本發(fā)明涉及超細(xì)晶金屬材料，特別提供了一種高強(qiáng)度高塑性TWIP鋼的制備方法。

背景技術(shù)：

塊體納米金屬因其具有的超高強(qiáng)度受到國內(nèi)外廣大研究者的重視，但是多數(shù)納米金屬通常存在室溫均勻拉伸伸長率不足5％的結(jié)構(gòu)應(yīng)用瓶頸，如何提高納米金屬的塑性已成為國際材料領(lǐng)域中的重大科學(xué)問題。研究證實(shí)，納米金屬低塑性問題的實(shí)質(zhì)是應(yīng)變硬化率過快降低，而導(dǎo)致頸縮過早失穩(wěn)。近來，利用微結(jié)構(gòu)界面(如晶界、孿晶界等)密度在空間上的非均勻構(gòu)筑，為增強(qiáng)納米金屬應(yīng)變硬化能力，抑制應(yīng)變局部化，提高塑性提供了新思路。隨著研究的深入，非均勻納米結(jié)構(gòu)金屬展現(xiàn)出的諸多優(yōu)異力學(xué)性能和獨(dú)特變形行為，以及強(qiáng)韌化規(guī)律，日益引起學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注，尤其是非均勻納米結(jié)構(gòu)應(yīng)變硬化機(jī)理，正逐漸成為新的研究熱點(diǎn)，因而具有重要的理論和實(shí)際意義。

對于傳統(tǒng)TWIP鋼(孿生誘發(fā)塑性鋼)而言，當(dāng)晶粒細(xì)化至亞微米尺度后，其后續(xù)室溫拉伸過程往往不再或難于產(chǎn)生變形孿晶，即在超細(xì)晶尺度下TWIP效應(yīng)失效，這在極大程度上損害了TWIP鋼本應(yīng)具有的均勻塑性。在超細(xì)晶尺度下，若是能夠―重啟”這類奧氏體鋼在粗晶狀態(tài)下原本具有的TWIP效應(yīng)，那么，無疑將為TWIP鋼的進(jìn)一步強(qiáng)韌化提供一條新的途徑。TWIP鋼中形變孿晶的產(chǎn)生，既為晶內(nèi)位錯(cuò)儲(chǔ)存提供更多空間，促進(jìn)傳統(tǒng)林位錯(cuò)硬化，又使得變形奧氏體組織的非均勻性增加，提高背應(yīng)力硬化。形變孿晶或所謂TWIP效應(yīng)是TWIP鋼中高應(yīng)變硬化率的強(qiáng)大來源。一方面，變形過程中陸續(xù)引入的高密度孿晶界面對位錯(cuò)滑移不斷形成新的障礙；另一方面，孿晶界面的連續(xù)生成也促使背應(yīng)力持續(xù)增加。

現(xiàn)有技術(shù)的TWIP鋼的性能不理想，制備方法比較復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種高強(qiáng)度高塑性TWIP鋼(孿生誘發(fā)塑性)的制備方法，通過對TWIP鋼進(jìn)行異步軋制加冷軋，繼而選擇后續(xù)的溫度退火處理，以此獲得高強(qiáng)度高塑性的力學(xué)性能。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種高強(qiáng)度高塑性TWIP鋼，微觀結(jié)構(gòu)為再結(jié)晶層片與超細(xì)晶層片交替分布的復(fù)合微觀結(jié)構(gòu)，再結(jié)晶層片內(nèi)部由近等軸狀的完全再結(jié)晶晶粒和寬大的退火孿晶構(gòu)成。

所述的高強(qiáng)度高塑性TWIP鋼，室溫拉伸速度為5×10^-4/s，屈服強(qiáng)度可達(dá)0.9GPa-1.4GPa，均勻拉伸伸長率可達(dá)7％-30％，拉伸曲線表現(xiàn)為非連續(xù)屈服現(xiàn)象。

