專利名稱：一種具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法及其金屬板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬板審隨方法及由該方法審隨的金屬板，更具體地說，本發(fā)明涉及一種具 有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法及由該方法制造的金屬板。
背景技術(shù)：
iSA21世紀(jì)以來，高層建筑、大跨度重載橋梁、輕量節(jié)能汽車和大型工程機(jī)械等行，寸 鋼鐵材料的強(qiáng)度和使用壽命提出了更高的要求。為了滿足節(jié)能、綠色環(huán)保、輕量化和安全等 方面的需求，鋼鐵結(jié)構(gòu)材料正在發(fā)展"新一代鋼鐵材料"，它的特征是超細(xì)晶、高潔凈、高 均勻，其核心技術(shù)是超細(xì)晶。細(xì)晶強(qiáng)化技術(shù)因其在材料中不需添加合金元素、材料高潔凈、 回收再禾傭簡單而受到廣泛的關(guān)注。不僅如此，人們對超細(xì)組織瞎有獨(dú)鐘的另一個原因在于， 晶粒細(xì)化是為數(shù)不多的可以在提高強(qiáng)度的同時改善韌性的強(qiáng)化方法之一。
冃前，制備致密、無污染體納米及亞微米材料的主要方法有強(qiáng)烈塑性變形加丁技術(shù)和新 型控軋控冷技術(shù)。專利JP2000073152采用"累積疊軋焊"方法制備超細(xì)晶材料，如低碳鋼 經(jīng)過5次循環(huán)后，晶粒尺寸減小到500咖以下，抗拉強(qiáng)度達(dá)到751 MPa，是母材(280 MPa) 的2.7倍。專利US4466842、 DE3312257和FR2524493介紹了采用實(shí)驗(yàn)軋機(jī)軋制低碳鋼，獲得 了小于3pm的鐵素體晶粒。新日鐵向市場投放了具有優(yōu)異抗裂性能、表面層超細(xì)鐵素體晶粒 鋼板，即所謂的"HIAREST" (High Crack-Arrestability Endowed Ultra Fine-Grain Surface Layer Steel Plate)鋼板；2000年，我國燕山大學(xué)采用相變預(yù)處理、塑性變形和再結(jié)晶相 結(jié)合工藝，獲得了 "納米晶粒低合金(CrMoV)鋼板"(專利CN1272554A)。但是，此方法制 備的納米晶材料明顯存在兩個不足， 一方面是塑性嚴(yán)重惡化，典型的延伸率為小于3%，而 粗晶材料可達(dá)40 70%;另一方面是制備方法絕大部分都涉及到大的變形量、高的應(yīng)變速率、 快速熱循環(huán)、復(fù)雜的工藝組合以及對工藝過程的精確控制等，這些要求往往超出金屬板制造 廠家現(xiàn)有的設(shè)備能力和生產(chǎn)能力，并使超細(xì)晶粒鋼的制備成本顯著增加。
為改善超細(xì)晶的塑性，設(shè)計(jì)新的微米、亞微米和納米結(jié)構(gòu)材料，以結(jié)合高強(qiáng)度和良好延 性，是近幾年研究的重要方向之一。通過調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)提高強(qiáng)度并保持塑性的綜合性 能，如
在NC/UFG晶中弓l入一定比例的微米級晶粒來調(diào)控晶粒結(jié)構(gòu)，即造成不同晶粒尺寸分布的晶粒
結(jié)構(gòu)，充分利用了NC/UFG晶的高強(qiáng)度，同時塑性由粗大晶粒保持，并可改善加工硬化能力， 這種新的策略在純Cu (Acta Materialia， 2004, 52: 1699)中得到了初步驗(yàn)證。
表面自身納米化技術(shù)也驗(yàn)證了這種思路的正確性。表面自身納米化技術(shù)是在外加載荷的 重復(fù)作用下，材料表面的粗晶組織通過不同方向產(chǎn)生局部強(qiáng)烈塑性變形，這種局部強(qiáng)烈塑性 變形會產(chǎn)生大量的缺陷，如位錯、孿晶、層錯和剪切帶，當(dāng)位錯密度增至一定程度時，發(fā)生 湮沒、重組，形成具有亞微米或納米尺度的亞晶，另外隨著溫度的升高，表而具有高形變儲 能的組織也會發(fā)生再結(jié)晶，形成納米晶，此過程不斷發(fā)展，最終在材料-表面形成晶體學(xué)取向 呈隨機(jī)分布的納米晶組織。表面自身納米技術(shù)利用強(qiáng)烈塑性變形制備出表面為納米晶、晶粒 尺寸沿厚度方向逐漸增大的梯度組織，利用納米晶提高強(qiáng)度，同時由心部的常規(guī)晶粒提供塑 性?，F(xiàn)存專利如CN1458288A、 CN2604443Y、 US2003/0127160A1、 CN1532295A、 JP2003183730 以及CN1410560A勻可實(shí)現(xiàn)表面納米化，但是這些方法制備的材料表面納米晶層的厚度相對比 例較小，對強(qiáng)度的提高作用有限，例如，納米結(jié)構(gòu)表層占試樣厚度的3 %的低碳鋼，其屈服 強(qiáng)度僅提高了35% (Scripta Mater ， 2001， 44(8/9) :1791)，未能充分利用超細(xì)晶的強(qiáng)化 優(yōu)勢。
