專利名稱：一種超細晶粒雙相鋼材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種超細晶粒雙相鋼材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
鋼是所有金屬中用途最廣泛的一種材料，在航空、核能、艦船和石化等工業(yè)領(lǐng)域廣泛應用。目前世界船舶建造訂單噸位總和為3億5630萬噸，中國造船廠占世界水上運輸設備建造總量的69. 4%，韓國僅占23%，雖然我國已經(jīng)從數(shù)量上逾越韓國和日本成為世界第一造船大國，但并不是第一造船強國，這主要是因為受到高性能鋼鐵材料的制約。航空母艦用鋼與民用大型船舶用鋼相比所具有的特殊性主要包括抗海水腐蝕；防磁性；耐高溫性以及有很高的強度、韌度和良好的焊接性能等等。近年來，美國、日本和俄羅斯等發(fā)達國家相繼開發(fā)并逐步采用400 MPa以上超高強度船體用鋼替代傳統(tǒng)的高強度船體鋼，然而，目前我國生產(chǎn)的船舶用鋼仍不能完全滿足該工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的需求，隨著我國造船業(yè)的迅猛發(fā)展，超高強度船體用鋼的需求明顯增大。超高強度船體鋼不但要求有高的強度，還要求有更好的低溫沖擊韌性，目前國內(nèi)外超高強度船體鋼的生產(chǎn)主要依靠較高合金成分，采用調(diào)質(zhì)工藝生產(chǎn)，為了得到良好的韌性，鋼中加入Ni的含量一般都超過了 11. 5 wt. %，這使得該鋼種成本一直居高不下，因此發(fā)展性能更優(yōu)、成本更低的超高強度船體鋼成為船舶制造和海洋平臺建設工業(yè)中迫在眉睫的課題。雙相鋼是指低碳鋼或低碳微合金鋼經(jīng)過臨界區(qū)熱處理或控軋控冷工藝而得到的主要由鐵素體+少量的馬氏體組成的高強度鋼，以具有連續(xù)屈服、屈強比低、加工硬化率較高和伸長率較大等特點而被人們所廣泛關(guān)注，雙相鋼的生產(chǎn)工藝主要有2種熱處理法和直接熱軋法，相比之下，熱軋法生產(chǎn)雙相鋼工序簡單、成本低、節(jié)約工時和能源、便于大規(guī)模生產(chǎn)，成為生產(chǎn)雙相鋼的首選方法，隨著終軋溫度的升高，雙相鋼的抗拉強度可由717MPa升高到780MPa，這主要是由組織中馬氏體的百分含量升高導致。馬氏體是一種能使鋼變硬、增強的組織，在工程應用上，為了強化材料通常涉及到馬氏體強化機制，同時，在工程應用中為了強化材料采用細化晶粒法，這是一種利用大量晶界限制或釘軋位錯運動來提高材料的強度，可由著名的Hall-Petch關(guān)系(CT = O0 +kd-U2)來描述，人們已經(jīng)從各種金屬及合金中觀察到大多數(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。通常認為納米晶的晶粒尺寸范圍為d < 100 nm,超細晶(Ultrafine grains,UFG)的晶粒尺寸范圍為100 nm < d < 1 μ m,而亞微米晶粒(Submicron grains)組織的定義為晶粒在各個方向上的尺寸均小于1 μ m,大角度晶界(High angle grain boundary, HAGB)的比例大于70%。晶粒細化是目前所知的既能提高強度，又能改善韌性的主要方法，亞微米的晶粒組織可以使材料在室溫下具有高的強度和韌性。通常金屬材料的晶粒細化主要是通過傳統(tǒng)的塑性變形加工和隨后的退火工藝，即發(fā)生再結(jié)晶和晶粒長大來獲得的，這種常規(guī)工藝所制備的材料的晶粒尺寸約為10 μ m,而普通粗晶體鋼(晶粒尺寸約為100 μ m)在室溫下拉伸的屈服強度Sy僅為 90 MPa，超細晶微合金鋼(Fe-o. 8C，晶粒尺寸約為6 μ m)在室溫下拉伸，其屈服強度為 310 MPa (Bramfitt B. L. , Marder A. R. , Metallurgicaland Petroleum Engineers, 191-198，1973);商業(yè)用 304L 不銹鋼的屈服強度為 370 MPa,抗拉強度 900 MPa，拉伸率為 40% (Joshua A. L. , Martin C. Μ. , Chester J. V. Τ. , Effectof strain rate on