度为715MPa，抗拉强度为824MPa，硬度为32HRC，延伸率为36%。
对比例4
本对比例提供一种双相钢的制备方法，其与实施例的不同之处在于，
回火温度为450℃。本对比例制备的双相钢由2.0%的铁素体和98.0%的马氏体组成，晶粒平均尺寸为1.94μm，屈服强度为903MPa，抗拉强度为981MPa，硬度为36HRC，延伸率为16.5%。
对比例5
本对比例提供一种双相钢的制备方法，其与实施例的不同之处在于，
控轧控冷工艺采用水冷。本对比例制备的双相钢几乎全是马氏体，晶粒平均尺寸为1.82μm，屈服强度为1050MPa，抗拉强度为1200MPa，硬度为45HRC，延伸率为10%。
由本发明各实施例和对比例可以看出，本发明含铌高强双相钢显微组织均为铁素体和马氏体两相，对比例1的双相钢晶粒以等轴状为主，实施例1的含铌高强双相钢的晶粒相对于对比例1的双相钢的晶粒更细，晶粒为长条状。在相同热处理工艺下，由于铌可以抑制铁素体形成，使本发明含铌高强双相钢的马氏体体积分数增加；铌还具有抑制晶粒再结晶的作用，使得本发明含铌高强双相钢的晶粒细化；强化效果分析表明，本发明含铌高强双相钢的主要强化机制是位错强化和细晶强化，分别占总强度的45~50%和30~40%。不进行合金化（对比例1-3）或者热处理工艺不合适（对比例4-5），均无法获得本发明所述性能的含铌高强双相钢。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种含铌高强双相钢的制备方法，其特征在于，所述含铌高强双相钢的组织由3~11%的铁素体和89~97%的马氏体组成；包括如下步骤：
S1.控轧控冷工艺得到双相钢热轧板卷；控轧控冷工艺为三级冷却，具体为：第一阶段：一次水冷；第二阶段：空冷；第三阶段：二次水冷；
S2.双相钢热轧板卷进行回火得到含铌高强双相钢，回火温度为200~400℃，回火时间为30~50min。
2.根据权利要求1所述的含铌高强双相钢的制备方法，其特征在于，所述含铌高强双相钢的铌元素含量，按重量百分比计，为Nb 0.015~0.025wt%。
3.根据权利要求1所述的含铌高强双相钢的制备方法，其特征在于，所述含铌高强双相钢的化学成分按重量百分比计，包括：C 0.13~0.15wt%，Si 1.1~1.4wt%，Mn 1.6~1.7wt%，Al0.4~0.6wt%，Ti 0.015~0.025wt%，Nb 0.015~0.025wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的含铌高强双相钢的制备方法，其特征在于，所述含铌高强双相钢的晶粒为长条状，晶粒平均尺寸为1.8~2.1μm。
5.根据权利要求1所述的含铌高强双相钢的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，二次水冷的冷速大于一次水冷的冷速。
6.一种含铌高强双相钢，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的含铌高强双相钢的制备方法制备得到。
7.根据权利要求6所述的含铌高强双相钢，其特征在于，所述含铌高强双相钢的屈服强度≥1050MPa，抗拉强度≥1150MPa。
8.根据权利要求6所述的含铌高强双相钢，其特征在于，所述含铌高强双相钢的硬度≥40HRC。
9.根据权利要求6所述的含铌高强双相钢，其特征在于，所述含铌高强双相钢的延伸率≥15.5%。
10.一种权利要求6-9任一项所述的含铌高强双相钢在汽车领域的应用。
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