具有高強(qiáng)度和高延展性的新類型的非不銹鋼的制作方法
【專利摘要】本公開涉及提供非不銹鋼材合金的配方與方法，該合金具有相對(duì)高的強(qiáng)度與延展性。該合金可以以片材或壓制形式提供，其特征在于它們特有的合金化學(xué)和可識(shí)別的結(jié)晶晶粒尺寸形態(tài)。該合金使得它們包括硼化物釘扎相。其中稱為1類鋼的該合金顯示630至1100MPa的拉伸強(qiáng)度和10-40％的延伸率。2類鋼顯示875MPa至1590MPa的拉伸強(qiáng)度和5-30％的延伸率。2類鋼顯示1000MPa至1750MPa的拉伸強(qiáng)度和0.5-15％的延伸率。
【專利說(shuō)明】具有高強(qiáng)度和高延展性的新類型的非不銹鋼
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2012年I月5日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)61/583，261、2012年2月29日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)61/604，837和2012年7月24日提交的美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)13/556,410的權(quán)益。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及具有改進(jìn)的性質(zhì)組合的新類型的非不銹鋼合金，其適用于通過(guò)方法例如冷硬表面處理的片材制備。

【背景技術(shù)】
[0004]鋼材已經(jīng)被人類使用了至少3000年，并且廣泛用于工業(yè)中，占工業(yè)用途的所有金屬性合金的超過(guò)80重量％?，F(xiàn)有的鋼技術(shù)基于控制共析轉(zhuǎn)變。第一步驟是將合金加熱至單相區(qū)(奧氏體)并隨后以各種冷卻速率將該鋼材冷卻或淬火以形成多相組織，該多相組織通常為鐵素體、奧氏體和滲碳體的組合。取決于鋼材在凝固或熱處理時(shí)的冷卻速率，可獲得具有寬范圍性質(zhì)的多種特性顯微組織(例如珠光體、貝氏體和馬氏體)。控制共晶轉(zhuǎn)變已導(dǎo)致多種現(xiàn)今可用的鋼材。
[0005]在本文中非不銹鋼可理解為包含小于10.5%的鉻并且通常由碳素鋼表示，所述碳素鋼是目前為止最廣泛使用的鋼。碳鋼的性質(zhì)主要取決于其包含的碳量。由于具有非常低的碳含量(低于0.05%的C)，這些鋼為相對(duì)有延展性的并且具有類似于純鐵的性質(zhì)。不能通過(guò)熱處理將它們改性 。它們是廉價(jià)的，但是工程應(yīng)用可限于不重要的部件和一般的嵌板工作(general panneling work)。
[0006]大多數(shù)合金鋼中的珠光體組織形成需要比碳素鋼中少的碳。大部分這些合金鋼是低碳材料并且用1.0重量％ -50重量％的總量的各種元素合金化以改善其機(jī)械性質(zhì)。將碳含量降低至0.10% -0.30%的范圍連同合金化元素的一些降低，增加了鋼材的可焊接性和可成形性同時(shí)維持其強(qiáng)度。將這樣的合金定級(jí)為表現(xiàn)出270-700MPa拉伸強(qiáng)度的高強(qiáng)度低合金鋼(HSLA)。
[0007]先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼(AHSS)鋼可具有大于700MPa的拉伸強(qiáng)度并且包括諸如例如馬氏體鋼(MS)、雙相(DP)鋼、轉(zhuǎn)變誘發(fā)塑性(TRIP)鋼和復(fù)相(CP)鋼的類型。隨著強(qiáng)度水平提高，鋼的延展性通常降低。例如，低強(qiáng)度鋼(LSS)、高強(qiáng)度鋼(HSS)和AHSS可分別顯示在25% -55%、10% -45%和4% -30%水平下的拉伸延伸率。
[0008]在馬氏體時(shí)效鋼中已獲得了顯著更高的強(qiáng)度(高達(dá)2500MPa)，所述馬氏體時(shí)效鋼是添加鈷、鑰、鈦和鋁的不含碳的鐵-鎳合金。術(shù)語(yǔ)馬氏體時(shí)效源自于強(qiáng)化機(jī)理，其用隨后的時(shí)效硬化將合金轉(zhuǎn)變成馬氏體。普通的非不銹鋼種的馬氏體時(shí)效鋼包含17% -18%的鎳、8%-12%的鈷、3%-5%的鑰和0.2%-1.6%的鈦。馬氏體時(shí)效鋼相對(duì)高的價(jià)格(它們比通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)方法制備的高合金工具鋼貴幾倍)顯著限制了它們?cè)诤芏囝I(lǐng)域(例如汽車工業(yè))的應(yīng)用。它們對(duì)非金屬性?shī)A雜非常敏感，所述非金屬性?shī)A雜充當(dāng)應(yīng)力集中部位并且促進(jìn)孔隙和微裂紋的形核，導(dǎo)致鋼的延展性和斷裂韌性的降低。為了是非金屬夾雜物的含量最小化，通常在真空下熔化馬氏體時(shí)效鋼，這導(dǎo)致高成本的加工。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本公開涉及用于制備金屬性合金的方法，該方法包括提供一種包含65.5-80.9原子％的Fe、1.7-15.1原子％的N1、3.5-5.9原子％的B、4.4-8.6原子％的Si的金屬合金。接著可將該合金熔融并凝固以提供500nm-20，OOOnm的基體晶粒尺寸和25nm_500nm的硼化物晶粒尺寸。隨后可對(duì)所述合金施加機(jī)械應(yīng)力和/或加熱以形成以下的晶粒尺寸分布和機(jī)械性質(zhì)狀況的至少一種，其中硼化物顆粒提供抵抗所述基體晶粒粗化的釘扎相:(a) 500nm-20, OOOnm的基體晶粒尺寸，25nm-500nm的硼化物晶粒尺寸，lnm-200nm的析出晶粒尺寸，其中該合金顯示300MPa-840MPa的屈服強(qiáng)度、630MPa_l10MPa的拉伸強(qiáng)度和10-40%的拉伸延伸率；或(b) 100nm-2000nm的細(xì)化基體晶粒尺寸、lnm-200nm的析出晶粒尺寸、200nm-2，500nm的硼化物晶粒尺寸，其中該合金具有300MPa_600MPa的屈服強(qiáng)度?？蓪⒕哂屑?xì)化晶粒尺寸分布(b)的合金暴露于超過(guò)300MPa-600MPa的屈服強(qiáng)度的應(yīng)力，其中細(xì)化晶粒尺寸保持在100nm-2000nm，硼化物晶粒尺寸保持在200nm-2500nm，析出晶粒保持在lnm-200nm，其中所述合金顯示300MPa_1400MPa的屈服強(qiáng)度、875MPa_1590MPa的拉伸強(qiáng)度和5% -30%的延伸率。
