在含硅合金钢中形成微纳尺度孪晶马氏体的工艺方法与流程

本发明涉及一种微纳尺度孪晶马氏体的形成方法，属于合金钢热处理领域。

背景技术：

近年来，有关纳米孪晶金属材料方面的大量研究及实践证明，孪晶界是一种特殊的低能态共格晶界，孪晶界两侧的晶格呈镜面对称，同普通大角晶界相似，孪晶界可有效地阻碍位错运动，从而使材料强化。但是微米尺度的孪晶片层其强化效果并不显著，当孪晶片层厚度细化至纳米量级时，其强化效果开始显现。纳米孪晶金属材料具有非常独特的力学性能和物理性能，利用纳米尺度孪晶界面强化材料已成为一种提高材料综合性能的新途经。含高密度微纳尺度孪晶亚结构的金属材料具有很多常规金属材料所不具有的性能，如超高的强度硬度、可观的塑性、超高的导电性、高的应变速率敏感性和抗疲劳裂纹萌生性能等。可见，含有高密度纳米孪晶的金属材料具有很多优良的性能，因而，这样的材料也具有广阔的应用空间。

孪晶并不罕见，在一些金属间化合物，很多金属材料，特别是低层错能的金属材料中，都能观察到孪晶。但这些材料中所含的孪晶，要么含量太少，孪晶结构的存在，不足以影响块体材料的力学性能；要么就是材料中含的是尺寸粗大的孪晶片层，粗大的孪晶对强度硬度的贡献不大，反而降低材料的韧塑性能。目前，对微纳尺度孪晶方面的研究及实践工作方面，主要是运用磁控溅射法制得的含高密度纳米孪晶的纯铜材料，在实验条件下，显示出了诸多优异的力学性能和物理性能。但这项技术制得的纳米孪晶纯铜材料尚未得到广泛的应用，原因在于通过这种方法制备的含高密度孪晶的纯铜材料尺寸有限，据文献报到其板状拉伸样的厚度仅为40um。而大块的纳米孪晶纯铜其自身的层错能较低，在受力的条件下，极易因原子面的滑移失去纳米孪晶的孪生关系，转变成常规的粗晶纯铜的结构，失去了纳米孪晶结构的强化作用。从而导致用磁控溅射法制得的含高密度纳米孪晶的纯铜材料无法得到广泛的应用。

通过相变的方法在钢中制备微纳尺度孪晶有较大难度。一方面由于碳钢的层错能较高不易形成形变孪晶，其变形机制主要以位错的滑移为主，因此只能以相变方式来获得孪晶。而通过马氏体相变获得的孪晶比较粗大，对强度贡献不大反而显著降低韧塑性。另一方面还必须通过其它方式提高奥氏体相的强度，才能获得一定数量的微纳尺度孪晶马氏体。目前还未见在一般大块体低合金碳钢中获得微纳尺度孪晶来实现强化和塑化的文献报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于：提供一种在含硅合金钢中形成微纳尺度孪晶马氏体的工艺方法，以解决通过马氏体相变获得的孪晶比较粗大，对强度贡献不大反而显著降低韧塑性的问题。

为解决上述问题，拟采用这样一种在含硅合金钢中形成微纳尺度孪晶马氏体的工艺方法，包括：

步骤一.选取含硅合金钢，通过大功率感应加热方法对其加热，加热速率大于80℃/s，加热到830℃~860℃，保温时间t，所述 t在4~30秒范围；

步骤二.保温时间t后，对合金钢进行快速冷却，冷却速率大于100℃/s时；

步骤三.重复上述步骤一和步骤二的淬火工艺，获得微纳尺度孪晶马氏体。

前述工艺方法中，所选取的合金钢的成分和尺寸范围如下：元素含量(wt%)，C：0.55~0.65、Si：1.50~2.50、Cr：0.8~1.4、V：0.08~0.20，其余为杂质含量，料径小于 Φ25mm。

前述工艺方法中，步骤一中选取合金钢后，先将其进行均匀化退火，然后去除表层杂质，避免杂质影响其加热速率和冷却速率。

与现有技术相比，本发明采用在接近临界点的低温区，由于温度低，回火不充分部分碳化物以及细化的尺寸在基体析出同时有部分溶解导致每个细化晶粒中都有局部的高碳区(碳含量大于0.7%以上)，然后快速冷却，这种过程在每个晶粒局部保持不均匀的高碳浓度区。这种状态以超快速率冷却将能够获得一定数量的微纳尺度孪晶马氏体。由于这种类型钢的变形机制主要以位错的滑移为主，不会破坏孪晶的孪生关系，从而保证了其中所含的微纳尺度孪晶对材料宏观强度的贡献。另一方面塑性变形过程中位错与微纳尺度孪晶的反应和交互作用能有效释放形变应力导致材料塑性提高。因此这种方法可通过在大块体材料中获得微纳尺度孪晶马氏体来显著提高这类材料的强塑性，具有重要的实际应用价值。目前微纳尺度孪晶的密度只能在10%体积分数以内不算很高，已经可使这类材料的强度达到2000MPa以上，同时塑性指标(断面收缩率)可以获得45%左右。

具体实施方式

图1是本发明实施例的淬火+回火工艺图；

图2是本发明实施例制得的微纳尺度孪晶马氏体组织的透射电子显微镜(TEM)图和孪晶片层厚度示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明作进一步地详细描述。

实施例：

中高碳硅、铬、钒钢中形成微纳尺度孪晶马氏体的新工艺，其工艺如图1所示。

第1步：将试样加工至合适尺寸，先将试样进行均匀化退火。然后人工去除试样表层的氧化膜等会影响其加热速率和冷却速率的杂质。

第2步：按图1所示的工艺对钢进行淬火热处理。

具体工艺规范如下：

加热速度 80℃/s

保温温度 840℃

保温时间 10s

冷却速率 200℃/s

参照图1，当淬火速度为200℃/s时，Ms点温度最低，其形成的孪晶片层厚度也最小，获得的孪晶片层厚度在19nm左右。对强度和塑性的提高有较大附加作用。淬火+440℃×60min回火后，试验钢的综合力学性能最佳，最高抗拉强度和断面收缩率分别达1924MPa和44.4%。按第2步所述工艺参数对钢进行循环淬火热处理，循环淬火3次后的试样，晶粒尺寸达到5um左右，淬火形成的微纳尺度孪晶含量达9.5%左右。