stress—strain behavior of alloy 309 and 304L austeniticstainless steel, Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 37,147-161,2006);臺灣科學家Lee等人將商業(yè)用304L不鎊鋼(Eastern steel, Spring House, PA)通過軋制變形15%，其屈服強度提高為370 MPa，抗拉強度900 MPa，拉伸延展率為40%(Leeff. S. , Lin C. F. , Comparative study of the impact response and microstructure of304L stainless steel with and without pre-strain, Metallurgical and MaterialsTransactions A, Vol. 33，2801-2810，2002)，其變形后微觀組織中存在大量的孿晶及馬氏體，雖然該方法基于同樣的變形原理使所制備的材料強化，但是所獲得材料的抗拉強度及屈服強度均較低；香港城市大學的Lu Jian教授等人(Chen A. Y. , Ruan H. H.，Wang J.，Chan H. L. , Wang Q. , Li Q. , Lu J. , Acta Materialia, Vol. 59 3697-3709, 2011)米用表面納米化技術(shù)，將商業(yè)304不銹鋼(厚度為Imm)的加工處理，使其表面晶粒尺寸約10 nm,距離表面約50微米處晶粒約200 nm，其屈服強度1000 MPa,抗拉強度約1050 MPa，雖然其塑性較好，拉伸率30%，強度得到顯著提高，但是采用其工藝方法所能處理的材料長度僅幾個厘米，厚度也較小，仍然無法滿足工業(yè)中對鋼材強度及耐磨性能的需求。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的鋼材抗拉強度及屈服強度較低的問題，本發(fā)明提供一種超細晶粒雙相鋼材料及其制備方法，目的是通過合理的成分設計及工藝控制，使所制備熱軋鋼材料中存在大量的馬氏體組織及亞微米級超細晶粒，同時存在納米尺度的孿晶片層結(jié)構(gòu)，幾種組織協(xié)同作用，使該鋼材料在具有超高強度的同時并具有一定的塑性變形能力。為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種超細晶粒雙相鋼材料，其化學組成按重量百分比為(13. 5 14. 5)% Cr, (6.1
6.9)% Ni, (2.3 2. 7)% Mn, (0.33 0.37)% Si, (0·60 0·90)% Cu, (0. 01 0. 03)% C，(0. 021 0. 025)% V, (0. 60 0· 90)%Μο，P < 0. 02%, S < 0. 04%，余量為 Fe 元素，其微觀結(jié)構(gòu)由取向隨機分布的超細晶粒組成，晶粒的直徑為500 2000nm，其微觀組織由奧氏體及馬氏體兩相組成，其室溫條件下的屈服強度為110(Tl600MPa，抗拉強度為1200 1850MPa，延伸率為10 20%。其中部分馬氏體組織的晶粒直徑僅為十幾個納米，在部分馬氏體組織內(nèi)部存在孿晶片層結(jié)構(gòu)，孿晶片層寬度約幾十納米。一種超細晶粒雙相鋼材料的制備方法按照以下步驟進行
按重量百分比，以 Fe-(13. 5 "14. 5)Cr-(2. 3 2·7)Μη_(6·1 6. 9)Ni-(0. 01 0. 03)C為基礎合金成分進行配料，其他微量合金元素的組成范圍為(0. 023 土 0. 002) V, (0. 075土 0.015 )Mo，將合金料在真空感應爐內(nèi)冶煉，向爐中通入惰性氣體Ar作為保護氣體，將冶煉鋼水澆鑄成鋼錠，并加熱至1150°C，在保溫Ih充分固溶處理后，將鑄錠開坯成鋼坯，進行兩階段熱軋，第一階段熱軋溫度為1050 1150°C，相對壓下量分別為35%，第二階段熱軋溫度為820 950°C，相對壓下量為15%，終軋后鋼板經(jīng)軋機出口處配置的超快冷設備進行急冷，速率在50 80 0C /s之間，冷卻到650°C后水冷至室溫，然后采用兩輥軋機對鋼板進行冷軋?zhí)幚?，變形范圍?0% 75%，冷軋完成后將該板材放在電阻爐中于450-650°C保溫5 min,然后水冷至室溫，得到超細晶粒雙相鋼鋼板。。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點和有益效果是