[0010]本公開還涉及一種包括提供金屬合金的方法，該金屬合金包含65.5-80.9原子％的Fe、1.7-15.1原子％的N1、3.5-5.9原子％的B、4.4-8.6原子％的Si。隨后可將該合金熔融并凝固以提供500nm-20，OOOnm的基體晶粒尺寸和100nm-2500nm的硼化物晶粒尺寸。接著加熱該合金并形成包括10nm-1O, OOOnm的晶粒和100nm-2500nm的硼化物晶粒尺寸的板條組織，其中該合金具有300MPa-1400MPa的屈服強(qiáng)度、350MPa_1600MPa的拉伸強(qiáng)度和0-12%的延伸率。隨后可加熱前述的板條組織并且形成lOOnm-lO，OOOnm厚、0.1-5.0微米長(zhǎng)和10nm-1OOOnm寬的薄片晶粒,連同100nm-2500nm的硼化物晶粒和Inm-1OOnm的析出晶粒，其中該合金顯示350MPa-1400MPa的屈服強(qiáng)度。前述的薄片組織可經(jīng)受應(yīng)力并形成具有100nm-5000nm的晶粒、100nm-2500nm的硼化物晶粒、Inm-1OOnm的析出晶粒的合金，其中該合金具有350MPa-1400MPa的屈服強(qiáng)度、1000MPa-1750MPa的拉伸強(qiáng)度和0.5% -15.0%的延伸率。
[0011]本公開還涉及金屬性合金，該金屬性合金包含65.5-80.9原子％的Fe、1.7-15.1原子％的Ni,3.5-5.9原子％的Β、4.4-8.6原子％的Si，其中該合金顯示500nm-20, OOOnm的基體晶粒尺寸和100nm-2500nm的硼化物晶粒尺寸。該合金在第一次暴露于熱時(shí)形成包括lOOnm-lO, OOOnm的晶粒和100nm-2500nm的硼化物晶粒尺寸的板條組織,其中該合金具有400MPa-1400MPa的屈服強(qiáng)度、350MPa_1600MPa的拉伸強(qiáng)度和0-12%的延伸率。在第二次暴露于熱接著施加應(yīng)力時(shí)，該合金具有100nm-5000nm的晶粒、100nm-2500nm的硼化物晶粒、Inm-1OOnm的析出晶粒并且該合金具有350MPa_1400MPa的屈服強(qiáng)度、1000MPa_1750MPa的拉伸強(qiáng)度和0.5% -15.0 %的延伸率。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]參考附圖可更好地理解以下的詳細(xì)描述，提供所述附圖用于說(shuō)明的目的而不應(yīng)理解為限制本發(fā)明的任何方面。
[0013]圖1說(shuō)明了示例性雙輥法。
[0014]圖2說(shuō)明了示例性薄板坯連鑄法。
[0015]圖3A說(shuō)明了關(guān)于形成本文中的I類鋼的組織和機(jī)理。
[0016]圖3B說(shuō)明了關(guān)于形成本文中的2類鋼合金的組織和機(jī)理。
[0017]圖4A說(shuō)明了包含模態(tài)相形成的材料的代表性應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0018]圖4B說(shuō)明了所示組織和相關(guān)的形成機(jī)理的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0019]圖5說(shuō)明了關(guān)于形成本文中的3類鋼的組織和機(jī)理。
[0020]圖6A說(shuō)明了薄片組織。
[0021]圖6B說(shuō)明了與2類鋼相比的3類鋼在室溫下拉伸時(shí)的機(jī)械響應(yīng)。
[0022]圖7說(shuō)明了依賴于它們來(lái)自初始形成的模態(tài)組織的顯微組織發(fā)展的兩類合金。
[0023]圖8說(shuō)明了具有1.8mm厚度的合金6板材的圖片(a)鑄態(tài)；(b)在1100°C下HIP循環(huán)I小時(shí)后。
[0024]圖9說(shuō)明了所示出的鋼類型與雙相(DP)鋼相比的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的對(duì)比。
[0025]圖10說(shuō)明了所示出的鋼類型與復(fù)相(CP)鋼相比的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的對(duì)比。
[0026]圖11說(shuō)明了所示出的鋼類型與轉(zhuǎn)變誘發(fā)塑性(TRIP)鋼相比的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的對(duì)比。
[0027]圖12說(shuō)明了所示出的鋼類型與馬氏體(MS)鋼相比的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的對(duì)比。
[0028]圖13說(shuō)明了 2類合金板材樣品中顯微組織的背散射SEM顯微照片；a)鑄態(tài)，b)在1100°C下經(jīng)HIP —小時(shí)，和C)在1100°C下HIP —小時(shí)和在700°C下熱處理一小時(shí)。
