專利名稱：一種高強度微晶體薄鋼板材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高強度微晶體薄鋼板材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
鋼材是一種在航空、核能、艦船、石化等領(lǐng)域用途最廣泛的材料，隨著技術(shù)的發(fā)展， 對鋼材在大應(yīng)變量和高度加載等極端條件下的研究日漸增多，目前汽車用鋼主要致力于研究提高鋼的強度并保持其成形性，研制質(zhì)量輕、耐沖擊的運輸工具體系的新設(shè)計理念，要求開發(fā)強度高、塑性好及能量吸收能力強，比質(zhì)量輕的材料，提高強度和塑性能夠減輕運輸工具的重量，滿足復(fù)雜車型設(shè)計，提高駕乘安全性能的要求。目前我國的汽車用鋼技術(shù)仍不能完全滿足汽車工業(yè)發(fā)展的需求。高錳鋼研究與使用的歷史悠久，具有良好的加工硬化性能，因而廣泛用于制造抗沖擊磨損的工件，近年高錳鋼在理論研究和實際應(yīng)用方面日益受到重視。高錳鋼在變形過程中因穩(wěn)定奧氏體相中形成應(yīng)變誘導(dǎo)孿晶而獲得良好的塑性，但實踐中發(fā)現(xiàn)只有沖擊大、 應(yīng)力高、磨料硬的情況下，高錳鋼的高耐磨性才能得到體現(xiàn)，且常規(guī)的高錳鋼屈服強度低， 初次使用時容易變形，并造成較大的磨損，在寒冷地區(qū)使用經(jīng)常發(fā)生高錳鋼部件脆性斷裂現(xiàn)象。如何提高高錳鋼的屈服強度和塑性，降低使用時的變形量繼而提高其抗沖擊性和耐磨性，以適應(yīng)汽車工業(yè)的發(fā)展是目前研究的重點之一。對一種材料來講，其極限強度就是理論剪切強度，即在沒有任何缺陷的單晶體材料中獲得的強度值，但實際的材料的強度要比理論預(yù)測的剪切強度低好幾個量級，這是由于在材料表面或材料內(nèi)部或多或少都存在一定數(shù)量的缺陷(如位錯)所致；如果在制備工藝中盡可能的減少(控制)缺陷數(shù)量，就可以提高其實際剪切強度到接近于理論剪切強度。在工程應(yīng)用上，為了強化材料采用細化晶粒法，利用大量存在的晶界在限制或釘軋位錯運動來提高材料的強度，其原理可由Hall-Petch關(guān)系ο = ο JkcTv2來描述，通過測量韋氏硬度估計材料的壓縮流變應(yīng)力(oy = HV/3) ；HalI-Petch關(guān)系表明材料的韋氏硬度與晶粒尺寸平方根成反比，即HV = HV0 +晶粒細化到納米尺度，單位體積中總的晶界面積達到ΙΟ6 —、2時，通常能夠獲得較高的強度，大多數(shù)金屬材料的屈服強度和硬度值隨晶粒尺寸的減小表現(xiàn)出增加的趨勢，很好地遵從Hall-Petch關(guān)系。普通粗晶體鋼(晶粒尺寸約為100 mm)在室溫下拉伸的屈服強度(oy)僅為90 MPa，超細晶微合金鋼(晶粒尺寸約為6 mm)在室溫下拉伸，其屈服強度σ,約310 MPa0代永娟等人采用真空熔煉并結(jié)合軋制技術(shù)所制備的 Fe-25Mn-2. 89Si_3. 02A1-0. 015C 鋼，冷軋板經(jīng) 800°C退火 lOmin，晶粒尺寸約為 2 5 μ m， 在室溫拉伸時，其屈服強度為700 MPa，抗拉強度為1300 MPa (Fe-Mn TWIP鋼退火態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)特征，材料熱處理學(xué)報，卷31,56-60 (2010));雖然該方法所制備的材料具有較小的晶粒尺寸，但是晶粒內(nèi)部的孿晶亞結(jié)構(gòu)寬度在300nm以上，密度較小，其屈服強度及抗拉強度較低。包衛(wèi)平等人采用真空感應(yīng)爐氬氣保護熔煉方法所制備的 ^-30Μη-33 -4Α1 TffIP
