專(zhuān)利名稱：一種銅、鎳合金化的孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料及制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及銅、鎳微合金化具有奧氏體結(jié)構(gòu)的鋼鐵材料，具體地 說(shuō)是一種高強(qiáng)度、高塑性的奧氏體結(jié)構(gòu)的孿晶誘導(dǎo)塑性鋼。
技術(shù)背景當(dāng)今汽車(chē)工業(yè)的一個(gè)大的發(fā)展趨勢(shì)，就是節(jié)能、降耗、有利于環(huán) 境和更安全，因此使用高強(qiáng)和超高強(qiáng)度鋼以達(dá)到汽車(chē)的輕型化是汽車(chē) 近年研究的重點(diǎn)。高強(qiáng)度鋼板對(duì)減輕汽車(chē)重量起著極其重要的作用。 對(duì)降低油耗，提高汽車(chē)構(gòu)建強(qiáng)度，確保安全性能等也具有重要意義。 汽車(chē)設(shè)計(jì)中車(chē)身起著非常重要的角色。汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)努力開(kāi)發(fā)新型材 料，采用高科技技術(shù)來(lái)保護(hù)駕駛員和乘車(chē)人的安全。當(dāng)汽車(chē)碰撞時(shí)， 必須要具備兩個(gè)性能，既有很好的延展性，又有足夠的剛度，能在撞 擊中更好地保護(hù)乘客。因此強(qiáng)度和延展性作為汽車(chē)用鋼發(fā)展的重要的兩個(gè)性能指標(biāo)同時(shí)#:要求。奧氏體鋼的性能主要取決于堆垛層錯(cuò)能，層錯(cuò)能決定了變形過(guò)程 中的主要變形機(jī)制。高錳奧氏體鋼層錯(cuò)能較低，在塑性形變初期，低 的層錯(cuò)能將阻止晶粒交滑移，產(chǎn)生大量的層錯(cuò)，隨著形變量的增加和 不完全位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，高錳奧氏體鋼會(huì)在層錯(cuò)的基礎(chǔ)上形成孿晶。孿晶 界面的存在使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增大，孿晶愈細(xì)愈多阻力愈大，孿晶的 數(shù)目多且細(xì)切割晶體的作用愈顯著，導(dǎo)致材料的強(qiáng)度提高。正是由于 twip鋼在變形過(guò)程中應(yīng)變誘導(dǎo)產(chǎn)生形變孿晶，孿生調(diào)整了晶體的取向，使塑性變形得以繼續(xù)進(jìn)行，大量的孿晶的形成會(huì)4吏TWIP鋼發(fā)生較好的無(wú)頸縮均勻延伸，因而表現(xiàn)出非常高的塑性。銅是一種強(qiáng)烈的強(qiáng)化元素，并且擴(kuò)大奧氏體區(qū)，銅的另外一個(gè)特 性是一種降低層錯(cuò)能的元素。鎳強(qiáng)烈的形成并且穩(wěn)定奧氏體，在奧氏 體鋼中隨著鎳的增加，殘余的鐵素體可以完全消失，并且鎳可以顯著降低(7相的形成傾向。鎳的加入可進(jìn)一步改善鋼的韌性，降低加工硬 化傾向。通常在鋼中加入銅的同時(shí)也加入一定量的鎳，有利于降低熱裂的問(wèn)題， 一般鎳和銅的比例在1: 3到1: 2之間。最近幾年發(fā)展起來(lái)的強(qiáng)度和塑性較好的TRIP鋼(應(yīng)力誘發(fā)相變， 相變誘發(fā)塑性)，即采用熱處理工藝，形成鐵素體、馬氏體和少量奧氏 體600-800MPa高強(qiáng)度和高延伸性的新鋼種，其不同級(jí)別的Trip鋼延 伸率保持在20-40%,其延伸率很難突破40%。 Sung-Joon Kim等人(文 獻(xiàn)1: Sung-Joon Kim,Qiang Gil Lee,Tae-Ho Lee,Chang畫(huà)saek Oh,Effect of Cu,Cr and Ni on mechanical properties of 0.15wt%C TRIP-aided cold rolled steels,Scripta Materialia 48(2003) 539-544 )研究的冷軋0.15%C的 Trip鋼抗拉強(qiáng)度達(dá)到800MPa,而延伸率最高有34%。由以上分析表明，通過(guò)調(diào)整材料成分，控制材料層錯(cuò)能，使材料 在退火后產(chǎn)生退火孿晶并在外載荷作用下產(chǎn)生機(jī)械孿晶，使材料具有 高強(qiáng)度和高塑性的配比。從上述理論出發(fā)，本發(fā)明提出了一種高強(qiáng)度、 高塑性的具有孿晶和層錯(cuò)微結(jié)構(gòu)的含磷鋼鐵材料及其制備方法。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種加磷強(qiáng)化的孿晶誘導(dǎo)塑性具有高強(qiáng)度高塑性 的奧氏體鋼鐵材料及制備方法。 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種銅、鎳合金化的高強(qiáng)度高塑性孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料，其化學(xué)