[0029]圖14說(shuō)明了處于鑄態(tài)條件下的2類合金板材的X射線衍射數(shù)據(jù)(強(qiáng)度對(duì)2Θ)；a)測(cè)量圖案，b)Rietveld計(jì)算圖案。
[0030]圖15說(shuō)明了處于經(jīng)HIP的條件(1100°C持續(xù)一小時(shí))下的2類合金板材的X射線衍射數(shù)據(jù)(強(qiáng)度對(duì)2 Θ ) ;a)測(cè)量圖案，b)采用識(shí)別的峰的Rietveld計(jì)算圖案。
[0031]圖16說(shuō)明了處于經(jīng)HIP(100(TC持續(xù)一小時(shí))和經(jīng)熱處理的條件(350°C持續(xù)20分鐘)下的2類合金板材的X射線衍射數(shù)據(jù)(強(qiáng)度對(duì)2 Θ ) ;a)測(cè)量圖案，b)采用識(shí)別的峰的Rietveld計(jì)算圖案。
[0032]圖17說(shuō)明了 2類合金板材樣品的TEM顯微照片；a)鑄態(tài)，b)在1100°C下經(jīng)HIP一小時(shí)，和c)在1100°C下經(jīng)HIP—小時(shí)和在700°C下熱處理一小時(shí)。
[0033]圖18說(shuō)明了鑄態(tài)合金6板材中的顯微組織的背散射SEM顯微照片。
[0034]圖19說(shuō)明了在1100°C下HIP循環(huán)一小時(shí)后3類合金板材中的顯微組織的背散射SEM顯微照片。
[0035]圖20說(shuō)明了在1100°C下HIP循環(huán)一小時(shí)和熱處理至700°C持續(xù)60分鐘并相對(duì)緩慢爐冷后的3類合金板材中的顯微組織的背散射SEM顯微照片。
[0036]圖21說(shuō)明了在1100°C下HIP循環(huán)一小時(shí)和在700°C下熱處理60分鐘并相對(duì)緩慢爐冷后的3類合金板材中的顯微組織的背散射SEM顯微照片。
[0037]圖22說(shuō)明了處于鑄態(tài)條件下的3類合金板材的X射線衍射數(shù)據(jù)(強(qiáng)度對(duì)2 Θ )，a)測(cè)量圖案；b)采用識(shí)別的峰的Rietveld計(jì)算圖案。
[0038]圖23說(shuō)明了處于經(jīng)HIP的條件(1100°C持續(xù)一小時(shí))下的3類合金板材的X射線衍射數(shù)據(jù)(強(qiáng)度對(duì)2 Θ ) ;a)測(cè)量圖案，b)采用識(shí)別的峰的Rietveld計(jì)算圖案。
[0039]圖24說(shuō)明了處于經(jīng)HIP(1100°C下持續(xù)一小時(shí))和熱處理的條件(700°C緩慢冷卻至室溫(670分鐘總時(shí)間))的3類合金板材的X射線衍射數(shù)據(jù)(強(qiáng)度對(duì)2 Θ ) ;a)測(cè)量圖案，b)采用識(shí)別的峰的Rietveld計(jì)算圖案。
[0040]圖25說(shuō)明了鑄態(tài)3類合金板材樣品的TEM顯微照片:(a)鑄態(tài)樣品中晶間區(qū)域處的顯微組織(對(duì)應(yīng)于圖6中的區(qū)域B) ；(b)晶間區(qū)域處顯示析出物的詳細(xì)組織的放大圖像；(C)基體晶粒的顯微組織，其在由箭頭指示的一個(gè)方向排列。
[0041 ] 圖26說(shuō)明了在1100°C下持續(xù)I小時(shí)的3類合金板材樣品的TEM顯微照片:(a)具有板條組織的基體中均勻形成和分布的多個(gè)析出物；(b)在析出物附近的板條顯微組織的詳細(xì)顯微組織；(c)顯示具有板條組織的晶粒的暗場(chǎng)TEM圖像。
[0042]圖27說(shuō)明了在1100°C下HIP循環(huán)一小時(shí)和在700°C下熱處理60分鐘并相對(duì)緩慢爐冷后的3類合金板材樣品中的顯微組織的TEM顯微照片:(a)析出物略微生長(zhǎng)，但是基體中的板條組織發(fā)展成薄片組織。(b)在更高的放大倍數(shù)下的基體組織。
[0043]圖28說(shuō)明了處于各種條件下的2類合金板材的拉伸性質(zhì)；a)鑄態(tài)，b)在1100°C下HIP循環(huán)一小時(shí)后，和c)在1100°C下HIP循環(huán)一小時(shí)和在700°C下熱處理I小時(shí)后。
[0044]圖29說(shuō)明了來(lái)自在1100°C下HIP循環(huán)I小時(shí)和在700°C下熱處理I小時(shí)以及在室溫下變形后的2類合金板材的拉伸試樣中顯微組織的SEM圖像(a)夾持區(qū)域(gripsect1n)和(b)標(biāo)記區(qū)域(gage sect1n)。
[0045]圖30說(shuō)明了在1100°C下HIP循環(huán)I小時(shí)和在700°C下熱處理I小時(shí)后的2類合金板材的X射線數(shù)據(jù)之間的對(duì)比:1)拉伸測(cè)試后的試樣標(biāo)記部分(上部曲線)和2)試樣夾持部分 (下部曲線)。
[0046]圖31說(shuō)明了來(lái)自處于經(jīng)HIP的條件(1100°C持續(xù)I小時(shí))和在700°C下熱處理I小時(shí)的2類合金板材的拉伸測(cè)試試樣的標(biāo)記部分的X射線衍射數(shù)據(jù)(強(qiáng)度對(duì)2 Θ ) ;a)測(cè)量圖案，b)采用識(shí)別的峰的Rietveld計(jì)算圖案。
[0047]圖32說(shuō)明了在1100°C下經(jīng)HIP —小時(shí)和在700°C下熱處理一小時(shí)的2類合金板材的TEM顯微照片；a)拉伸測(cè)試前；b)拉伸測(cè)試后。
[0048]圖33說(shuō)明了在1100°C下經(jīng)HIP —小時(shí)和在700°C下熱處理一小時(shí)的2類合金板材的TEM顯微照片；a)拉伸測(cè)試前，在熱處理后觀察到納米析出物；b)拉伸測(cè)試后，觀察由納米析出物的位錯(cuò)釘扎。