3鋼，在1000°C保溫45min固溶，平均晶粒尺寸約為50 μ m，其屈服強度為311 MPa，抗拉強度約670 MPa (不同熱處理工藝對i^e-30Mn-3Si-4Al TWIP鋼力學(xué)組織性能的影響，精密成型工程，卷2，5-9 (2010));其塑性較好，但屈服強度及抗拉強度較低，對高強度及高耐磨性能要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域還不能滿足要求。法國Bouaziz等人通過真空熔煉方法制備 ^ Fe-22Mn-0. 6C (JCM 3 0. Bouaziz, C. P. Scott, G. Petitgand, Nanostructured steel with high work-hardening by the exploitation of the thermal stability of mechanically induced twins, Scripta Mater. , Vol. 60， 714—716 U009))，在變形后微觀結(jié)構(gòu)中存在高密度的孿晶，抗拉強度可達到1500 MPa，但是屈服強度比較低，僅為300 MPa。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有高錳鋼材料存在的綜合性能上的不足，本申請?zhí)峁┮环N高強度微晶體薄鋼板材料及其制備方法。本發(fā)明的高強度微晶體薄鋼板材料的成分按重量百分比含Mn20士 l%，Si3士0. ， A13士0. 5%，C0. 045士0. 001%,余量為!^e和不可避免雜質(zhì)，厚度為廣3. 5mm,抗拉強度為 1500 1930MPa，屈服強度為120(Tl650MPa，拉伸率為10 22%。上述的高強度微晶體薄鋼板材料的微觀結(jié)構(gòu)由等軸的晶粒組成，晶粒的粒徑在 5^20 μ m,晶粒中的孿晶占晶粒總面積的35-60%，孿晶的寬度為KTlOOnm。本發(fā)明的高強度微晶體薄鋼板材料的制備方法按以下步驟進行
1、選用金屬鐵、金屬錳、金屬鋁和金屬硅在保護氣體條件下冶煉，然后澆注成鑄錠，鑄錠的成分按重量百分比含Mn20士 l%，Si3士0. 3%，A13士0. 5%, C0. 045士0. 001%，余量為Fe和少量不可避免雜質(zhì)；
2、將鑄錠加熱至1150士10°C保溫廣3h，再在105(T115(TC進行第一階段熱軋，第一階段熱軋的壓下量為4(Γ60% ；然后在82(T950°C進行第二階段熱軋，兩個階段熱軋的總壓下量為78 83% ；熱軋完成后以3(T60°C /s的速度冷卻至650士 10°C，保溫0. 5 lh，再水冷至常溫，獲得熱軋鋼板；
3、將熱軋鋼板進行冷軋，冷軋變形量為3(Γ55%，再在500士10°C條件下保溫廣5h，隨爐冷卻至常溫，獲得高強度微晶體薄鋼板材料。上述的高強度微晶體薄鋼板材料中所述的高強度即指其抗拉強度為 1500 1930MPa，屈服強度為 1200 1650MPa。上述方法選用的金屬鐵按重量百分比含C 0. 002^0. 008%, MnO. Γθ. 2%， Α10. 05 0. 08%, SiO. 03 0. 06%，余量為Fe和不可避免雜質(zhì)。上述方法選用的金屬錳按重量百分比含C 0. 07、. 09%, Fel.廣2. 2%， SiO. 03 0. 04%，余量為Mn和不可避免雜質(zhì)。上述方法選用的金屬鋁按重量百分比含！^eO. Γ0. 2%，SiO. 02、. 05%, MnO. 00Γ0. 002%，余量為Al和不可避免雜質(zhì)。上述方法選用的金屬硅按重量百分比含i^eO. Γ0. 3%, Α10. Γθ. 3%，余量為Si和不可避免雜質(zhì)。上述方法中冷卻采用裝置為東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室開發(fā)的超快速冷卻裝置。