本發(fā)明涉及合金鋼加工領(lǐng)域，特別設(shè)計(jì)一種變形晶粒/部分再結(jié)晶組織孿生誘發(fā)塑性鋼的制備方法。

背景技術(shù)：

高強(qiáng)塑積合金鋼或?qū)\生誘發(fā)塑性鋼是一種單相奧氏體鋼。因具有適中的層錯(cuò)能而在塑性變形過程中可持續(xù)形成孿晶并逐漸長大，產(chǎn)生連續(xù)的應(yīng)變硬化效應(yīng)，使變形局域化顯著推遲，從而顯示出極高的塑性以及極高的強(qiáng)塑積(抗拉強(qiáng)度與斷后伸長率的乘積)，是一種緩沖吸能性(吸能本領(lǐng)和吸能效率)特別突出的新型合金材料，在航空航天、國防、反恐以及車輛、道路、橋梁、建筑、管道、低溫儲(chǔ)罐等結(jié)構(gòu)中具有非常廣泛的應(yīng)用前景。孿生誘發(fā)塑性鋼的基本加工過程為：在真空電爐惰性氣氛保護(hù)下熔煉形成合金，經(jīng)鍛造、軋制成形，再經(jīng)熱處理獲得不同晶粒尺寸的等軸奧氏體晶。孿生誘發(fā)塑性鋼的典型力學(xué)性能為：屈服強(qiáng)度250～350MPa，抗拉強(qiáng)度500～600MPa，斷后伸長率70～85％。

由于孿生誘發(fā)塑性鋼的性能特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合以緩沖吸能為主，因此，提高其吸能本領(lǐng)、吸能效率及承載能力是改善其服役行為、擴(kuò)大其應(yīng)用范圍的基本前提之一。我們知道，材料拉伸塑性變形過程中吸收的能量或外力使材料塑性變形所做的功等于力-位移曲線下包絡(luò)的面積，而吸能效率則等于該面積與理想曲線包絡(luò)的面積之比，后者等于最大拉伸力與其對(duì)應(yīng)位移的乘積。因此，簡單地說，要提高材料的吸能本領(lǐng)和承載能力，需提高其拉伸力-位移曲線的高度和長度，即提高其屈服強(qiáng)度、流動(dòng)應(yīng)力、抗拉強(qiáng)度及/或伸長率；而要提高材料的吸能效率，則應(yīng)提高其屈強(qiáng)比，即提高拉伸力-位移曲線的水平度，使之包絡(luò)的幾何形狀更接近于矩形。目前提高孿生誘發(fā)塑性鋼屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的方法主要是合金化和晶粒細(xì)化。該兩種方法雖可同時(shí)提高材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，但卻難以改變兩者的比值即屈強(qiáng)比，因此不能提高材料的吸能效率。另外，由于受塑性變形和強(qiáng)化機(jī)制的限制，這兩種方法在提高材料強(qiáng)度的同時(shí)，往往使材料的塑性明顯下降，在一定程度上抵消了強(qiáng)度提高對(duì)吸能本領(lǐng)的貢獻(xiàn)。例如，通過控制再結(jié)晶過程，可使孿生誘發(fā)塑性鋼的晶粒尺寸由35μm減小至0.74μm，抗拉強(qiáng)度由600MPa提高至900MPa左右，但斷后伸長率卻由72％下降至40％左右，單位質(zhì)量吸能由30.6J/g下降至10.2J/g，吸能效率由87.4％下降至82.1％。其它文獻(xiàn)也報(bào)道了類似的結(jié)果。顯然，通過晶粒細(xì)化的方法雖然可以提高孿生誘發(fā)塑性鋼的強(qiáng)度和承載能力，但對(duì)單位質(zhì)量吸能和吸能效率明顯不利，綜合效果仍不夠理想。吸能效率對(duì)于緩沖吸能材料及其結(jié)構(gòu)來說是一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)。吸能效率高，意味著在吸收同樣沖擊能的條件下可使用較少的吸能材料，有利于優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減輕結(jié)構(gòu)重量，這一優(yōu)點(diǎn)對(duì)于飛行器、車輛、船舶等運(yùn)載工具的緩沖吸能結(jié)構(gòu)來說尤為可貴。