1.本發(fā)明是通過層錯能計算進行成分設計，確定以Fe-(13.5 ^14. 5)Cr-(2. 3 2. 7)Mn-(6. I 6. 9) Ni-(O. 01 O. 03) C為基礎合金成分，該合金成分的材料的層錯能理論值約為17 mj/mol，該層錯能有利于使所熔煉合金在適當?shù)募庸l件下發(fā)生馬氏體相變及機械孿生，從而形成大量納米尺度的馬氏體 組織及孿晶亞結(jié)構(gòu)，使金屬得到強化，同時，該合金成分的鋼種與不銹鋼相似，使所制備材料的耐腐蝕性能較強，能夠滿足其在海洋等腐蝕性環(huán)境使用的需要；
2.本發(fā)明中鋼材料具有相變及孿生效應，在再加工過程中將產(chǎn)生大量納米量級的馬氏體片層及孿晶亞結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)中具有極強的吸收位錯大能力，使得材料具有非常高的強度及一定的塑性變形能力，而且具有與不銹鋼相似成分決定了其具有優(yōu)越的耐磨耐蝕性能，因此，這種高強度的鋼材料對迅速發(fā)展的汽車工業(yè)，建筑業(yè)，原子能工業(yè)，造船等新技術(shù)領(lǐng)域等高技術(shù)的發(fā)展具有重要價值；
3.本發(fā)明是利用真空感應熔煉技術(shù)及連續(xù)軋制技術(shù)，并結(jié)合連續(xù)退火及快速冷卻技術(shù)，通過合理的工藝過程和工藝參數(shù)制備出具有雙相，即奧氏體+馬氏體組織及超細晶粒結(jié)構(gòu)的鋼材料，平均晶粒尺寸為800 nm,由于其特別的微觀組織結(jié)構(gòu)和超細晶粒，使其具有非常高的室溫拉伸強度，最高可達到1850MPa，該強度已遠高于用傳統(tǒng)方法制備的相當晶粒尺寸的鋼樣品的抗拉強度；
4.本發(fā)明利用傳統(tǒng)的真空感應熔煉技術(shù)，結(jié)合連續(xù)軋制、連續(xù)退火及快速冷卻技術(shù)，只需改進工藝條件，控制適當?shù)臒崽幚砑袄鋮s參數(shù)即可獲得這種雙相組織比例可調(diào)，平均粒徑及孿晶寬度在不同尺度范圍分布的高強度鋼材料。


圖I是本發(fā)明實施例I制備的鋼材料的掃描電子顯微鏡照片；
圖2是本發(fā)明實施例3制備的鋼材料的微觀組織形貌 圖3是室溫條件下，本發(fā)明鋼材料在室溫中單向拉伸的工程應力-工程應變曲線；
圖3中I代表本發(fā)明實施例I所得到的數(shù)據(jù)，2表示本發(fā)明實施例2所得到的數(shù)據(jù)，3表示本發(fā)明實施例3所得到的數(shù)據(jù)。
具體實施例方式本發(fā)明實施例的熔煉設備為150kg真空感應熔煉爐，具有惰性氣體保護裝置； 軋制設備為Φ450型雙輥單向異步軋機；
冷卻設備為冷速為(50 80 ) °C /s的多噴嘴超快冷設備；
保溫設備為SX2-12-10型箱式電阻爐。本發(fā)明實施例采用的合金原料均為分析純級，包括分析純級Fe粉末(Fe ^ 99. 9%),分析純級Cr粉末(Cr ^ 99. 9%),分析純級Ni粉末(Mn彡99. 9 % )，分析純級Mn粉末(Mn > 99. 9 % )和分析純級C粉末(C > 99. 9 % )和分析純級微量合金元素V和Mo 的粉末，以 Fe-(13. 5 14. 5) Cr-(2. 3 2. 7)Mn-(6. I 6. 9)Ni-(O. Ol O. 03) C 為基礎
合金組分。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述。實施例I