[0049]圖34是顯示處于各種條件下的3類合金板材的拉伸性質(zhì)的應(yīng)力對(duì)應(yīng)變曲線:(a)鑄態(tài)；(b)在1000°C下HIP循環(huán)I小時(shí)；和(c)在1100°C下HIP循環(huán)I小時(shí)和在700°C下熱處理60分鐘并相對(duì)緩慢爐冷。
[0050]圖35是在1100°C下HIP循環(huán)I小時(shí)和在700°C下熱處理并緩慢冷卻至室溫(670分鐘總時(shí)間)后的3類合金板材的X射線數(shù)據(jù)的對(duì)比:(1)拉伸測(cè)試后的板材標(biāo)記部分(上部曲線)；和(2)拉伸測(cè)試前的板材(下部曲線)。
[0051]圖36是來(lái)自處于經(jīng)HIP的條件(1100°C持續(xù)I小時(shí))的3類合金板材的拉伸測(cè)試試樣的標(biāo)記部分的X射線衍射數(shù)據(jù)(強(qiáng)度對(duì)2Θ):(a)測(cè)量圖案，(b)采用識(shí)別的峰的Rietveld計(jì)算圖案。
[0052]圖37是在來(lái)自處于經(jīng)HIP的條件(1100°C持續(xù)I小時(shí))和在700°C下熱處理，緩慢冷卻至室溫(670分鐘總時(shí)間)條件下的3類合金板材的拉伸測(cè)試試樣的標(biāo)記部分中發(fā)現(xiàn)的新識(shí)別的六方相(空間群#190)的計(jì)算X射線衍射圖案(強(qiáng)度對(duì)2Θ)。請(qǐng)注意在括號(hào)中列出了衍射面。
[0053]圖38是在來(lái)自處于經(jīng)HIP的條件(1100°C持續(xù)I小時(shí))和在700°C下熱處理，緩慢冷卻至室溫(670分鐘總時(shí)間)條件下的3類合金板材的拉伸測(cè)試試樣的標(biāo)記部分中發(fā)現(xiàn)的新識(shí)別的六方相(空間群#186)的計(jì)算X射線衍射圖案(強(qiáng)度對(duì)2 Θ)。請(qǐng)注意在括號(hào)中列出了衍射面。
[0054]圖39是來(lái)自在1100°C下HIP循環(huán)I小時(shí)和在700°C下熱處理60分鐘并相對(duì)緩慢爐冷后的3類合金板材的拉伸試樣中的顯微組織的TEM顯微照片:(a)拉伸測(cè)試前；(b)拉伸測(cè)試后。
[0055]圖40是在相同的熱機(jī)械處理后的合金17和合金27在室溫下測(cè)試的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0056]圖41是在1100°C下HIP循環(huán)I小時(shí)和在700°C下熱處理I小時(shí)后(變形前)的合金17板材中的顯微組織的SEM圖像。
[0057]圖42是在1100°C下HIP循環(huán)I小時(shí)和在700°C下熱處理I小時(shí)后(變形前)的合金27板材中的顯微組織的SEM圖像。
[0058]圖43是在HIP循環(huán)和在700°C下熱處理I小時(shí)并且(a)在空氣中和(b)用爐冷卻后的合金2板材試樣的拉伸測(cè)試時(shí)記錄的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0059]圖44是在HIP循環(huán)C和在700°C下熱處理I小時(shí)并且(a)在空氣中和(b)用爐冷卻后的合金5板材試樣的拉伸測(cè)試時(shí)記錄的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0060] 圖45是在HIP循環(huán)和(a)在850°C下I小時(shí)并在空氣中冷卻和(b)在700°C下I小時(shí)用爐冷卻的熱處理后的合金52板材試樣的拉伸測(cè)試時(shí)記錄的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0061]圖46說(shuō)明了 2類合金中的應(yīng)變硬化系數(shù)與應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系。
[0062]圖47說(shuō)明了 3類合金中的應(yīng)變硬化與應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系。
[0063]圖48說(shuō)明了用增量應(yīng)變對(duì)2類合金進(jìn)行拉伸測(cè)試的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0064]圖49說(shuō)明了用增量應(yīng)變對(duì)3類合金進(jìn)行拉伸測(cè)試的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0065]圖50說(shuō)明了 2類合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)處于初始狀態(tài)和(b)在預(yù)應(yīng)變至10%并測(cè)試至失效后。
[0066]圖51說(shuō)明了來(lái)自在預(yù)應(yīng)變至10%前后的2類合金的拉伸試樣的標(biāo)記部分的顯微組織的SEM圖像。
[0067]圖52說(shuō)明了 3類合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)處于初始狀態(tài)和(b)在預(yù)應(yīng)變至3%并測(cè)試至失效后。
[0068]圖53說(shuō)明了在1100°C下HIP循環(huán)I小時(shí)后的2類合金板材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)處于初始狀態(tài)和(b)在預(yù)應(yīng)變至10%和隨后在1100°C下退火I小時(shí)后。