上述的保護氣體條件是將冶煉的物料置于真空條件下，再通入惰性氣體進行保護。本發(fā)明的原理是當(dāng)鑄錠中含錳量20士 1%時，澆注形成的奧氏體組織可保留至室溫；鑄錠中的Si固溶于奧氏體中能夠提高鋼的強度和硬度，Al能夠抑制、奧氏體向ε馬氏體的轉(zhuǎn)變，起到穩(wěn)定奧氏體的作用；通過層錯能計算進行成分設(shè)計，按 Fe-20Mn-3Si-3Al-0. 045C確定本發(fā)明的基礎(chǔ)合金材料成分，其層錯能理論值為23士0. 1 mj/mol，該材料的層錯能有利于所熔煉合金在本發(fā)明方法提供的加工條件下孿生，從而形成大量納米尺度的孿晶片層結(jié)構(gòu)，使金屬得到強化。本發(fā)明具有如下優(yōu)點
1.通過熔煉、連續(xù)軋制并結(jié)合快速冷卻技術(shù)，設(shè)定合理的工藝過程和工藝參數(shù)制備出具有超細晶結(jié)構(gòu)的鋼材料，具有非常高的屈服強度，遠高于用傳統(tǒng)方法制備的相似晶粒尺寸的鋼樣品的屈服強度。2.由于高強度微晶體薄鋼板材料具納米級的孿晶亞結(jié)構(gòu)，孿晶在變形過程中具有吸收位錯能力強的特點，使得該材料具有非常高的抗拉強度、良好的塑性及優(yōu)越的耐磨耐蝕性能，這種高強度的鋼材料對迅速發(fā)展的汽車、建筑、化學(xué)、原子能、造船等新技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要價值。3.只需對現(xiàn)有的工藝條件進行簡單改進，控制熱處理及冷卻等參數(shù)即可獲得這種高強度微晶體薄鋼板材料。


圖1為本發(fā)明實施例1中的高強度微晶體薄鋼板材料電子背散射衍射照片圖； 圖2為本發(fā)明實施例1中的高強度微晶體薄鋼板材料透射電子顯微照片圖3為本發(fā)明實施例中的高強度微晶體薄鋼板材料產(chǎn)品的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線圖， 圖中1為實施例1中的產(chǎn)品，2為實施例2中的產(chǎn)品，3為實施例3中的產(chǎn)品；
圖4為傳統(tǒng)技術(shù)制備的不同晶粒尺寸的鋼板材料與本發(fā)明實施例1中的高強度微晶體薄鋼板材料產(chǎn)品的屈服強度-晶粒尺寸關(guān)系圖，圖中 為本發(fā)明實施例1中的產(chǎn)品， 為傳統(tǒng)技術(shù)制備的不同晶粒尺寸的鋼板材料。
具體實施例方式本發(fā)明實施例中冶煉采用的設(shè)備為真空感應(yīng)爐。本發(fā)明實施例中冶煉時通入的惰性氣體選用氬氣或氮氣。本發(fā)明實施例中采用的冷軋設(shè)備為Φ450型雙輥單向異步軋機。本發(fā)明實施例中采用的超快速冷卻裝置為多噴嘴超快速冷卻裝置，該技術(shù)為已知技術(shù)。本發(fā)明實施例中冷軋后采用的保溫設(shè)備為SX2-12-10型箱式電阻爐。本發(fā)明實施例中將冶煉的物料置于真空度< lOOPa，再通入惰性氣體至常壓進行保護。本發(fā)明實施例中采用的金屬鐵按重量百分比含C 0. 002 0. 008%, MnO. Γθ. 2%，
5A10. 05、. 08%, SiO. 03、. 06%，余量為！^和不可避免雜質(zhì)；采用的金屬錳按重量百分比含C 0. 07 0. 09%, Fel.廣2. 2%，SiO. 03 0. 04%，余量為Mn和不可避免雜質(zhì)；采用的金屬鋁按重量百分比含F(xiàn)eO. Γ0. 2%, SiO. 02 0. 05%,MnO. ΟΟΓΟ. 002%，余量為Al和不可避免雜質(zhì)；采用的金屬硅按重量百分比含I^eO. Γ0. 3%，Α10. Γθ. 3%，余量為Si和不可避免雜質(zhì)。實施例1