所述的高強(qiáng)度高塑性TWIP鋼，其特征在于:再結(jié)晶晶粒尺寸為1.1–1.6μm，最大再結(jié)晶晶粒等效直徑≤5μm；超細(xì)晶晶粒尺寸范圍為80–800nm。

一種高強(qiáng)度高塑性TWIP鋼的制備方法，其特征在于：步驟為：1)真空感應(yīng)電爐熔煉及澆鑄制成TWIP鋼鋼錠，在950-1050℃溫度下鍛造成型獲得鋼坯；成分如下表所示：

2)1230-1300℃熱軋保溫1.5-2h，開軋溫度1150-1250℃，中軋溫度850-950℃，終軋厚度為20±2mm；(3)高溫退火進(jìn)行均勻化處理：950—1100℃保溫2h；(4)在400～600℃溫度下進(jìn)行溫軋，軋制厚度為10±1mm；異步軋制10～1mm，異速比1.5；最終同步軋機(jī)冷軋1～0.5mm；(5)對軋制后TWIP進(jìn)行高溫短時(shí)退火處理：樣品封裝于高真空石英試管中，在熱處理爐中在550℃-625℃保溫1-8min，然后快速水淬至室溫。

優(yōu)選的，所述的高強(qiáng)度高塑性TWIP鋼的制備方法，步驟為：(1)真空感應(yīng)電爐熔煉及澆鑄制成TWIP鋼鋼錠，在950℃-1050℃溫度下鍛造成型獲得鋼坯；(2)熱軋：1250℃保溫2h，開軋溫度為1200℃，中軋溫度為900℃，終軋厚度為20mm；(3)高溫退火進(jìn)行均勻化處理：1000℃保溫2h；(4)溫軋：將樣品切割成小塊，在400℃溫度下進(jìn)行溫軋，軋制厚度為10mm；異步軋制：軋制厚度為1mm，異速比1.5；最終同步軋機(jī)冷軋厚度為0.5mm；(5)對軋制后TWIP鋼進(jìn)行高溫短時(shí)退火處理：樣品封裝于高真空石英試管中，在熱處理爐中600℃保溫2min，然后快速水淬至室溫。

優(yōu)選的，所述的高強(qiáng)度高塑性TWIP鋼的制備方法，步驟為：(1)真空感應(yīng)電爐熔煉及澆鑄制成TWIP鋼鋼錠，在950℃-1050℃溫度下鍛造成型獲得鋼坯；(2)熱軋：1250℃保溫2h，開軋溫度為1200℃，中軋溫度為900℃，終軋厚度為20mm；(3)高溫退火進(jìn)行均勻化處理：1000℃保溫2h；(4)溫軋：將樣品切割成小塊，在500℃溫度下進(jìn)行溫軋，軋制厚度為10mm；異步軋制：軋制厚度為1mm，異速比1.5；最終同步軋機(jī)冷軋厚度為0.5mm；(5)對軋制后TWIP鋼進(jìn)行高溫短時(shí)退火處理：樣品封裝于高真空石英試管中，在熱處理爐中610℃保溫2min，然后快速水淬至室溫。

優(yōu)選的，所述的高強(qiáng)度高塑性TWIP鋼的制備方法，步驟為：(1)真空感應(yīng)電爐熔煉及澆鑄制成TWIP鋼鋼錠，在950℃-1050℃溫度下鍛造成型獲得鋼坯；(2)熱軋：1300℃保溫2h，開軋溫度為1250℃，中軋溫度為950℃，終軋厚度為20mm；(3)高溫退火進(jìn)行均勻化處理：1100℃保溫2h；(4)溫軋：將樣品切割成小塊，在600℃溫度下進(jìn)行溫軋，軋制厚度為10mm；異步軋制：軋制厚度為1mm，異速比1.5；最終同步軋機(jī)冷軋厚度為0.5mm；(5)對軋制后TWIP鋼進(jìn)行高溫短時(shí)退火處理：樣品封裝于高真空石英試管中，在熱處理爐中625℃保溫2min，然后快速水淬至室溫。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.性能優(yōu)異：制備的高強(qiáng)高塑TWIP鋼，明顯超出傳統(tǒng)高錳TWIP鋼性能，具有≥5％均勻伸長率前提下所能達(dá)到的最大屈服強(qiáng)度，其值約為原始粗晶樣品強(qiáng)度的4倍，即在高強(qiáng)度端獲得了優(yōu)異的強(qiáng)塑性匹配。