[0069]圖54說(shuō)明了來(lái)自在預(yù)應(yīng)變至10%和隨后在1100°C下退火I小時(shí)后的2類合金板材的拉伸試樣的標(biāo)記部分的顯微組織的SEM圖像。
[0070]圖55說(shuō)明了在1100°C下HIP循環(huán)I小時(shí)后的3類合金板材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并且在(a)處于初始狀態(tài)和(b)在預(yù)應(yīng)變至3%和隨后在1100°C下退火I小時(shí)后進(jìn)行測(cè)試。
[0071]圖56說(shuō)明了來(lái)自在預(yù)應(yīng)變至3%和隨后在1100°C下退火I小時(shí)后的3類合金板材的拉伸試樣的標(biāo)記部分的顯微組織的SEM圖像。
[0072]圖57說(shuō)明了 2類合金板材試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線，該試樣經(jīng)受3個(gè)回合的拉伸測(cè)試至10%變形，接著在步驟之間退火并測(cè)試至失效。
[0073]圖58說(shuō)明了來(lái)自在3個(gè)回合的變形至10% (在回合之間退火)前后的2類合金板材的拉伸測(cè)試試樣。
[0074]圖59說(shuō)明了來(lái)自在3個(gè)回合的變形至10% (在回合之間退火)前后的2類合金板材的拉伸試樣的標(biāo)記中的顯微組織的SEM圖像。
[0075]圖60說(shuō)明了來(lái)自在循環(huán)變形至10%和在1100°C下退火I小時(shí)(3次)后的2類合金板材的拉伸試樣中的顯微組織的TEM圖像，然后a)在夾持區(qū)域中和b)在標(biāo)記中測(cè)試至失效。
[0076]圖61說(shuō)明了在1100°C下HIP循環(huán)I小時(shí)和在700°C下熱處理I小時(shí)并相對(duì)緩慢爐冷后的3類合金板材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,該板材經(jīng)受3個(gè)回合的拉伸測(cè)試至3%變形，接著在步驟之間退火并測(cè)試至失效。
[0077]圖62說(shuō)明了在700°C下合金20(3類)的顯著拉伸延伸率。
[0078]圖63是在700°C下拉伸后具有88.5%的拉伸延伸率的合金20 (3類)試樣的標(biāo)記顯微組織的SEM圖像。
[0079]圖64是在850°C下拉伸后具有23%的拉伸延伸率的合金20 (3類)試樣的標(biāo)記顯微組織的SEM圖像。
[0080]圖65是在700°C下拉伸后具有34.5%的拉伸延伸率的合金22 (3類)試樣的標(biāo)記顯微組織的SEM圖像。
[0081]圖66是在850°C下拉伸后具有13.5%的拉伸延伸率的合金22 (3類)試樣的標(biāo)記顯微組織的SEM圖像。
[0082]圖67是在700°C下拉伸后具有88.5%的拉伸延伸率的合金20 (3類)試樣的標(biāo)記顯微組織的TEM圖像。
[0083]圖68是在850°C下拉伸后具有23%的拉伸延伸率的合金20 (3類)試樣的標(biāo)記顯微組織的TEM圖像。
[0084]圖69說(shuō)明了在提高的溫度下變形后的合金20中納米析出物的Cu富集。
[0085]圖70是在700°C下拉伸后具有34.5%的拉伸延伸率的合金22 (3類)試樣的標(biāo)記顯微組織的TEM圖像。
[0086]圖71是在850°C下拉伸后具有13.5%的拉伸延伸率的合金22 (3類)試樣的標(biāo)記顯微組織的TEM圖像。
[0087]圖72是㈧具有I英寸厚度的鑄態(tài)板材，⑶從該板材切割的薄板，和(C)來(lái)自合金6的拉伸試樣的圖片。
[0088]圖73說(shuō)明了來(lái)自合金6的I英寸厚板的拉伸性質(zhì)。

【具體實(shí)施方式】
[0089]鋼帶材/鋼片材尺寸
[0090]如本申請(qǐng)中所描述的，通過(guò)冷硬表面處理，可制備具有100-5000mm寬度、0.3mm-150mm厚度的鋼片材?？梢砸?.1mm的增量在這些范圍內(nèi)調(diào)整這些厚度范圍和寬度范圍。優(yōu)選地，可使用雙輥鑄造，其可制備厚度為0.3-5mm和寬度為100mm-5000mm的片材。優(yōu)選地，還可利用薄板還連鑄，其可制備厚度為0.5_150mm和寬度為100mm-5000mm的片材。片材的冷卻速率會(huì)取決于方法，但可為11X103-4X10_2K/s不等。在本文中還設(shè)想通過(guò)各種冷硬表面法的具有最高150mm或lmm-150mm的厚度的燒鑄部件來(lái)自各種方法,包括永久型鑄造、熔模鑄造、加壓鑄造、離心鑄造等。此外，通過(guò)常規(guī)的壓制和燒結(jié)或通過(guò)HIP/鍛造的粉末冶金法是制備利用本申請(qǐng)中描述的化學(xué)、結(jié)構(gòu)和機(jī)理的部分或完全致密的部件和裝置(即本文中所描述的2類或3類鋼)的預(yù)期路線。
[0091]制備途徑
[0092]雙輥澆鑄描述
[0093]通過(guò)冷硬表面處理制備鋼材的一個(gè)實(shí)例是制備鋼片材的雙輥法。在圖1中顯示了Nucor/Castrip法的示意圖。如所示的，可將該方法分成三個(gè)階段:階段1_鑄造，階段2-熱車L，和階段3-帶材卷繞。在階段I期間，當(dāng)凝固中的金屬在通常由銅或銅合金制成的輥之間的棍隙(roll nip)中會(huì)聚時(shí)形成該片材。在這個(gè)階段鋼材的典型厚度為1.7-1.8mm,但是通過(guò)改變輥分隔距離，厚度可為0.8-3.0mm不等。在階段2期間，通常在700-1200°C下將該制備狀態(tài)的片材熱軋以便從制備方法消除宏觀缺陷例如孔隙、分散縮孔、氣孔、針孔、夾渣等等的形成，并允許關(guān)鍵合金化元素的固溶化、奧氏體化等。取決于目標(biāo)市場(chǎng)，熱軋片材的厚度可變化，但通常為0.3-2.0_。在階段3期間，可通過(guò)在卷繞前增加水冷和改變片材的輸出(run-out)長(zhǎng)度來(lái)控制片材的溫度和通常在300-700°C的溫度下的時(shí)間。除了熱軋以外，還可通過(guò)交替的熱機(jī)械處理策略例如熱等靜壓、鍛造、燒結(jié)等來(lái)進(jìn)行階段2。除了在帶材卷繞過(guò)程期間控制熱條件以外，還可通過(guò)后處理熱處理來(lái)進(jìn)行階段3以便控制片材中的最終顯微組織。