如前述，要提高孿生誘發(fā)塑性鋼的吸能效率，應(yīng)提高其屈服強(qiáng)度并使之提高的幅度大于抗拉強(qiáng)度的增幅，以獲得較高的屈強(qiáng)比即較高水平度的流動(dòng)應(yīng)力。根據(jù)金屬材料產(chǎn)生屈服的位錯(cuò)滑移機(jī)制，要提高材料的屈服強(qiáng)度，須設(shè)法增大位錯(cuò)滑移的阻力及/或降低位錯(cuò)的動(dòng)性。針對(duì)孿生誘發(fā)塑性鋼塑性變形過程中位錯(cuò)、晶界與孿晶交互作用對(duì)材料屈服和應(yīng)變硬化行為的影響，本發(fā)明首先采用中溫塑性變形加工，獲得位錯(cuò)密度高、組態(tài)復(fù)雜(包括位錯(cuò)交割、網(wǎng)絡(luò)和攀移等)的變形晶體組織，以使拉伸時(shí)位錯(cuò)的可動(dòng)性較低。然后進(jìn)行中溫退火或淬火，消除塑性加工時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力并形成少量再結(jié)晶晶粒，適當(dāng)降低材料的抗拉強(qiáng)度以改善其塑性。通過這種中溫變形加工結(jié)合低中溫?zé)崽幚淼姆绞?，可使孿生誘發(fā)塑性鋼的屈服強(qiáng)度、屈強(qiáng)比、吸能本領(lǐng)和吸能效率顯著提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種變形晶粒/部分再結(jié)晶組織孿生誘發(fā)塑性鋼的制備方法。本發(fā)明通過中溫塑性加工獲得具有高位錯(cuò)密度的變形晶粒，再通過中溫?zé)崽幚硇纬刹糠衷俳Y(jié)晶組織，通過改變熱處理加熱溫度調(diào)整再結(jié)晶晶粒的數(shù)量和尺寸，以改變材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、屈強(qiáng)比與伸長率，實(shí)現(xiàn)吸能本領(lǐng)、吸能效率和承載能力的提高。本發(fā)明方法制得的孿生誘發(fā)塑性鋼具有高吸能本領(lǐng)、高吸能效率和高承載能力。具體特點(diǎn)如下：

(1)主要化學(xué)成分為(wt.％)：Mn：25～35，Al：2.5～3.5，Si：2.5～3.5，C：0.02～0.05，其余為Fe。

(2)金相組織為：單向伸長且平行排列的變形奧氏體晶粒加少量等軸奧氏體晶粒，變形晶粒長10～400μm、寬10～20μm；等軸晶直徑5～50μm，體積分?jǐn)?shù)20～30％。

(3)典型力學(xué)性能為：屈服強(qiáng)度640～700MPa，抗拉強(qiáng)度750～850MPa，屈強(qiáng)比≥0.8，單位質(zhì)量吸能40～45J/g，吸能效率90～95％，斷后伸長率40～50％。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種變形晶粒/部分再結(jié)晶組織孿生誘發(fā)塑性鋼的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)熔煉：將原料單質(zhì)Mn、Al、Si、C、Fe按目標(biāo)成分配比進(jìn)行混合配料，將配好的原料投入到真空感應(yīng)冶煉爐內(nèi)，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行熔煉，熔煉結(jié)束后澆注成鋼錠；

(2)高溫拔長：將步驟(1)獲得的鋼錠進(jìn)行表面車削加工，加工量2-5mm，車削后的鋼錠再經(jīng)900～1100℃的高溫鍛造拔長，按鍛比0.4-0.7將鋼錠沿軸向拔長成截面尺寸為80×80mm的方坯，然后截成長550～650mm的鍛坯；

(3)高溫鐓粗：將高溫拔長的鍛坯在900～1100℃的溫度范圍內(nèi)鐓粗至截面尺寸為120×(120-140)mm的鍛坯；

(4)中溫拔長：將鐓粗后的鍛坯在600～700℃的溫度范圍內(nèi)拔長至截面尺寸為45×(40-50)mm的鍛坯；

(5)中溫?zé)崽幚恚簩伍L后的鍛坯在電阻爐內(nèi)加熱，升溫速率9-11℃/min，當(dāng)溫度升到620～660℃后，保溫0.5～1.5小時(shí)后快速水冷或自然冷卻至室溫，即可得到孿生誘發(fā)塑性鋼成品。

所述的變形晶粒/部分再結(jié)晶組織孿生誘發(fā)塑性鋼的制備方法，其特征在于：所述的目標(biāo)成分由下列原料組分組成，各組分質(zhì)量百分比為：Mn：25～35％，Al：2.5～3.5％，Si：2.5～3.5％，C：0.02～0.05％，其余為Fe。