2.制備方法簡單：采用工業(yè)上常用的異步軋制和同步軋制(常規(guī)冷軋)方法，易于控制軋制的異速比和軋制每道次的壓下量等工藝參數(shù)；同時(shí)，采用高溫短時(shí)熱處理退火工藝，控制退火的溫度和時(shí)間，也易于實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明工藝簡單，可降低成本。

附圖說明

圖1：本發(fā)明實(shí)施例3得到的高強(qiáng)高塑TWIP鋼的EBSD照片；

圖2：本發(fā)明實(shí)施例3得到的高強(qiáng)高塑TWIP鋼的晶粒統(tǒng)計(jì)分布圖；

圖3：本發(fā)明實(shí)施例3得到的高強(qiáng)高塑TWIP鋼的TEM明場像照片；

圖4：本發(fā)明制備得到的高強(qiáng)高塑TWIP鋼的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸曲線。

(其中CG表示粗晶，即高溫退火均勻后處理后狀態(tài)，HL600表示冷軋后600℃保溫退火狀態(tài)；UFG表示超細(xì)晶，即冷軋后未退火狀態(tài))

具體實(shí)施方法

下面通過實(shí)施例詳述本發(fā)明，以下實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的發(fā)明范圍。該技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)工程師可根據(jù)上述發(fā)明的內(nèi)容作出一些非本質(zhì)性的改進(jìn)和調(diào)整。

實(shí)施例1

1.熔煉及軋制制備TWIP鋼

(1)真空感應(yīng)電爐熔煉及澆鑄制成TWIP鋼鋼錠，在950℃-1050℃溫度下鍛造成型獲得鋼坯；成分如下表所示：

(2)熱軋：1250℃保溫2h，開軋溫度為1200℃，中軋溫度為900℃，終軋厚度為20mm；(3)高溫退火進(jìn)行均勻化處理：1000℃保溫2h；(4)溫軋：將樣品切割成小塊，在400℃溫度下進(jìn)行溫軋，軋制厚度為10mm；異步軋制：軋制厚度為1mm，異速比1.5；最終同步軋機(jī)冷軋厚度為0.5mm。

步驟(3)后，顯微組織由尺寸均勻但較為粗大的奧氏體晶粒構(gòu)成，絕大多數(shù)奧氏體晶粒內(nèi)含有退火孿晶，平均晶粒尺寸為80μm。

步驟(4)后，微觀組織為亞微米尺度層片結(jié)構(gòu)；層片界面較為平直、鋒銳且明晰，具有較高位錯(cuò)密度，平均層片間距約280nm，最大層片間距約800nm，最短層片長度約1μm。

2.對軋制后TWIP鋼進(jìn)行高溫短時(shí)退火處理：樣品封裝于高真空石英試管中，在熱處理爐中600℃保溫2min，然后快速水淬至室溫。

高溫短時(shí)退火后，發(fā)生了明顯的部分再結(jié)晶。再結(jié)晶晶粒尺寸分布于1.1–1.6μm范圍內(nèi)，最大再結(jié)晶晶粒等效直徑≤5μm，超細(xì)晶晶粒尺寸范圍為80-800nm，平均晶粒尺寸約345nm。

統(tǒng)計(jì)計(jì)算表明，超細(xì)晶和再結(jié)晶層片的體積分?jǐn)?shù)為18％和82％，再結(jié)晶晶粒承擔(dān)了22％的應(yīng)變，整體樣品的屈服強(qiáng)度為1.4GPa，均勻伸長率為7％，再結(jié)晶晶粒的變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樣品整體應(yīng)變，使TWIP鋼具備高強(qiáng)度的同時(shí)，也有>5％的均勻拉伸伸長率。