[0094]薄板坯連鑄描述
[0095] 通過(guò)冷硬表面處理制備鋼材的另一個(gè)實(shí)例是制備鋼片材的薄板坯連鑄法。在圖2中顯示了 Arvedi ESP法的示意圖。以與雙輥法類似的方式，可將薄板坯連鑄法分成三個(gè)階段。在階段I中，以幾乎同時(shí)的方式鑄造和軋制液體鋼材。通過(guò)迫使液體熔體穿過(guò)銅或銅合金模具來(lái)開始凝固過(guò)程以制備通常為50-110mm的初始厚度，但這可基于液體金屬可加工性和制備速度而改變(即20-150mm)。幾乎在剛剛離開模具后并且當(dāng)鋼片材的內(nèi)芯仍為液體時(shí)，使用多級(jí)輥軋臺(tái)使片材經(jīng)受壓縮，取決于最終的片材厚度目標(biāo)，使厚度顯著降低至10mm。在階段2中，通過(guò)穿過(guò)一個(gè)或兩個(gè)感應(yīng)爐來(lái)加熱鋼片材并且在該階段期間使溫度分布和金相組織均勻化。在階段3中，將片材進(jìn)一步軋制到最終測(cè)量厚度目標(biāo)，該目標(biāo)可為0.5-15mm厚度。在軋制后立即在輸出輥道上冷卻該帶材以在卷繞成鋼卷之前控制該片材的最終顯微組織的發(fā)展。
[0096]雖然在雙輥澆鑄或薄板坯連鑄中形成片材的三個(gè)階段過(guò)程是本方法的一部分，但是基于本文所描述的機(jī)理和組織類型以及所得的性質(zhì)的新組合，本文中的合金對(duì)這些階段的響應(yīng)是特有的。
[0097]新類型的非不銹鋼
[0098]本文中的非不銹鋼合金使得它們能夠形成本文中描述的I類、2類和3類鋼，這些鋼優(yōu)選為晶態(tài)(非玻璃態(tài)的)，具有可識(shí)別的晶態(tài)晶粒尺寸形態(tài)。在本文中詳細(xì)描述了該合金形成本文中的2類或3類鋼的能力。然而，首先考慮描述I類、2類和3類鋼的一般特征是有用的，下面提供該描述。
[0099]I 類鋼
[0100]在圖3A中顯示了本文中的I類鋼(非不銹)的形成。在本文中非不銹鋼可理解為包含小于10.5%的鉻。如其中所示,初始形成模態(tài)組織,該模態(tài)組織是由合金的液體熔體開始并經(jīng)冷卻凝固的結(jié)果，這提供了具有特定晶粒尺寸的特定相的成核與生長(zhǎng)。因此在本文中提到模態(tài)可理解為一種具有至少兩種晶粒尺寸分布的組織。本文中的晶粒尺寸可理解為優(yōu)選可通過(guò)諸如掃描電子顯微鏡法或透射電子顯微鏡法識(shí)別的具體特定相的單個(gè)晶體的尺寸。因此，可以優(yōu)選通過(guò)經(jīng)所示實(shí)驗(yàn)室規(guī)模程序和/或經(jīng)涉及冷硬表面處理方法的諸如雙輥處理或薄板坯連鑄的工業(yè)規(guī)模方法進(jìn)行加工來(lái)實(shí)現(xiàn)I類鋼的組織I。
[0101]因此I類鋼的模態(tài)組織在由熔體冷卻時(shí)將初始顯示下列晶粒尺寸:(l)500nm至20，OOOnm的基體晶粒尺寸，其含有奧氏體和/或鐵素體；(2) 25nm至500nm的硼化物晶粒尺寸(即非金屬性晶粒，例如M2B，其中M是金屬并共價(jià)鍵合到B上)。該硼化物晶粒還優(yōu)選是“釘扎”型相，其指的是通過(guò)釘扎相將有效地穩(wěn)定該基體晶粒的特征，所述釘扎相在提高的溫度下抵抗粗化。要注意的是，金屬硼化物晶粒已經(jīng)識(shí)別為表現(xiàn)出M2B的化學(xué)計(jì)量，但是其它化學(xué)計(jì)量也是可能的，并可以提供釘扎，包括M3B、MB (M1B1)、M23B6和M7B3。
[0102]I類鋼的模態(tài)組織可以通過(guò)熱機(jī)械變形和通過(guò)熱處理發(fā)生形變，導(dǎo)致性質(zhì)方面的某些變化，但是可以保持該模態(tài)組織。
[0103]當(dāng)將上述I類鋼暴露于機(jī)械應(yīng)力時(shí)，在圖4A中說(shuō)明了觀察到的應(yīng)力對(duì)應(yīng)變圖。因此觀察到模態(tài)組織經(jīng)歷了被識(shí)別為動(dòng)態(tài)納米相析出的過(guò)程，所述動(dòng)態(tài)納米相析出導(dǎo)致了 I類鋼的第二類型組織。因此當(dāng)該合金在應(yīng)力下經(jīng)受屈服時(shí)觸發(fā)了此類動(dòng)態(tài)納米相析出，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷動(dòng)態(tài)納米相析出的I類鋼的屈服強(qiáng)度可優(yōu)選出現(xiàn)在300MPa至840MPa。因此，可理解的是，動(dòng)態(tài)納米相析出因施加超過(guò)此類所示屈服強(qiáng)度的機(jī)械應(yīng)力而發(fā)生。動(dòng)態(tài)納米相析出本身可以理解為在I類鋼中形成其它可識(shí)別相，這種相被稱為具有相關(guān)晶粒尺寸的析出相。也就是說(shuō)，此類動(dòng)態(tài)納米相析出的結(jié)果是形成一種合金，其仍顯示500nm至20，OOOnm的可識(shí)別基體晶粒尺寸、25nm至500nm的硼化物釘扎晶粒尺寸，連同形成了含有六方相及1.0nm至200nm的晶粒的析出晶粒。如上所述，當(dāng)合金受到應(yīng)力時(shí)該晶粒尺寸因此不會(huì)粗化，但是會(huì)導(dǎo)致析出晶粒如所述那樣發(fā)展。