納米及亞貨M鋼代表了先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料的重要發(fā)展方向。迄今為止，除了制御IAREST鋼板 的新型TM(P工藝以外，其它方法尚處于研究探索階段，離實(shí)際應(yīng)用還有很大的距離，不能滿 足對材料高強(qiáng)度、高韌性和高塑性綜合性能的要求。顯然，現(xiàn)有制備方法的改進(jìn)和完善、更 先進(jìn)工藝的創(chuàng)新，是未來超細(xì)晶粒鋼研究的關(guān)鍵內(nèi)容。
本發(fā)明的目的在于提供一種具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法，該方法制造的 金屬板具有很高的強(qiáng)度，同時也具有良好的塑性和韌性，而且生產(chǎn)效率高、流程短、無污染。
本發(fā)明的目的還在于提供一種由上述方法制造的具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板，制造 的金屬板具有很高的強(qiáng)度，同時也具有良好的塑性和韌性，而且生產(chǎn)效率高、流程短、無污 染。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法。
本發(fā)明還提供一種由上述方法制造的具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的-
本發(fā)明所述的具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法，該方法包括金屬板表面納米 化處理和金屬板軋制處理，加工所用的金屬板為鋼板，其中，所述的金屬板需進(jìn)行雙面表面 納米化處理；所述的金屬板軋制處理的工藝參數(shù)為軋制溫度為100。C 0.8Tm，車L制壓下量 為20% 60%，形成每面超細(xì)晶層為20 200 (jin金屬板，表層到心部材料的組織和性能均呈
連續(xù)梯度分布。
根據(jù)本發(fā)明所述的具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法，其中一個優(yōu)選實(shí)施方案 是，所述的金屬板軋制處理的工藝參數(shù)為軋制溫度為20(TC 0. 5T, ，軋制壓卜量為20% 60%。
根據(jù)本發(fā)明所述的具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法，其中一個優(yōu)選實(shí)施方案 是，所述的金屬板表面納米化處理采用非鍍層的材料自身表面納米化方法。
根據(jù)本發(fā)明所述的具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方袪，其中一個優(yōu)選實(shí)施方案 是，所述的金屬板車L制處理由一道次軋帝院成
根據(jù)本發(fā)明所述的具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法，其中一個優(yōu)選實(shí)施方案 是，所述的金屬板軋制處理由多道次軋制完成。
根據(jù)本發(fā)明所述的具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法，其特征在于，所述的金 屬板多道次軋制處理時每道次的車L制f鵬相同。
根據(jù)本發(fā)明所述的具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法，其特征在于，所述的金 屬板多道次軋制處理時每道次的車L制;鵬不同。
根據(jù)本發(fā)明所述的具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法，其中一個優(yōu)選實(shí)施方案 是，所述的金屬板軋制處理后空冷至室溫。
根據(jù)本發(fā)明所述的具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法，其中一個優(yōu)選實(shí)施方案 是，所述的金屬板軋制處理后經(jīng)7X淬冷卻至室溫。
根據(jù)本發(fā)明所述的具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法，其中一個優(yōu)選實(shí)施方案
是，所述的金屬板軋制處理后在ioo°c o. 8i;進(jìn)行退火處理。
根據(jù)本發(fā)明所述的具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法，其中一個優(yōu)選實(shí)施方案 是，所述的金屬板軋制處理后不進(jìn)行退火處理。
本發(fā)明戶腿的金屬板，是由上述制造方法制備的具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板，其中，
所述的金屬板超細(xì)晶層為20 200 ,，表層到心部材料的組織和性能均呈連續(xù)梯度分布。