將金屬鐵、金屬錳、金屬鋁和金屬硅置于真空感應(yīng)爐中，對真空感應(yīng)爐抽真空后通入氬氣，在氬氣條件下冶煉，然后澆注成鑄錠，鑄錠的成分按重量百分比含Μη20. 03%, Si2. 97%， A13. 02%, CO. 045%，余量為！^和不可避免雜質(zhì)；
將鑄錠加熱至1150士 10°C保溫汕，再在105(T115(TC進行第一階段熱軋，第一階段熱軋的壓下量為52% ；然后在82(T950°C進行第二階段熱軋，兩個階段熱軋總共6道次的總壓下量為80% ；熱軋完成后以50°C /s的速度快速冷卻至650士 10°C，保溫0. 5h，再水冷至常溫，獲得熱軋鋼板；
將熱軋鋼板在常溫下進行冷軋，冷軋變形量為55%，再在500士 10°C條件下保溫5h，隨爐冷卻至常溫，獲得高強度微晶體薄鋼板材料，厚度為3. 5mm，抗拉強度為1930MPa，屈服強度為1650MPa，拉伸率為10% ；微觀結(jié)構(gòu)的電子背散射衍射照片如圖1所示，微觀結(jié)構(gòu)由等軸的晶粒組成，晶粒的粒徑在5 20 μ m,晶粒中的孿晶占全部晶?？偯娣e的60%，孿晶的平均寬度lOnm，透射電子顯微照片如圖2所示；
高強度微晶體薄鋼板材料的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖3所示，屈服強度-晶粒尺寸關(guān)系如圖4所示；
高強度微晶體薄鋼板材料的屈服強度是普通粗晶體微合金鋼(晶粒尺寸約100 μ m)的 17倍，是超細微合金鋼(晶粒尺寸約6 μ m)的5倍。實施例2
將金屬鐵、金屬錳、金屬鋁和金屬硅置于真空感應(yīng)爐中，對真空感應(yīng)爐抽真空后通入氬氣，在氬氣條件下冶煉，然后澆注成鑄錠，鑄錠的成分按重量百分比含Mn20. 92%，Si3. 20%, A13. 49%, CO. 046%，余量為！^和不可避免雜質(zhì)；
將鑄錠加熱至1150士 10°C保溫濁，再在105(T115(TC進行第一階段熱軋，第一階段熱軋的壓下量為40% ；然后在82(T950°C進行第二階段熱軋，兩個階段熱軋總共6道次的總壓下量為78% ；熱軋完成后以60°C /s的速度快速冷卻至650士 10°C，保溫0. 8h，再水冷至常溫，獲得熱軋鋼板；
將熱軋鋼板在常溫下進行冷軋，冷軋變形量為40%，再在500士 10°C條件下保溫3h，隨爐冷卻至常溫，獲得高強度微晶體薄鋼板材料，厚度為2. 5mm，抗拉強度為1680MPa，屈服強度為1330MPa，拉伸率為13% ；微觀結(jié)構(gòu)由等軸的晶粒組成，晶粒的粒徑在5 20 μ m,晶粒中的孿晶占全部晶粒總面積的47%，孿晶的平均寬度60nm，其真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖3所示；
采用真空熔煉感應(yīng)技術(shù)制備的 ^-25Μη-2. 89Si-3. 02A1-0. 015C鋼，冷軋板經(jīng)800°C退火lOmin，孿晶寬度約為2 5 μ m，在室溫拉伸時，其屈服強度為700 MPa，抗拉強度為1300 MPa ；該方法制備的材料與高強度微晶體薄鋼板材料相比孿晶結(jié)構(gòu)密度較小，屈服強度和抗拉強度有明顯的差異。實施例3將金屬鐵、金屬錳、金屬鋁和金屬硅置于真空感應(yīng)爐中，對真空感應(yīng)爐抽真空后通入氮氣，在氬氣條件下冶煉，然后澆注成鑄錠，鑄錠的成分按重量百分比含Mnl9. 05%，Si2. 83%, A12. 51%，CO. 044%，余量為！^和不可避免雜質(zhì)；
將鑄錠加熱至1150士 10°C保溫lh，再在105(T115(TC進行第一階段熱軋，第一階段熱軋的壓下量為60% ；然后在82(T950°C進行第二階段熱軋，兩個階段熱軋總共6道次的總壓下量為83% ；熱軋完成后以30°C /s的速度快速冷卻至650士 10°C，保溫lh，再水冷至常溫， 獲得熱軋鋼板；