[0104]提到六方相可理解為一種具有P63mc空間群(#186)的雙六方錐類六方相和/或具有六方P6bar2C空間群(#190)的復(fù)三方雙錐類。此外，I類鋼的此類第二類型組織的機(jī)械性質(zhì)使得觀察到拉伸強(qiáng)度落在630MPa至IlOOMPa范圍內(nèi)，并具有10-40%的延伸率。此外，I類鋼的第二類型組織使得其表現(xiàn)出在經(jīng)受所示屈服后幾乎無(wú)變化的0.1-0.4的應(yīng)變硬化系數(shù)。該應(yīng)變硬化系數(shù)參照式σ =Κεη*η的值，其中σ代表在材料上施加的應(yīng)力，ε是應(yīng)變，K是強(qiáng)度系數(shù)。應(yīng)變硬化指數(shù)η的值在O和I之間。O的值意味著合金是完全塑性固體(即該材料對(duì)施加的力經(jīng)歷不可逆變化)，而I的值代表100%彈性體(即該材料對(duì)施加的力經(jīng)歷可逆變化)。
[0105]下表1提供了本文中的I類鋼的比較與性能總結(jié)。
[0106]表1 I類鋼的組織和性能的比較
[0107]

【權(quán)利要求】
1.一種方法，包括: 提供包含65.5-80.9原子％的Fe、1.7-15.1原子％的附、3.5-5.9原子％的B、4.4-8.6原子％的Si的金屬合金； 熔融所述合金并凝固以提供500nm-20, OOOnm的基體晶粒尺寸和25nm-500nm的硼化物晶粒尺寸； 對(duì)所述合金施加機(jī)械應(yīng)力和/或加熱以形成下列晶粒尺寸分布和機(jī)械性質(zhì)狀況的至少一種，其中所述硼化物晶粒提供抵抗所述基體晶粒粗化的釘扎相: (a)500nm-20, OOOnm的基體晶粒尺寸,25nm-500nm的硼化物晶粒尺寸，lnm-200nm的析出晶粒尺寸，其中所述合金顯示300MPa-840MPa的屈服強(qiáng)度、630MPa_l10MPa的拉伸強(qiáng)度和10-40%的拉伸延伸率；或 (b)100nm-2000nm的細(xì)化基體晶粒尺寸，lnm-200nm的析出晶粒尺寸，200nm-2, 500nm的硼化物晶粒尺寸，其中該合金具有300MPa-600MPa的屈服強(qiáng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述合金包括下列一種或多種: 0-8.8原子％的Cr 0-2.0原子％的Cu 0-18.8原子％的胞。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2中任一項(xiàng)的方法，其中在1100°C-2000°C的溫度下實(shí)現(xiàn)所述熔融，和通過(guò)11X103-4X10_2K/s范圍內(nèi)的冷卻實(shí)現(xiàn)凝固。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中將具有所述晶粒尺寸分布(b)的所述合金暴露于超過(guò)所述300MPa-600MPa的屈服強(qiáng)度的應(yīng)力，其中所述細(xì)化晶粒尺寸保持為100nm-2000nm，所述硼化物晶粒尺寸保持為200nm-2500nm,所述析出晶粒保持為lnm-200nm,其中所述合金顯示300MPa-1400MPa的屈服強(qiáng)度、875MPa_1590MPa的拉伸強(qiáng)度和5% -30%的延伸率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述合金顯示0.2-1.0的應(yīng)變硬化系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在(a)或(b)中形成的所述合金為片材形式。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述合金為片材形式。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中將在(a)中形成的所述合金設(shè)置在車輛中。
9.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中將所述合金設(shè)置在車輛中。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中將具有所述機(jī)械性質(zhì)狀況和晶粒尺寸分布的所述合金設(shè)置在鉆鋌、鉆桿、套管、鉆具接頭、井頭、壓縮氣體儲(chǔ)存桶或液化天然氣罐之一中。
11.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中將所述合金設(shè)置在鉆鋌、鉆桿、套管、鉆具接頭、井頭、壓縮氣體儲(chǔ)存桶或液化天然氣罐之一中。
12.—種方法,包括: (a)提供包含65.5-80.9原子％的Fe、l.7-15.1原子％的N1、3.5-5.9原子％的B、4.4-8.6原子％的Si的金屬合金； (b)熔融所述合金并凝固以提供500nm-20,OOOnm的基體晶粒尺寸和100nm-2500nm的砸化物晶粒尺寸；和 (c)加熱所述合金并形成包括10nm-1O,OOOnm的晶粒和100nm-2500nm的硼化物晶粒尺寸的板條組織，并且所述合金具有300MPa-1400MPa的屈服強(qiáng)度、350MPa_1600MPa的拉伸強(qiáng)度和0-12%的延伸率。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述合金包括下列的一種或多種: 0-8.8原子％的Cr ； 0-2.0原子％的Cu ； 0-18.8 原子 ％的]^ ；