本發(fā)明的制造方法采用表面納米化方法與軋制方法相結(jié)合的復(fù)合強(qiáng)烈塑性變形方法，通 過調(diào)整金屬板的晶粒尺寸及分布，制備出表層為納米晶((K100nm^層，向心部過渡依次為 亞微米晶(100 ran <d<1000 nm二層和微米晶(d〉1000 nm)層的連續(xù)梯度組織的金屬板。 金屬板雙面表面納米化處理和軋制處理后，每面超細(xì)晶層(包括納米晶和亞微米晶層)的厚 度為20 ^m 200 (im，表層到心部材料的組織和性能均呈連續(xù)梯度分布,能夠滿足高強(qiáng)度、高 塑性和高韌性的性能要求。
本發(fā)明的制造方法實(shí)現(xiàn)金屬板高強(qiáng)高塑的機(jī)理為在金屬板上下表面制備出一定厚度的 納米晶層和亞聘妹晶層，從表層到心部為晶粒尺寸由納米晶、亞微米晶逐漸過度到m^晶的
連續(xù)梯度組織。這種梯度組織的顯著特點(diǎn)是納米晶與亞微米晶層、亞微米晶與微米晶層之間
不存在明顯的界面，并且具有較好的熱穩(wěn)定性。利用超細(xì)晶(納米晶和亞微米晶)禾n軋制變
形的強(qiáng)化作用來提高材料的強(qiáng)度，禾,微米晶的良好位錯累積能力來提高材料的塑性，通過 調(diào)節(jié)納米晶、亞微米晶和掠妹晶的尺寸及分布，可獲得高強(qiáng)度同時具有良好塑性的新型材料。
本發(fā)明制造方法與現(xiàn)有金屬板制造方法相比，優(yōu)勢在于
本發(fā)明方法結(jié)合了表面納米化方法和軋制方法，滿足了材料同時具有高強(qiáng)度、卨.塑性和 高韌性的要求，制備的金屬板具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。處理后的金屬板強(qiáng)度比基體提高1 倍以上，斷裂延伸率保持在20%以上。同時，本發(fā)明方法具有成本低、工藝簡易、設(shè)備簡單 的特點(diǎn)，是一種環(huán)境友好的可持續(xù)發(fā)展方法。
附圖的簡單說明


圖1是本發(fā)明梯度組織鋼板的TEM暗場像圖片。
圖2是本發(fā)明梯度組織鋼板的晶粒尺寸分布圖。
圖3是本發(fā)明梯度組織鋼板斷口形貌圖片。
圖4是本發(fā)明梯度組織鋼板70(TC軋制后的微觀組織圖片。
圖5是本發(fā)明梯度組織鋼板50(TC退火后的微觀組織圖片。
具體實(shí)Mr式
下面參照附圖，更具體地說明本發(fā)明。
實(shí)施例1:
制備304不銹鋼高強(qiáng)高塑鋼板，步驟如下
1、 對304不f辯岡進(jìn)行雙面表面納米化處理，采用高速度飛行顆粒撞擊金屬材料表面的方 法，得至嗍米層/亞檳妹晶層厚度為100 (iin 200 ,;
2、 將表面納米化處理后的鋼板加熱至50(TC，保溫IO min;
3、 單道次軋制，車L制壓下量為50X;
4、 空冷。
組織觀察表明，所得材料距表面80，深處的平均晶粒直徑為80nm，見附圖1。亞穩(wěn)姊 和微米晶層平均晶粒直徑1.2 ,。超細(xì)品(納米晶和亞微米晶)層的厚度可達(dá)150 ,。不 同區(qū)域晶粒尺寸分布見附圖2。超細(xì)晶層的體積分?jǐn)?shù)約占總量的60%。所得梯度組織的304 不銹鋼板的屈服強(qiáng)度可達(dá)680 MPa，為304不銹鋼基體的強(qiáng)度(288 MPa)的2. 4倍；斷裂延伸 率為22%。圖3為本發(fā)明梯度組織鋼板斷口形貌。
實(shí)施例2
制備304不銹鋼高強(qiáng)高塑鋼板，步驟如下
1、 對304不l賴岡進(jìn)行雙面表面納米化處理，采用高速度飛行顆粒撞擊金屬材料表面的方 法，得到納米層/亞很Jt米晶層厚度為20 |om 100
2、 將表面納米化的鋼板加熱至300。C,保溫IO min;
3、 單道次軋制，軋制壓下量為36%;
4、 空冷。
所得梯度組織的304不銹鋼板的屈服強(qiáng)度可達(dá)602MPa，為304不,辯閃基體強(qiáng)度(288 MPa) 的2.1倍；斷裂延伸率為37%。 實(shí)施例3
制備3(M不銹鋼高強(qiáng)高塑鋼板，其它步驟與實(shí)施例2相同，不同的是采用兩道次軋制， 累積軋制壓下量為42%，空冷。
所得梯度組織的304不銹鋼板的屈服強(qiáng)度達(dá)到675MPa，為304不銹鋼基體強(qiáng)度(288 MPa) 的2.3倍；斷裂延伸率為20%。
實(shí)施例4
制備304不銹鋼高強(qiáng)高塑鋼板，步驟如下
1、 對304不銹鋼進(jìn)行雙面表面納米化處理，采用高速度飛行顆粒撞擊金屬材料表面的方 法，得到納米晶層/亞微米晶層厚度為100 , 200 ,;
2、 將表面納米化處理后的鋼板加熱至700。C，保溫IO min;
3、 單道次軋制，車L制壓下量為30^;
4、 水淬。
所得到的304不銹鋼板的屈服強(qiáng)度達(dá)到693 MPa，為304不^辯R基體強(qiáng)度(288 MPa)的 2. 4倍；斷裂延伸率為20%。 70(TC軋制后雙表面納米化處理304不銹鋼板的超細(xì)晶復(fù)合組織 見附圖4。
實(shí)施例5
將實(shí)施例1所得到的高強(qiáng)度、高塑性梯度組織的304不銹鋼板進(jìn)行退火處理，退火溫度 為500'C，退火時間為40min。退火后復(fù)合組織巾的納米晶/亞微米晶沒有明顯的長大，見附 圖5，顯示了良好的熱穩(wěn)定性。退火處理后的梯度組織304不銹鋼板的強(qiáng)度為640MPa，比基 體304不銹鋼板的強(qiáng)度提高2. 2倍；斷裂延伸率增至27 % 。