成分包括C%:0.02-0.06%， Mn%:23-33%, Al%:2.5-3.5%, Si%:2.5-3.5%， S%<0.008%, Cu: 0.2-0.3%, Ni: 0.3-0.4%。
生產(chǎn)上述的一種銅、鎳合金化的高強(qiáng)度高塑性孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材 料的制備方法，其特征在于采用真空感應(yīng)爐冶煉，加氬氣保護(hù)，在 115(TC保溫，在1100-850。C熱軋，冷軋及熱處理，其熱處理工藝為在 750-1000。C保溫IO分鐘，水冷。
銅、鎳微合金化的高強(qiáng)度高塑性孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料，其微觀 結(jié)構(gòu)熱處理后變形前是奧氏體基體中存在有大量的退火孿晶和層錯(cuò)， 其晶粒尺寸為2-40pm,退火孿晶生長(zhǎng)并貫穿于晶粒內(nèi)部；經(jīng)變形后， 在外力作用下形成形變孿晶，取向相同的孿晶片層之間相互平行。正 是由于變形過(guò)程中形變孿晶的形成使材料在具有高強(qiáng)度的同時(shí)具有高 塑性。
本材料在室溫條件下拉伸速度為3cm/min，可得到300-460MPa的 屈服強(qiáng)度和7350-900MPa的抗拉強(qiáng)度以及58.9-83.3。/。延伸率(A50)。 孿晶誘導(dǎo)塑性高強(qiáng)度高塑性的奧氏體鋼鐵材料的制備方法 采用電磁感應(yīng)爐真空熔煉，充氬氣保護(hù)，澆鑄成板坯。 利用軋制技術(shù)，經(jīng)熱軋、冷軋，其中熱軋的加熱溫度1150°C,保 溫40min后，進(jìn)行熱軋，開(kāi)軋溫度1100。C,終軋溫度不低于850°C ， 后空冷。經(jīng)酸洗后進(jìn)行冷軋至lmm厚的薄鋼板，冷軋壓下量控制在 75-80%,之后進(jìn)行熱處理。 本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn) 1.具有優(yōu)良的性質(zhì)。本發(fā)明利用軋制技術(shù)和熱處理工藝制備出具有退 火孿晶和層錯(cuò)的奧氏體晶粒，其大小為2-40)im,具有獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)。 本發(fā)明材料具有很高的延伸率,A50可高達(dá)83.3%,該塑性指標(biāo)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于用其他傳統(tǒng)方法制備的鋼鐵材料。并且其強(qiáng)度同時(shí)可達(dá)到300MPa 的屈服強(qiáng)度和735MPa的抗拉強(qiáng)度。
2. 應(yīng)用前景好。由于本發(fā)明中這種鋼鐵材料特殊的化學(xué)成分經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單 的熱處理后具有退火孿晶的奧氏體組織結(jié)構(gòu)，使得材料具有高強(qiáng)度的 同時(shí)具有高塑性。因此，這種高強(qiáng)度高塑性的鋼鐵材料對(duì)高速發(fā)展的 汽車(chē)行業(yè)及軍工用品方面和需要的發(fā)展具有重要價(jià)值
3. 制備方法簡(jiǎn)單。本發(fā)明利用傳統(tǒng)的煉鋼技術(shù)、軋制工藝和熱處理技 術(shù)，只需控制熱處理溫度和時(shí)間及冷卻速度即可獲得這種具有孿晶組 織的高強(qiáng)度高塑性的鋼鐵材料。
4成本低。本發(fā)明的鋼鐵材料不需要添加貴重的合金元素，只需常用 的價(jià)格較低的錳、鋁、硅元素即可獲得本鋼鐵材料，所添加的銅、鎳 量少，效果明顯。


圖1為本發(fā)明高塑性、高強(qiáng)度孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料變形前的金相組 織照片
圖2為本發(fā)明高塑性、高強(qiáng)度孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料變形后金相組織 照片
圖3為本發(fā)明高塑性、高強(qiáng)度孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料變形前熱處理后 的TEM照片的退火孿晶。
圖4為本發(fā)明高塑性、高強(qiáng)度孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料變形后的TEM照 片的變形孿晶和二次孿晶形貌。
圖5為本發(fā)明高塑性、高強(qiáng)度孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料的拉伸曲線。
具體實(shí)施例方式
下面附圖和實(shí)施例詳述本發(fā)明實(shí)施例1
1. 利用傳統(tǒng)的真 空冶 煉和熱軋、冷軋工藝制備出鋼板