以 Fe-(13. 5 14. 5) Cr-(2. 3 2. 7) Mn-(6. I 6. 9) Ni-(O. 01 O. 03) C 為基礎合金成分進行配料，其他微量合金元素的組成范圍為(O. 023 土 O. 002) V，(O. 075 土 0.015 )Mo，將合金料在真空感應爐內(nèi)冶煉，向爐中通入惰性氣體Ar作為保護氣體，將冶煉鋼水鑄錠并加熱至1150°C，保溫lh，將鑄錠開坯成截面為100 mmX IOOmm的正方形坯，熱軋采用兩階段控制軋制，第一階段熱軋溫度為1050°C，為奧氏體再結(jié)晶溫度，第二階段熱軋溫度為820°C，為奧氏體未再結(jié)晶溫度，兩階段的相對壓下量分別為35%和15%，經(jīng)6道次板厚為8 mm，終軋后，鋼板立即經(jīng)軋機出口處配置的超快冷設備進行急冷，速率為50°C/ s，冷卻到650°C，保溫半小時，水冷至室溫，對所得鋼板進行多道次冷軋，每次冷軋后進行退火處理，退火溫度450°C，保溫時間10 min，然后進行下一道次冷軋，冷軋總壓下量為75%，冷軋完成后將該板材放在電阻爐中450°C保溫5 min，然后水冷至室溫，鋼板最終厚度為2 mm。制備出的板狀鋼材料具有雙相，即奧氏體+馬氏體結(jié)構(gòu)特征，晶粒尺寸為800 nm,同時，該材料具有納米尺度的孿晶片層結(jié)構(gòu)，其平均尺寸為10 nm，以及大量晶粒尺寸在納米量級的超細晶粒，該熱軋板鋼材料在室溫的屈服強度為1600MPa，抗拉強度為1850 MPa,拉伸率為10%,如圖3所示?；瘜W分析結(jié)果表明，制備態(tài)微米晶體中厚板鋼樣品的化學成分含量如表I所示 表I實施例I的超細晶粒雙相鋼化學組成
權(quán)利要求
1.一種超細晶粒雙相鋼材料，其特征在于其化學組成按重量百分比為(13. 5 ^14. 5)%Cr, (6. I 6. 9)% Ni, (2.3 2. 7)% Mn, (O. 33 O. 37)% Si, (O. 60^0. 90)% Cu, (O. 01 O.03)% C，(O. 021 O. 025)% V, (O. 60 0· 90)%Mo，P < O. 02%, S < O. 04%，余量為 Fe 元素，其微觀結(jié)構(gòu)由取向隨機分布的超細晶粒組成，晶粒的直徑為500 2000nm，其微觀組織由奧氏體及馬氏體兩相組成，其室溫條件下的屈服強度為110(Tl600MPa，抗拉強度為1200 1850MPa，延伸率為10 20%。
2.如權(quán)利要求I所述的一種超細晶粒雙相鋼材料的制備方法，其特征在于按照以下步驟進行按重量百分比，以 Fe-(13. 5 "14. 5)Cr-(2. 3 2·7)Μη_(6·1 6. 9)Ni-(O. 01 O. 03)C為基礎合金成分進行配料，其他微量合金元素的組成范圍為(O. 023 土 O. 002) V, (O. 075土 0.015 )Μο，將合金料在真空感應爐內(nèi)冶煉，向爐中通入惰性氣體Ar作為保護氣體，將冶煉鋼水澆鑄成鋼錠，并加熱至1150°C，在保溫Ih充分固溶處理后，將鑄錠開坯成鋼坯，進行兩階段熱軋，第一階段熱軋溫度為1050 1150°C，相對壓下量分別為35%，第二階段熱軋溫度為820 950°C，相對壓下量為15%，終軋后鋼板經(jīng)軋機出口處配置的超快冷設備進行急冷，速率在50 80 0C /s之間，冷卻到650°C后水冷至室溫，然后采用兩輥軋機對鋼板進行冷軋?zhí)幚?，變形范圍?0% 75%，冷軋完成后將該板材放在電阻爐中于450-650°C保溫.5 min，然后水冷至室溫，得到超細晶粒雙相鋼鋼板。
全文摘要
本發(fā)明屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種超細晶粒雙相鋼材料及其制備方法。本發(fā)明的超細晶粒雙相鋼材料，其化學組成按重量百分比為(13.5~14.5)%Cr，(6.1~6.9)%Ni，(2.3~2.7)%Mn，(0.33~0.37)%Si，(0.60~0.90)%Cu，(0.01~0.03)%C，(0.021~0.025)%V，(0.60~0.90)%Mo，P<0.02%，S<0.04%，余量為Fe元素，其微觀結(jié)構(gòu)由等軸的，取向隨機分布的超細晶粒組成，晶粒的直徑為500～2000nm，其微觀組織由奧氏體及馬氏體兩相組成，其室溫條件下的屈服強度為1100~1600MPa，抗拉強度為1200~1850MPa，延伸率為10~20%。本發(fā)明通過合理的成分設計及工藝控制，使所制備熱軋鋼材料中存在馬氏體組織、亞微米級超細晶粒和納米尺度的孿晶片層結(jié)構(gòu)，幾種組織協(xié)同作用，使鋼材料在具有超高強度的同時并具有一定的塑性變形能力。
文檔編號C21D1/26GK102618802SQ20121007298
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月20日
發(fā)明者李曉旭, 申勇峰, 薛文穎 申請人:東北大學