本發(fā)明方法結(jié)合了表面納米化方法和軋制方法，滿足了材料同時具有高強(qiáng)度、高塑性和 高韌性的要求，制備的金屬板具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。處理后的金屬板強(qiáng)度比基體提高1 倍以上，斷裂延伸率保持在20%以上。
權(quán)利要求
1、一種具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法，所述的方法包括金屬板表面納米化處理和金屬板軋制處理，加工所用的金屬板為鋼板，其特征在于，所述的金屬板需進(jìn)行雙面表面納米化處理；所述的金屬板軋制處理的工藝參數(shù)為軋制溫度為100℃～0.8Tm，軋制壓下量為20％～60％，形成每面超細(xì)晶層為20～200μm金屬板。
2、 如權(quán)利要求1所述的具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法，其特征在于，所述的金 屬板軋制處理的工藝參數(shù)為軋制溫度為200°C 0. 5Tm，軋制壓下量為20% 60%。
3、 如權(quán)禾腰求l所述的具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法，其特征在于，所述的金 屬板表面納米化處理采用非鍍層的材料自身表面納米化方法。
4、 如權(quán)禾腰求l所述的具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法，其特征在于，所述的金 屬板軋制處理由一道次軋制完成。
5、 如權(quán)禾腰求l所述的具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法，其特征在于，所述的金 屬板軋制處理由多道次軋制完成。
6、 如權(quán)禾腰求1或5所述的具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法，其特征在于，所述 的金屬板多道次軋制處理時每道次的車L制溫度相同。
7、 如權(quán)禾腰求1或5所述的具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法，其特征在于，所述 的金屬板多道次軋制處理時每道次的車L制溫度不同。
8、 如權(quán)利要求l所述的具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法，其特征在于，所述的金 屬板在軋制處理后空冷至室溫。
9、 如權(quán)利要求l所述的具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法，其特征在于，所述的金 屬板在車L制處理后經(jīng)水淬冷卻至室溫。
10、 如權(quán)禾腰求l所述的具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法，其特征在于，所述的 金屬板軋制處理后在100°C 0. 8i;進(jìn)行退火處理。
11、 如權(quán)利要求1所述的具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法，其特征在于，所述的 金屬板軋制處理后不進(jìn)行退火處理。
12、 一種金屬板，所述金屬板系由如上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法制造的具有超細(xì)晶連 續(xù)梯度組織金屬板，其申寺征在于，所述的金屬板雙表面均為超細(xì)晶層，每面超細(xì)晶層為 20 200 jom。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有超細(xì)晶連續(xù)梯度組織金屬板的制造方法及其金屬板。該方法涉及金屬板表面納米化處理和金屬板軋制處理，金屬板進(jìn)行雙面表面納米化處理，軋制工藝參數(shù)為軋制溫度為100℃～0.8Tm，軋制壓下量為20％～60％；本發(fā)明方法制備的金屬板雙表面均為超細(xì)晶層，每面超細(xì)晶層厚度為20～200μm。本發(fā)明方法結(jié)合表面納米化技術(shù)和軋制技術(shù)，可同時滿足材料高強(qiáng)度、高塑性和高韌性的要求，制備的金屬板具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，金屬板強(qiáng)度比基體提高1倍以上，斷裂延伸率保持在20％以上。本發(fā)明方法具有成本低、工藝簡易、設(shè)備簡單的特點(diǎn)，是一種環(huán)境友好的可持續(xù)發(fā)展方法。
文檔編號B32B15/01GK101353720SQ2007100939
公開日2009年1月28日 申請日期2007年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月23日
發(fā)明者宋洪偉, 張俊寶, 梁永立 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司