14.根據(jù)權(quán)利要求12-13中任一項(xiàng)的方法，其中在1100°C-2000°C的溫度下實(shí)現(xiàn)所述熔融，并通過(guò)11X103-4X10_2K/s范圍內(nèi)的冷卻實(shí)現(xiàn)凝固。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其包括在步驟(c)后加熱該合金并且形成10nm-1O, OOOnm 厚、0.1-5.0 微米長(zhǎng)和 10nm-1OOOnm 寬的薄片晶粒連同 100nm_2500nm 的硼化物晶粒和Inm-1OOnm的析出晶粒，其中所述合金顯示350MPa_1400MPa的屈服強(qiáng)度。
16.權(quán)利要求15的方法，其中合金受到應(yīng)力并且形成具有100nm-5000nm的晶粒、100nm-2500nm的硼化物晶粒、Inm-1OOnm的析出晶粒的合金，并且所述合金具有350MPa-1400MPa的屈服強(qiáng)度、1000MPa_1750MPa的拉伸強(qiáng)度和0.5% -15.0%的延伸率。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述合金顯示0.1-0.9的應(yīng)變硬化系數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中在(a)或(b)中形成的所述合金為片材形式。
19.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中形成的所述合金為片材形式。
20.根據(jù)權(quán)利要求16 的方法，其中形成的所述合金為片材形式。
21.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中將在(a)或(b)中形成的所述合金設(shè)置在車輛中。
22.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中將所述合金設(shè)置在車輛中。
23.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中將所述合金設(shè)置在車輛中。
24.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中將在(a)或(b)中形成的所述合金設(shè)置在鉆鋌、鉆桿、鉆具接頭、井頭、壓縮氣體儲(chǔ)存桶或液化天然氣罐之一中。
25.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中將所述合金設(shè)置在鉆鋌、鉆桿、套管鉆具接頭、井頭、壓縮氣體儲(chǔ)存桶或液化天然氣罐之一中。
26.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中將所述合金設(shè)置在鉆鋌、鉆桿、套管、鉆具接頭、井頭、壓縮氣體儲(chǔ)存桶或液化天然氣罐之一中。
27.一種金屬性合金，包含:
65.5-80.9 原子 ％的？6 ；
1.7-15.1 原子％ 的 Ni ； 3.5-5.9 原子％的8 ;
4.4-8.6 原子 ％ 的 Si ； 其中所述合金顯示500nm-20, OOOnm的基體晶粒尺寸和25nm-500nm的硼化物晶粒尺寸，并且其中所述合金顯示下列的至少一種: (a)在暴露于機(jī)械應(yīng)力時(shí)，所述合金顯示出500nm-20，OOOnm的基體晶粒尺寸、25nm-500nm的硼化物晶粒尺寸、lnm_200nm的析出晶粒尺寸和提供300MPa_840MPa的屈服強(qiáng)度、630MPa-l10MPa的拉伸強(qiáng)度、10-40%的拉伸延伸率的機(jī)械性質(zhì)狀況；或 (b)在暴露于熱及隨后的機(jī)械應(yīng)力時(shí)，所述合金顯示出100nm-2000nm的細(xì)化晶粒尺寸、200nm-2500nm的硼化物晶粒尺寸、lnm-200nm的析出晶粒尺寸，其中所述合金顯示300MPa-1400MPa的屈服強(qiáng)度、875MPa_1590MPa的拉伸強(qiáng)度和5% -30%的延伸率。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的合金，其中在(a)和(b)中詳述的所述合金為片材材料形式。
29.一種金屬性合金，包含:
65.5-80.9 原子 ％的？6 ；
1.7-15.1 原子％ 的 Ni ； 3.5-5.9 原子％的8 ;
4.4-8.6 原子 ％ 的 Si ； 其中所述合金顯示500nm-20, OOOnm的基體晶粒尺寸和100nm-2500nm的硼化物晶粒尺寸，其中所述合金: (a)在第一次暴露于熱時(shí)，形成包括lOOnm-lO，OOOnm的晶粒和100nm-2500nm的硼化物晶粒尺寸的板條組織并且所述合金具有300MPa-1400MPa的屈服強(qiáng)度、350MPa_1600MPa的拉伸強(qiáng)度和0-12%的延伸率；和 (b)在第二次暴露于熱及隨后的應(yīng)力時(shí)，所述合金具有100nm-5000nm的晶粒、100nm-2500nm的硼化物晶粒、Inm-1OOnm的析出晶粒，并且所述合金具有350MPa_1400MPa的屈服強(qiáng)度、1000MPa-1750MPa的拉伸強(qiáng)度和0.5% -15.0 %的延伸率。
30.權(quán)利要求29的合金，其中在(a)或(b)中詳述的所述合金為片材形式。
【文檔編號(hào)】C22C38/08GK104185691SQ201380004793
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2013年1月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月5日
【發(fā)明者】D·J·布拉納甘, B·E·米查姆, J·K·瓦勒瑟, A·T·鮑爾, G·G·賈斯蒂斯, B·L·內(nèi)申, 成勝, A·V·謝爾古伊瓦 申請(qǐng)人:納米鋼公司