實(shí)施例2

1.熔煉及軋制制備TWIP鋼

(1)真空感應(yīng)電爐熔煉及澆鑄制成TWIP鋼鋼錠，在950℃-1050℃溫度下鍛造成型獲得鋼坯；(2)熱軋：1250℃保溫2h，開軋溫度為1200℃，中軋溫度為900℃，終軋厚度為20mm；(3)高溫退火進(jìn)行均勻化處理：1000℃保溫2h；(4)溫軋：將樣品切割成小塊，在500℃溫度下進(jìn)行溫軋，軋制厚度為10mm；異步軋制：軋制厚度為1mm，異速比1.5；最終同步軋機(jī)冷軋厚度為0.5mm。

步驟(3)后，顯微組織由尺寸均勻但較為粗大的奧氏體晶粒構(gòu)成，絕大多數(shù)奧氏體晶粒內(nèi)含有退火孿晶，平均晶粒尺寸為80μm。

步驟(4)后，微觀組織為亞微米尺度層片結(jié)構(gòu)；層片界面較為平直、鋒銳且明晰，具有較高位錯(cuò)密度，平均層片間距約280nm，最大層片間距約800nm，最短層片長度約1μm。

2.對軋制后TWIP鋼進(jìn)行高溫短時(shí)退火處理：樣品封裝于高真空石英試管中，在熱處理爐中610℃保溫2min，然后快速水淬至室溫。

統(tǒng)計(jì)計(jì)算表明，超細(xì)晶和再結(jié)晶層片的體積分?jǐn)?shù)為40％和60％，再結(jié)晶晶粒承擔(dān)了34％的應(yīng)變，整體樣品的屈服強(qiáng)度為920MPa，均勻伸長率為21％。

實(shí)施例3

1.熔煉及軋制制備TWIP鋼

(1)真空感應(yīng)電爐熔煉及澆鑄制成TWIP鋼鋼錠，在950℃-1050℃溫度下鍛造成型獲得鋼坯；(2)熱軋：1300℃保溫2h，開軋溫度為1250℃，中軋溫度為950℃，終軋厚度為20mm；(3)高溫退火進(jìn)行均勻化處理：1100℃保溫2h；(4)溫軋：將樣品切割成小塊，在600℃溫度下進(jìn)行溫軋，軋制厚度為10mm；異步軋制：軋制厚度為1mm，異速比1.5；最終同步軋機(jī)冷軋厚度為0.5mm。

步驟(3)后，顯微組織由尺寸均勻但較為粗大的奧氏體晶粒構(gòu)成，絕大多數(shù)奧氏體晶粒內(nèi)含有退火孿晶，平均晶粒尺寸為80μm。

步驟(4)后，微觀組織為亞微米尺度層片結(jié)構(gòu)；層片界面較為平直、鋒銳且明晰，具有較高位錯(cuò)密度，平均層片間距約280nm，最大層片間距約800nm，最短層片長度約1μm。

2.對軋制后TWIP鋼進(jìn)行高溫短時(shí)退火處理：樣品封裝于高真空石英試管中，在熱處理爐中625℃保溫2min，然后快速水淬至室溫。

統(tǒng)計(jì)計(jì)算表明，超細(xì)晶和再結(jié)晶層片的體積分?jǐn)?shù)為55％和45％，再結(jié)晶晶粒承擔(dān)了46％的應(yīng)變，整體樣品的屈服強(qiáng)度為900MPa，均勻伸長率為30％。

隨著退火溫度的升高再結(jié)晶引入程度增大，造成組織的不均勻性越明顯。這種組織的不均勻性在材料變形過程中產(chǎn)生了巨大作用。本發(fā)明中，625℃下短時(shí)2min退火得到的TWIP鋼強(qiáng)度與塑性匹配最優(yōu)。