本發(fā)明涉及鋼材生產(chǎn)，特別涉及一種2000mpa超高強(qiáng)低密度中錳鋼板及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、超高強(qiáng)鋼是交通運(yùn)輸、深海工程、航空航天及國防軍工等領(lǐng)域的關(guān)鍵材料，能滿足國家對大型裝備綠色化、輕量化、安全性、極端服役環(huán)境和特殊使用性能的重大需求。然而，同時提升強(qiáng)度、塑性、韌性并降低密度，是鋼鐵材料領(lǐng)域長期以來存在的重大理論難題，也是從基礎(chǔ)研究到技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用實踐的瓶頸。尤其當(dāng)鋼強(qiáng)度達(dá)到2000?mpa級別時，其塑性將出現(xiàn)斷崖式下降（延伸率<8%），其根本原因在于傳統(tǒng)馬氏體的初始高密度位錯難以繼續(xù)增殖，且無序排列的幾何取向結(jié)構(gòu)的微觀塑性變形極不均勻，容易產(chǎn)生局部應(yīng)力/應(yīng)變集中，同時存在工藝復(fù)雜、合金成本高等問題，嚴(yán)重制約其成形及應(yīng)用。盡管近期在解決強(qiáng)度與塑性、強(qiáng)度與韌性、強(qiáng)度與密度之間權(quán)衡方面取得了進(jìn)展，但改善強(qiáng)度、塑性、韌性和密度這四者相互排斥性能的解決方案仍然缺乏。

2、針對超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)塑性“倒置”關(guān)系，科研學(xué)者們提出了一系列解決辦法，如利用trip/twip效應(yīng)，梯度結(jié)構(gòu)，異質(zhì)結(jié)構(gòu)，位錯控制、晶粒結(jié)構(gòu)、固溶體、納米級彌散和第二相的控制等。但是，因上述機(jī)理、機(jī)制本身所需的特定工藝和鋼鐵材料相變的復(fù)雜性等因素，導(dǎo)致很難將上述機(jī)理、機(jī)制進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，用于開發(fā)高塑性的2000?mpa超高強(qiáng)度鋼。此外，引入亞穩(wěn)相也是當(dāng)前提升強(qiáng)塑性的常用手段，然而此方法在2000?mpa級超高強(qiáng)度下亞穩(wěn)相的增強(qiáng)效果仍然有限。同時，在大多數(shù)金屬材料中，強(qiáng)度的增加是以降低塑性和可加工性為代價的，且上述方法的缺點均是使用了較多昂貴且戰(zhàn)略上有限的合金元素，例如co、ni、v、mo或ti，不利于這些合金的可持續(xù)性。

3、綜合2000?mpa級別超高強(qiáng)金屬材料研究現(xiàn)狀可知，提高強(qiáng)/韌性協(xié)同作用的常用策略是減小平均晶粒尺寸，這實際上受到強(qiáng)度/塑性權(quán)衡的限制，為了在不犧牲強(qiáng)度的情況下提高材料的塑性，通常采用晶粒細(xì)化的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計，例如構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)。但克服強(qiáng)度和密度之間的權(quán)衡甚至更加困難，因為低密度中錳鋼的設(shè)計需要添加足夠高的al含量，進(jìn)而形成的δ-鐵素體通常會使鋼的力學(xué)性能惡化。這可能導(dǎo)致有序b2相的析出進(jìn)而產(chǎn)生脆性斷裂，由于大量可剪切的納米晶體相干κ-碳化物析出而導(dǎo)致應(yīng)變硬化率低，或者由于較多柔軟的δ-鐵素體晶粒的形成而導(dǎo)致的屈服強(qiáng)度降低。因此探索新的共性機(jī)制，突破超高強(qiáng)鋼性能“倒置”瓶頸，解決對昂貴合金及復(fù)雜工藝的依賴，拓展2000?mpa級超高強(qiáng)鋼強(qiáng)度—塑性—韌性的性能邊界，開發(fā)一種強(qiáng)度、塑性、韌性和密度之間的權(quán)衡的2000?mpa級別超高強(qiáng)低密度中錳鋼制備方法迫在眉睫。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的之一是提供一種2000mpa超高強(qiáng)低密度中錳鋼板的制備方法，該方法可以使中錳鋼獲得拓?fù)鋵W(xué)雙重有序排列的馬氏體/δ-鐵素體/奧氏體多層次顯微組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使得中錳鋼強(qiáng)度、塑性和韌性等機(jī)械性能獲得大幅度提升的同時降低鋼板密度。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種2000mpa超高強(qiáng)低密度中錳鋼板的制備方法，包括如下步驟：

3、（1）按照以下組分及其重量百分比進(jìn)行冶煉，并澆鑄成鋼錠：

4、c：0.3%～0.4%，mn：6.0～12.5%，al：4.5～8.0%，s：＜0.001％，p：＜0.001％，余量為fe及不可避免的雜質(zhì)；其中mn、al元素的質(zhì)量比為（1.33～2.78）：1；