所述的變形晶粒/部分再結(jié)晶組織孿生誘發(fā)塑性鋼的制備方法加工出的孿生誘發(fā)塑性鋼。

發(fā)明效果

本發(fā)明針對(duì)孿生誘發(fā)塑性鋼塑性變形過程中位錯(cuò)、晶界與孿晶交互作用對(duì)材料屈服和應(yīng)變硬化行為的影響，首先采用中溫塑性變形加工，獲得位錯(cuò)密度高、組態(tài)復(fù)雜(包括位錯(cuò)交割、網(wǎng)絡(luò)和攀移等)的變形晶體組織，以使拉伸時(shí)位錯(cuò)的可動(dòng)性較低。然后進(jìn)行中溫退火或淬火，消除塑性加工時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力并形成少量再結(jié)晶晶粒，適當(dāng)降低材料的抗拉強(qiáng)度以改善其塑性。通過這種中溫變形加工結(jié)合低中溫?zé)崽幚淼姆绞?，可使孿生誘發(fā)塑性鋼的屈服強(qiáng)度、屈強(qiáng)比、吸能本領(lǐng)和吸能效率顯著提高，本發(fā)明得到的孿生誘發(fā)塑性鋼與普通孿生誘發(fā)塑性鋼的主要力學(xué)性能對(duì)比如表1所示。

表1

由表1可以看出本發(fā)明提供的經(jīng)高、中溫鍛造和中溫?zé)崽幚淼膶\生誘發(fā)塑性鋼，利用中溫鍛造形成的具有高密度位錯(cuò)及復(fù)雜缺陷組態(tài)的變形晶體組織，可明顯提高材料的屈服強(qiáng)度、屈強(qiáng)比和吸能效率；部分再結(jié)晶組織的出現(xiàn)，可改善材料的塑性，從而提高其吸能本領(lǐng)，而抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的同時(shí)提高，則可增加材料的承載能力。與傳統(tǒng)或一般加工條件下形成的等軸晶孿生誘發(fā)塑性鋼相比，本發(fā)明獲得的材料可同時(shí)獲得較高的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、屈強(qiáng)比、吸能本領(lǐng)和吸能效率。

附圖說明

圖1：普通孿生誘發(fā)塑性鋼的典型等軸晶組織。

圖2：本實(shí)施例獲得的孿生誘發(fā)塑性鋼的典型變形晶粒/再結(jié)晶晶粒組織。

圖3：普通等軸晶孿生誘發(fā)塑性鋼的典型拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線及性能。

圖4：本實(shí)施例獲得的孿生誘發(fā)塑性鋼的典型拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線及性能。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例：高吸能本領(lǐng)、高吸能效率和高承載能力的孿生誘發(fā)塑性鋼，其主要化學(xué)成分為(wt.％)：Mn：29.5；Al：2.75％；Si：3.10％；C：0.05；其余為Fe。

制備方法如下：

(1)按目標(biāo)成分進(jìn)行配料，在真空感應(yīng)電爐內(nèi)、氬氣保護(hù)下進(jìn)行熔煉，熔煉結(jié)束后澆注成鋼錠；

(2)鋼錠表面車削加工量為2mm，經(jīng)1000℃高溫鍛造拔長、切割后獲得尺寸為80×80×600mm的鍛坯，鍛比為0.5；

(3)將高溫拔長的鍛坯在1000℃鐓粗至橫截面尺寸為120×120mm的鍛坯。

(4)將鐓粗后的鍛坯在650℃下拔長至橫截面尺寸為45×45mm的鍛坯；

(5)將拔長后的鍛坯在電阻爐內(nèi)加熱、保溫后水冷，升溫速率10℃/min，保溫溫度650℃，保溫時(shí)間0.5小時(shí)。

機(jī)械性能檢測(cè)：從上述熱處理后的鍛坯上取樣，加工成啞鈴形板狀拉伸試棒，試棒長度與鍛坯軸向同向，標(biāo)距段尺寸為6×2×40mm。

在材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為3mm/min，測(cè)得材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率。根據(jù)測(cè)得的拉伸力-位移曲線計(jì)算得到材料拉伸至斷裂時(shí)吸收的總能量，再以該能量除以抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率的乘積，得到吸能效率，以該能量除以試棒標(biāo)距段質(zhì)量算出單位質(zhì)量吸收的能量。

結(jié)果表明，材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率分別為：661MPa、795MPa和43.2％(如附圖4所示)；單位質(zhì)量吸能和吸能效率分別為：40.4J/g、92.7％。