冶煉工藝采用電》茲感應(yīng)爐真空熔煉，充氬氣保護(hù)。 軋制工藝鋼鐵材料鑄坯加熱溫度為U50。C,保溫40分鐘。在350 二 輥熱軋機(jī)上熱軋，得到厚度為3 3.77mm左右的熱軋薄板，總變形量 為80~90%,其開(kāi)軋和終軋溫度分別為1100。C和850°C。在430四輥 冷軋機(jī)上冷軋，冷軋至1 .Omm厚的試驗(yàn)薄板。
2. 熱處理工藝將1 .Omm厚的冷軋鋼板在加熱爐中在1000。C保溫10 分鐘后，水冷。
光學(xué)顯微組織觀察其室溫組織為奧氏體基體的退火孿晶，退火后的組 織有邊界平直的退火孿晶出現(xiàn)(圖1-1所示)，其晶粒大小20-40pm。 通過(guò)TEM觀察內(nèi)部為大量的層錯(cuò)和孿晶共存結(jié)構(gòu)，圖l-3所示的退火 孿晶，孿晶間距細(xì)小，只有500nm。 Shockley位錯(cuò)包圍的層錯(cuò)，與試 樣上下膜面相截，形成平行片狀的形貌。是由于層錯(cuò)能較低，由全位 錯(cuò)分解而來(lái)的兩個(gè)偏位錯(cuò)。拉伸變形后的光學(xué)顯微組織，在外力作用 下原來(lái)的退火孿晶發(fā)生變形，產(chǎn)生了大量的更為細(xì)小的變形孿晶圖1-2 所示。其TEM微觀組織如圖1-4所示的變形孿晶中有Tl和T2兩組孿 晶堆垛而成的不同取向、不同厚度的兩個(gè)孿晶系統(tǒng)。Tl比T2厚一些， 說(shuō)明這兩個(gè)系統(tǒng)在變形過(guò)程中并不是同時(shí)生成的，證實(shí)了晶粒內(nèi)同時(shí) 存在兩個(gè)先后被激活的孿晶系統(tǒng)。因此發(fā)生了孿晶誘發(fā)塑性效應(yīng)，使 鋼板具有優(yōu)良的力學(xué)性能。
高強(qiáng)度、高塑性孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料的室溫拉伸圖l-7所示為高強(qiáng) 度、高塑性孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料的室溫下的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。得到 的735+±10MPa的抗拉強(qiáng)度，和300士10MPa的屈服強(qiáng)度以及83.3±3% 延伸率。實(shí)施例2
與實(shí)施例l不同之處在于熱處理溫度的控制，只將熱處理溫度控 制在750。C,保溫10分鐘后，水冷。
該工藝條件下同樣制備出高強(qiáng)度、高塑性的孿晶誘導(dǎo)塑性鋼，透 射電子顯微鏡觀察該鋼鐵材料也由奧氏體基體中存在退火孿晶和層錯(cuò) 的微觀結(jié)構(gòu)，其晶粒尺寸2-5pm。該鋼鐵材料在室溫的屈服強(qiáng)度 460士10MPa,抗拉強(qiáng)度900士10MPa,延伸率58.9±3%。
權(quán)利要求
1.一種銅、鎳合金化的孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料及制備方法，其化學(xué)成分包括C％0.02-0.06％，Mn％23-33％，Al％2.5-3.5％，Si％2.5-3.5％，S％＜0.008％，其特征是所述化學(xué)成分還包含Cu0.2-0.3％，Ni0.3-0.4％。
2. 生產(chǎn)如權(quán)利要求1所述的一種銅、鎳合金化的孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材 料及制備方法，其特征在于采用真空感應(yīng)爐冶煉，加氬氣保護(hù)。在 1150。C保溫，在1100-850。C熱軋，冷軋及熱處理，其熱處理工藝為 在750-1000°C保溫10分鐘，水冷。
全文摘要
本發(fā)明是一種銅、鎳合金化的孿晶誘導(dǎo)塑性鋼鐵材料及制備方法。加入0.2-0.3％的銅和0.3-0.4％鎳微合金化的TWIP鋼通過(guò)軋制及熱處理，制備出高強(qiáng)度、高塑性的孿晶誘導(dǎo)塑性鋼，其微觀結(jié)構(gòu)經(jīng)熱處理后是2-40μm的奧氏體晶粒中上存在有退火孿晶，經(jīng)變形后形成了具有層片結(jié)構(gòu)的機(jī)械孿晶。本發(fā)明可通過(guò)工藝控制得到不同級(jí)別的強(qiáng)度和塑性的配比，可得到300-460MPa的屈服強(qiáng)度和735-900MPa的抗拉強(qiáng)度以及54.6-83.3％延伸率。使鋼的強(qiáng)度在同等條件下不降低塑性的同時(shí)使TWIP鋼的強(qiáng)度提高50-80MPa，本發(fā)明制備的高強(qiáng)度、高塑性的鋼鐵材料對(duì)迅速發(fā)展的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)具有重要的價(jià)值和極大的應(yīng)用空間。
文檔編號(hào)C21D8/00GK101235464SQ20071017835
公開(kāi)日2008年8月6日 申請(qǐng)日期2007年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月29日
發(fā)明者代永娟, 荻 唐, 李慎升, 江海濤, 王海全, 米振莉 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)