將熱軋鋼板在常溫下進行冷軋，冷軋變形量為30%，再在500士 10°C條件下保溫lh，隨爐冷卻至常溫，獲得高強度微晶體薄鋼板材料，厚度為3mm，抗拉強度為1500MPa，屈服強度為1200MPa，拉伸率為22% ；微觀結(jié)構(gòu)由等軸的晶粒組成，晶粒的粒徑在5 20 μ m,晶粒中的孿晶占全部晶粒總面積的35%，孿晶的平均寬度lOOnm，其真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖3所示； 采用真空感應(yīng)爐氬氣保護熔煉方法制備的 ^-30Μη-33 -4Α1 TffIP鋼，在1000°C保溫 45min固溶，平均晶粒尺寸約為50 μ m，其屈服強度為311 MPa，抗拉強度約670 Mpa ；該方法制備的材料與高強度微晶體薄鋼板材料相比，其塑性較好，在對強度、耐磨性能要求較高的領(lǐng)域，高強度微晶體薄鋼板材料具有明顯的優(yōu)勢。
權(quán)利要求
1.一種高強度微晶體薄鋼板材料，其特征在于該薄鋼板材料的成分按重量百分比含 Mn20士 1%，Si3士0. 2%, A13士0. 5%, CO. 045士0. 001%，余量為 Fe 和不可避免雜質(zhì)，厚度為 Γ3. 5mm，抗拉強度為150(Tl930MPa，屈服強度為120(Tl650MPa，拉伸率為10 22%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強度微晶體薄鋼板材料，其特征在于該薄鋼板材料的微觀結(jié)構(gòu)由等軸的晶粒組成，晶粒的粒徑為5 20 ym，晶粒中的孿晶占晶?？偯娣e的 35-60%，孿晶的寬度為l(Tl00nm。
3.—種權(quán)利要求1所述的高強度微晶體薄鋼板材料的制備方法，其特征在于按以下步驟進行(1)選用金屬鐵、金屬錳、金屬鋁和金屬硅在保護氣體條件下冶煉，然后澆注成鑄錠，鑄錠的成分按重量百分比含Mn20士 l%，Si3士0. 3%，A13士0. 5%, CO. 045士0. 001%，余量為Fe和不可避免雜質(zhì)；(2)將鑄錠加熱至1150士10°C保溫廣3h，再在105(T115(TC進行第一階段熱軋，第一階段熱軋的壓下量為4(Γ60% ；然后在82(T950°C進行第二階段熱軋，兩個階段熱軋的總壓下量為78 83% ；熱軋完成后以3(T60°C /s的速度冷卻至650士 10°C，保溫0. 5 lh，再水冷至常溫，獲得熱軋鋼板；(3)將熱軋鋼板進行冷軋，冷軋變形量為3(Γ55%，然后在500士10°C條件下保溫廣5h， 隨爐冷卻至常溫，獲得高強度微晶體薄鋼板材料。
全文摘要
一種高強度微晶體薄鋼板材料及其制備方法，屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，薄鋼板材料的成分按重量百分比含Mn20±1%，Si3±0.2%，Al3±0.5%，C0.045±0.001%，余量為Fe和不可避免雜質(zhì)，厚度為1~3.5mm，抗拉強度為1500~1930MPa，屈服強度為1200~1650MPa，拉伸率為10~22%。制備方法為冶煉后澆注成上述成分的鑄錠，加熱至1150±10℃保溫1~3h，進行兩個階段熱軋，總壓下量為78~83%，以30~60℃/s的速度冷卻至650±10℃，保溫0.5~1h，水冷至常溫，獲得熱軋鋼板；然后冷軋，變形量為30~55%，在500±10℃條件下保溫1~5h，隨爐冷卻。本發(fā)明的產(chǎn)品具有非常高的屈服強度，只需對現(xiàn)有的工藝條件進行簡單改進，控制熱處理及冷卻等參數(shù)即可制備。
文檔編號C22C38/06GK102212744SQ20111014710
公開日2011年10月12日 申請日期2011年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月2日
發(fā)明者左良, 王沿東, 申勇峰, 薛文穎, 黃少帥 申請人:東北大學(xué)