5、（2）將鋼錠通過常規(guī)鍛造和多次橫向鍛造工藝，鍛造成長方棒；

6、（3）對鍛造后的長方棒進(jìn)行1道次熱軋?zhí)幚?，得到熱軋板，其中，終軋溫度不低于ac3以下30℃；

7、（4）對熱軋板進(jìn)行深冷處理；

8、（5）對深冷處理后的板進(jìn)行低溫回火處理，得到目標(biāo)產(chǎn)物（即2000mpa超高強(qiáng)低密度中錳鋼板）。

9、進(jìn)一步地，步驟（2）中，常規(guī)鍛造工藝的具體步驟包括：將鋼錠加熱至1200℃±25℃保溫6h，隨后在1000℃～1200℃鍛造成橫截面為正方形的錠坯（如橫截面尺寸為80*80mm的錠坯），空冷至室溫。

10、進(jìn)一步地，步驟（2）中，多次橫向鍛造工藝的具體步驟包括：將常規(guī)鍛造后的錠坯加熱至ac3溫度以上170～190℃保溫3小時，然后在ac3以下30℃至ac3以上140℃進(jìn)行多次橫向鍛造。

11、進(jìn)一步地，步驟（2）中，錠坯經(jīng)過多次橫向鍛造后制成橫截面為正方形的長方棒，所述長方棒的橫截面邊長為錠坯的橫截面邊長的1/8（即10/80）至3/16（即15/80）。具體而言，步驟（2）中，錠坯經(jīng)過多次橫向鍛造后制成橫截面尺寸為10*10mm～15*15mm的長方棒。

12、進(jìn)一步地，步驟（3）中，所述熱軋板的厚度為錠坯的橫截面邊長的1/16（即5/80）至3/40（即6/80）。具體而言，步驟（3）中，所述熱軋板的厚度為5～6mm。

13、進(jìn)一步地，步驟（3）中，經(jīng)步驟（2）鍛造后的長方棒不經(jīng)過冷卻，直接進(jìn)行1道次熱軋，其中總下壓力率為50%～60%，并在熱軋?zhí)幚砗罂绽渲潦覝亍?/p>

14、進(jìn)一步地，步驟（4）中，深冷處理的介質(zhì)為液氮。

15、進(jìn)一步地，步驟（4）中，深冷處理的時間為20min。

16、進(jìn)一步地，步驟（5）中，低溫回火處理的具體步驟包括：將深冷處理后的板以5～10℃/s的速度升溫至ac3以下溫度250～500℃保溫10～75?min。

17、本發(fā)明的另一目的是提供一種2000mpa超高強(qiáng)低密度中錳鋼板，其通過上述2000mpa超高強(qiáng)低密度中錳鋼板的制備方法制備得到。

18、進(jìn)一步地，所述中錳鋼板具有拓?fù)鋵W(xué)雙重有序排列的馬氏體/δ-鐵素體/奧氏體多層次顯微組織結(jié)構(gòu)，其中細(xì)條狀δ-鐵素體和離散分布的奧氏體嵌入具有與軋制方向呈45°和沿軋制方向兩種拓?fù)渑帕械鸟R氏體基體中。

19、進(jìn)一步地，所述中錳鋼板的抗拉強(qiáng)度值為2.0～2.4?gpa，均勻伸長率為18～25%，總伸長率為24～30%，斷裂韌性為100～120mpa?m1/2，密度為6.8g/cm3～7.1g/cm3。

20、本發(fā)明通過高度創(chuàng)新的顯微組織拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計實現(xiàn)馬氏體/δ-鐵素體/奧氏體層次化分布，從根本上改變馬氏體和δ-鐵素體塑/韌性低的問題，使得分層結(jié)構(gòu)組織協(xié)同變形增強(qiáng)增韌增塑，得到2000mpa超高強(qiáng)低密度中錳鋼板。

21、本發(fā)明的關(guān)鍵在于特殊的鍛造、軋制工藝，第一階段采用常規(guī)鍛造獲得均勻組織的鋼錠，第二階段采用快速橫向鍛造獲得拉長的原始奧氏體，第三階段采用終軋溫度不低于ac3以下30℃的1道次熱軋空冷隨后進(jìn)行深冷處理，最終得到具有拓?fù)鋵W(xué)雙重有序排列的馬氏體/δ-鐵素體/奧氏體多層次顯微組織結(jié)構(gòu)，其中細(xì)條狀δ-鐵素體和離散分布的奧氏體嵌入具有與軋制方向呈45°和沿軋制方向兩種拓?fù)渑帕械鸟R氏體基體中。

22、本發(fā)明實現(xiàn)了成分節(jié)約、綠色工藝、高強(qiáng)度、高塑性、高韌性并降低密度的超高強(qiáng)鋼解決方案。經(jīng)測試，本發(fā)明制備的實驗鋼的抗拉強(qiáng)度值達(dá)到2.0～2.4?gpa，均勻伸長率達(dá)到18～25%，總伸長率達(dá)到24～30%，斷裂韌性達(dá)到100～120?mpa?m1/2，密度達(dá)到6.8g/cm3～7.1g/cm3，同時提升強(qiáng)度、塑性、韌性并降低了密度。而且，本發(fā)明解決了對昂貴合金及復(fù)雜工藝的依賴問題，拓展了2000?mpa級超高強(qiáng)鋼強(qiáng)度—塑性—韌性的性能邊界，開辟出一條解決強(qiáng)度、塑性、韌性和密度之間的權(quán)衡問題的新途徑，其力學(xué)性能遠(yuǎn)超同類中錳鋼，大幅度提升了其在車用高性能輕量化鋼材料應(yīng)用上的競爭力。